馮蘊雯, 郝恒, 薛小鋒, 魏宇宏

(1.西北工業(yè)大學 航空學院, 陜西 西安 710072; 2.中航飛機 西安飛機分公司, 陜西 西安 710089)

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飛機阻力傘意外打開可靠性分析

馮蘊雯1, 郝恒1, 薛小鋒1, 魏宇宏2

(1.西北工業(yè)大學 航空學院, 陜西 西安 710072; 2.中航飛機 西安飛機分公司, 陜西 西安 710089)

阻力傘通常都設計成傘艙門打開阻力傘自動放出,針對飛機阻力傘艙門意外打開故障,以阻力傘機構工作原理為基礎,分析得到導致該故障模式的故障原因分別為動力源失效、使用中安全鎖定深度不夠、彈性元件共振和構件強度剛度不足等,構建了阻力傘意外打開故障樹,提出了相應的可靠性分析模型。對某型飛機阻力傘意外打開故障開展了可靠性分析,提出了改進建議與改進方向，為飛機阻力傘機構設計提供有益參考。

阻力傘;意外打開;故障樹;可靠性分析

阻力傘作為高速飛機安全著陸的重要結構功能件,意外開傘或不能開傘均是其重要故障,特別是意外開傘更可能引起重大飛行事故。飛機完成訓練和作戰(zhàn)任務后返場著陸,打開阻力傘,能立即產生很大的減速力,輔助機輪剎車,使飛機減速,縮短飛機著陸滑跑距離[1]。若飛機在起飛滑跑、正常飛行過程中阻力傘艙門意外打開導致開傘,飛機阻力會突然增大從而導致飛機失去控制,嚴重威脅飛行安全[2]。

目前針對阻力傘機構的研究主要集中在實現機構功能和確定機構形式的阻力傘機構設計方面,如文獻[3]對阻力傘設計要求、機構組成及工作原理進行了詳細闡述,文獻[2,4-6]根據阻力傘使用反饋及故障分析,對阻力傘機構進行改進設計,僅有文獻[1]對阻力傘可靠性評定時需要考慮的零部件可靠性、操作可靠性和多次使用可靠性的問題做了簡單討論。也有一些學者對衛(wèi)星、飛船降落傘系統進行了可靠性指標分配及可靠性評估方法研究,文獻[7]對自動打開式降落傘進行可靠性設計時按照“比例分配法”對可靠性指標進行分配;文獻[8-10]對降落傘系統可靠性評估方法進行了研究,給出了多種形式的降落傘系統可靠性評估方法,文獻[11]在分析飛船降落傘系統自身特點和冷貯備模型局限性的基礎上,采用事件樹方法,建立了更為精確的飛船降落傘系統的可靠性模型。目前尚未見到通過故障原因及故障機理對阻力傘或者降落傘進行可靠性分析的相關報道,鑒于飛機阻力傘意外打開會嚴重威脅飛行安全的事實,有必要探討飛機阻力傘艙門意外打開的故障原因,進而為高可靠的阻力傘機構設計提供理論參考。

1 阻力傘機構放傘工作原理

阻力傘安裝在機身尾部,打開機構工作原理如圖1所示。

在飛機著陸時,駕駛員操縱放傘按鈕,阻力傘機構的放傘爆燃管爆炸,推動頂桿將鎖定拉桿從拉桿槽中頂出,阻力傘艙門打開,阻力傘靠自重從傘艙掉下打開。

彈簧的作用是在艙門鎖定狀態(tài)給拉桿提供鎖定力,使拉桿保持在鎖定位置;標志桿的作用是在艙門關閉鎖定狀態(tài)下從外部目視艙門是否鎖定到位;定位銷在艙門打開關閉時起到限制拉桿位置的作用;卡環(huán)打有通孔,拉桿從通孔中穿過,卡環(huán)的作用是約束拉桿運動軌跡,使拉桿只能沿直線往復運動。

2 阻力傘艙門意外打開故障原因分析

結合阻力傘放出機構的機構組成和工作原理,分析得到阻力傘艙門意外打開的故障原因,將故障原因按照失效模式不同分為以下4類:

