梁磊

(上海飛機設(shè)計研究院,上海 200120)

民機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計與分析方法

梁磊

(上海飛機設(shè)計研究院,上海 200120)

本文結(jié)合民機研制的一般過程介紹了發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計與分析流程,并重點闡述了發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別方法,以幫助提高民機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計水平和適航取證能力。

民機 轉(zhuǎn)子爆破 安全性 剩余風(fēng)險

民機轉(zhuǎn)子爆破是由于渦輪發(fā)動機損壞產(chǎn)生高速、高能量的碎片，這些碎片能夠穿透鄰近結(jié)構(gòu)、燃油箱、機身、系統(tǒng)設(shè)備以及飛機上其他的發(fā)動機等，對飛行安全造成極大風(fēng)險。發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計與分析應(yīng)在整個飛機的設(shè)計階段進行開展，以確保飛機的設(shè)計充分考慮了轉(zhuǎn)子爆破防護。

1 轉(zhuǎn)子爆破分析流程

飛機的設(shè)計一般要經(jīng)過概念設(shè)計，初步設(shè)計，詳細(xì)設(shè)計，制造安裝以及試飛運營幾個階段。以下從各個階段介紹民機在設(shè)計過程中所要開展的轉(zhuǎn)子爆破分析工作。圖1為民機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計與分析在各個設(shè)計階段的流程。

1.1 概念設(shè)計階段

在概念設(shè)計階段，主要是確定分析目標(biāo)并進行初步設(shè)計考慮。由于在概念設(shè)計階段需要初步確定飛機的布局，對于防轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計考慮，主要考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)子相對于關(guān)鍵系統(tǒng)和區(qū)域的位置，包括與其他發(fā)動機的位置，燃油箱的位置，增壓艙機翼主要結(jié)構(gòu)的位置等。

1.2 初步設(shè)計階段

初步設(shè)計階段，需要全面設(shè)計與布置各種機載設(shè)備，各種系統(tǒng)以及主要承力結(jié)構(gòu)等。這一階段也需要更詳細(xì)的防轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計考慮。這些設(shè)計考慮應(yīng)形成可操作的設(shè)計需求以傳遞到各系統(tǒng)的設(shè)計過程中。此外，隨著飛機級和系統(tǒng)級功能危險性分析(FHA)及故障樹分析(FTA)的完善，處于轉(zhuǎn)子爆破影響區(qū)域的系統(tǒng)功能獨立性可能受到轉(zhuǎn)子爆破的破壞。因此FHA和FTA功能獨立性要求也會對轉(zhuǎn)子爆破產(chǎn)生設(shè)計需求。這些需求應(yīng)形成統(tǒng)一的要求文件傳遞到系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)子碎片的基本參數(shù)，就可以根據(jù)AC20-128的要求建立發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破碎片模型。根據(jù)碎片模型和設(shè)計需求，各系統(tǒng)在設(shè)計時就可采取合理的預(yù)防措施來盡量降低發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破產(chǎn)生的危害。

1.3 詳細(xì)設(shè)計階段

詳細(xì)設(shè)計階段，隨著各系統(tǒng)設(shè)計深入，需對系統(tǒng)設(shè)計需求進行完善。同時防轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計措施也需要不斷進行迭代反復(fù)以確定最終的最佳方案。雖然系統(tǒng)設(shè)計時已采取措施盡量降低轉(zhuǎn)子爆破的危害，但是完全消除轉(zhuǎn)子爆破造成為危害是不現(xiàn)實的。因此在此階段需要對轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險進行評估，即識別還可能存在的危害，并計算剩余風(fēng)險的大小以確定風(fēng)險大小是否滿足要求。

1.4 制造安裝階段

詳細(xì)設(shè)計階段確定各系統(tǒng)設(shè)備的最終設(shè)計方案后，系統(tǒng)設(shè)備將轉(zhuǎn)入制造安裝階段。在此階段，需結(jié)合區(qū)域安全分析對系統(tǒng)制造安裝防轉(zhuǎn)子爆破進行驗證，檢查系統(tǒng)是否按照設(shè)計措施進行制造安裝，系統(tǒng)設(shè)備的隔離距離是否滿足設(shè)計需求等。

圖1 民機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計與分析流程

2 發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別

發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別應(yīng)采取自下而上的方法，即先確定可能被轉(zhuǎn)子碎片擊中的設(shè)備，然后分析該設(shè)備損害對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，最后確定這樣的系統(tǒng)影響對整個飛機的安全飛行造成的危害[1]。由于轉(zhuǎn)子爆破影響區(qū)域一般范圍較大，影響設(shè)備繁多，直接從設(shè)備識別轉(zhuǎn)子爆破危害是難以完成的。因此轉(zhuǎn)子爆破危害識別可以分為系統(tǒng)級和飛機級兩個級別進行。

2.1 系統(tǒng)級發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別

系統(tǒng)級轉(zhuǎn)子爆破危害識別首先應(yīng)確定系統(tǒng)中可能被轉(zhuǎn)子碎片擊中的設(shè)備及其擊中的角度范圍。各系統(tǒng)使用發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破碎片掃掠路徑模型對布置于轉(zhuǎn)子爆破影響區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進行逐個檢查，確定設(shè)備被碎片撞擊的進入角和退出角[2]。當(dāng)確定系統(tǒng)各設(shè)備的平動風(fēng)險角后，根據(jù)系統(tǒng)SFHA(功能危險性分析)和SFTA(系統(tǒng)故障樹分析)等分析該設(shè)備損壞后對系統(tǒng)的影響。

2.2 飛機級發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別

當(dāng)系統(tǒng)級發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別完成后，綜合各系統(tǒng)發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破可能造成的失效狀態(tài)從而分析這些系統(tǒng)級失效狀態(tài)最終對飛機造成的影響。對于某些系統(tǒng)狀態(tài)來說，其轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險角范圍可能存在重合。這表明轉(zhuǎn)子爆破可能同時導(dǎo)致這些系統(tǒng)失效狀態(tài)發(fā)生，應(yīng)根據(jù)飛機級FHA和FTA分析這些組合失效對飛機的影響。例如：在單獨系統(tǒng)級失效狀態(tài)分析時，喪失兩套液壓源是II類失效(即危險級失效)，單側(cè)發(fā)動機喪失推力是III類失效(即較大失效狀態(tài))。由于二者發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險角有重合，其同時發(fā)生時會導(dǎo)致整機單發(fā)失效且喪失方向舵偏航控制，該飛機級失效狀態(tài)為I類(即災(zāi)難級)。

對于發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性分析得出的災(zāi)難性失效狀態(tài)應(yīng)按照轉(zhuǎn)子爆破咨詢通告20-128A所建議的方法計算剩余風(fēng)險。如果計算的風(fēng)險水平超出可接受的風(fēng)險值，則應(yīng)對相應(yīng)系統(tǒng)進行設(shè)計修改或者增加保護措施，直到風(fēng)險水平符合要求。

3 結(jié)語

本文結(jié)合民機研制的一般過程介紹了發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計與分析在民機概念設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、制造安裝以及試飛運營等各個階段的主要工作內(nèi)容，說明了發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計需求到系統(tǒng)設(shè)計的傳遞過程。并重點闡述了發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害識別方法，對提高民機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計水平和適航符合能力有借鑒意義。

[1]王勤超.減小飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破危害的設(shè)計方法初探[J].科技信息,2013:390-392.

[2]修忠信等.民用飛機系統(tǒng)安全性設(shè)計[M].上海:交通大學(xué)出版社,2013.