1) 動力源失效

阻力傘放出機構的動力源為爆燃管,動力源失效指爆燃管在起飛滑跑或空中飛行過程中意外啟動,推動頂桿將鎖定拉桿從拉桿槽中頂出,導致阻力傘艙門意外打開。

2) 使用中安全鎖定深度不夠

飛機正常飛行過程中,向前的航向過載會使拉桿向后運動,導致拉桿鎖定深度減小;飛機在飛行過程中會受到發(fā)動機和氣流動壓帶來的隨機振動,拉桿在隨機振動環(huán)境下會在拉桿鎖定方向產生往復位移,導致拉桿鎖定深度減小;放出機構尺寸公差也會影響拉桿鎖定的實際深度。

在實際使用過程中,過載、隨機振動、尺寸公差3個因素之間相互耦合,共同導致拉桿鎖定深度減小。當鎖定深度減小到小于安全鎖定深度時,阻力傘艙門鎖定處于不安全狀態(tài),艙門極易意外打開。

3) 彈性元件共振

當拉桿與彈簧組成的彈簧質量系統的固有頻率與阻力傘艙受到的外激勵頻率一致時會產生共振,共振增大了阻力傘艙門意外打開的可能。阻力傘艙受到的外激勵有阻力傘艙附近振源和傘艙所在位置機體的振動。

4) 構件強度剛度不夠

構件強度剛度不夠包括彈簧疲勞破壞、拉桿失穩(wěn)、定位銷屈服及拉桿沖擊失效,這些失效模式都會導致拉桿鎖定失效,阻力傘艙門意外打開。

將上述阻力傘艙門意外打開故障原因匯總如表1所示。

表1 阻力傘艙門意外打開故障原因

3 阻力傘艙門意外打開可靠性建模

3.1 阻力傘艙門意外打開故障樹構建

考慮阻力傘意外打開故障模式作為故障樹的頂事件,根據上文分析的失效原因及各失效因素之間的邏輯關系,得到了阻力傘艙門意外打開故障樹如圖2所示。

圖2 阻力傘艙門意外打開故障樹

該故障樹共有8個底事件,各底事件之間可認為是相互獨立的。

3.2 阻力傘艙門意外打開多模式可靠性分析模型

運用最小割集分析方法,由阻力傘艙門意外打開故障樹可以得到該故障樹的全部最小割集:

各最小割集發(fā)生概率分別為P(K1)、P(K2)、……、P(K8),頂事件發(fā)生的概率為PT1,為各最小割集發(fā)生概率之和。

則頂事件阻力傘艙門意外打開的發(fā)生概率

3.3 阻力傘艙門意外打開故障樹底事件可靠性建模

在所有底事件中,爆燃管作為成品件,其故障率PX1可以由供應商提供,但其他由設計部門所研制的拉桿機構、彈簧、定位銷等部件的失效概率需通過合理的可靠性建模并求解得到。具體模型參數(均值、方差、分布形式)可依據阻力傘機構設計方案、規(guī)范或前期工作積累的數據來確定。

該阻力傘艙門意外打開故障樹各底事件可靠性模型及功能函數構建如表2所示。

表2 阻力傘艙門意外打開故障樹底事件可靠性模型

4 飛機阻力傘艙門意外打開可靠性分析

以某型飛機阻力傘艙門系統為例,開展相應的可靠性分析。該阻力傘機構故障樹如前述圖2所示,構建的各底事件可靠性分析模型見表2。

這里以拉桿鎖定失效可靠性分析為例給出具體的計算分析過程,限于篇幅,其他底事件可靠性模型求解過程可參考相關可靠性計算方法,這里不再贅述。

拉桿鎖定失效的功能函數為δ=H-δmax-S-δS,公式中各尺寸變量符號含義見表2,功能函數中各隨機變量的確定如下。

1) 含公差的拉桿鎖定深度H

拉桿鎖定深度H可以通過拉桿機構的定位關系和尺寸傳遞關系計算得到,拉桿鎖定示意圖如圖3所示。

圖3 拉桿鎖定示意圖

當拉桿兩端有一端從拉桿槽中脫出時即認為拉桿鎖定失效,經計算,拉桿右端鎖定深度較小,拉桿鎖定深度取右端鎖定深度,即

H=L3+L2+X-L=12mm

2) 過載導致的彈簧變形增量δmax

設計采用的拉桿彈簧剛度k=3.29 N/mm,拉桿質量m=0.63 kg,彈簧原長L=75 mm,阻力傘艙門鎖定時彈簧長度L1=57 mm,飛機正航向最大過載為1.5 g,所以艙門鎖定時彈簧力F=k(L-L1)=59.22 N,飛機最大過載時彈簧受到向后的慣性力F慣=ma=9.45 N,小于鎖定時彈簧支持力59.22 N,所以δmax=0。

3) 隨機振動下拉桿的位移響應S

阻力傘艙受到的隨機振動是均值為0的平穩(wěn)隨機過程,因而拉桿的隨機振動位移響應均值為0[12]。

阻力傘艙受到的加速度功率譜密度值為0.05 g2/Hz,頻率范圍為15～2 000 Hz。通過振動有限元軟件分析[13],可得到拉桿在隨機振動下的位移標準差σS=0.92 mm。

4) 最小安全鎖定深度δs

取名義鎖定深度的30%,即δS=0.3，H=3.6 mm,σδS=0.03 mm。

依據實際情況,與拉桿鎖定失效有關的各隨機變量均可視作正態(tài)分布,在確定了功能函數中各隨機變量的均值和標準差后,依據可靠性一次二階矩法求解可獲得拉桿鎖定失效的可靠性系數[14]

拉桿鎖定失效的概率

阻力傘艙門意外打開故障樹下的其他6個底事件的失效概率分析結果如表3所示。

表3 阻力傘艙意外打開各底事件失效概率

阻力傘艙門意外打開頂事件的發(fā)生概率為

考慮飛機阻力傘艙門意外打開會導致嚴重的事故等級,通常要求其發(fā)生事故的概率小于10-5/飛行小時,本例中阻力傘艙門意外打開的概率為6.51×10-3,不滿足可靠性指標要求,需要對失效概率較大的爆燃管意外啟動、定位銷失效2個底事件進行改進。

具體改進建議如下:

1) 針對爆燃管意外啟動概率較大,建議更換意外啟動概率更低的爆燃管。

2) 針對定位銷失效概率較大,可以選用屈服強度更大的定位銷材料,如38Cr2Mo2VA(1 470 MPa),重新計算后定位銷失效概率為4.63×10-17;或者增大定位銷直徑,考慮定位銷為標準件,選取定位銷直徑為8 mm(原設計為6 mm),重新計算后定位銷失效概率為2.39×10-19,滿足可靠性指標要求。

5 結 論

1) 本文以飛機阻力傘機構為研究對象,結合機構可靠性分析方法,針對阻力傘艙門意外打開故障模式,建立了一種飛機阻力傘機構可靠性分析方法,該方法可為飛機阻力傘機構設計提供有益參考;

2) 以阻力傘機構工作原理為基礎,分析得到導致該故障模式的故障原因分別為動力源失效、使用中安全鎖定深度不夠、彈性元件共振和構件強度剛度不足等,構建了阻力傘意外打開故障樹,提出了相應的可靠性分析模型及求解方法;

3) 以某型機阻力傘機構為例進行具體可靠性計算,得到不滿足可靠性要求的底事件有2個,即爆燃管意外啟動和定位銷失效;并提出了具體的改進建議與方案。

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Airplane Drag Chute Accidental Open Reliability Analysis

Feng Yunwen1, Hao Heng1, Xue Xiaofeng1, Wei Yuhong2

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.AVIC Aircraft Xi′an Aircraft Branch,Xi′an 710089,China

Airplane drag chute opens automatically when the door opens. Based on working principle, failure causes of the accidental open of an airplane drag chute include failure of power source, lack of safe lock depth, resonance of elastic element, and lack of strength and stiffness. Then the article builds the fault tree and raises relevant reliability analysis model. Citing airplane drag chute system of a certain plane as an example, we do the accidental open reliability analysis and raise improving suggestions. The work can provide reference on the mechanism design for airplane drag chute system.

drag chute; accidental open; fault tree; reliability analysis

2016-04-12

國家自然科學基金(10577015)與民用飛機專項科研技術研究項目(MJZ-2014-F-06)資助

馮蘊雯(1968—),女,西北工業(yè)大學教授、博士生導師,主要從事飛行器結構機構可靠性設計與分析研究。

V226

A

1000-2758(2016)05-0761-06