楊曉軍 陳羽 吳幸星

摘要：研究限時(shí)降級(jí)放行分析對(duì)商用飛機(jī)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的安全性分析具有重要作用，可為適航當(dāng)局提供適度超前的技術(shù)支持。本文建立了LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)模型，通過(guò)蒙特卡洛方法進(jìn)行限時(shí)降級(jí)放行分析，分析不同維修策略、控制規(guī)律、電子控制系統(tǒng)成熟度。結(jié)果表明：嚴(yán)格維修策略可以縮短系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的時(shí)間，降低系統(tǒng)平均LOTC率，進(jìn)而提高放行間隔時(shí)間；控制規(guī)律會(huì)影響系統(tǒng)構(gòu)型，不同系統(tǒng)構(gòu)型具有不同冗余單元，可通過(guò)降低串聯(lián)單元提高系統(tǒng)可靠性；電子控制系統(tǒng)的成熟度高，長(zhǎng)時(shí)放行間隔長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性高。

關(guān)鍵詞：限時(shí)降級(jí)放行；蒙特卡羅方法；長(zhǎng)時(shí)放行間隔；影響因素

Keywords：limited time dispatch；Monte Carlo method；long-term release interval；influencing factors

0 引言

全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械液壓式控制方式相比具有發(fā)電機(jī)性能高、燃油消耗低、維修成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。FADEC系統(tǒng)的關(guān)鍵回路和重要功能通過(guò)增加冗余部件提高系統(tǒng)可靠性和可放行性[2，3]。在冗余部件存在故障時(shí)，系統(tǒng)可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間[4]，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局頒布了規(guī)范性文件用于分析限時(shí)降級(jí)放行（TLD）[5]。目前TLD分析方法主要有三種，分別為時(shí)間加權(quán)平均法（TWA）、馬爾可夫模型法（MM）以及蒙特卡羅（MC）仿真方法。時(shí)間加權(quán)平均法為計(jì)算失效故障率之和，計(jì)算精度低；馬爾可夫模型法在多故障情況下存在難于求解的問(wèn)題；基于大數(shù)定律的蒙特卡羅仿真方法是分析多故障的主要方法[6，7]。

目前，國(guó)內(nèi)外通過(guò)蒙特卡羅仿真方法解決FADEC系統(tǒng)的多故障問(wèn)題[8，9]，但仍然存在兩方面的不足：多數(shù)研究模型僅建立簡(jiǎn)單可靠性模型，并沒(méi)有針對(duì)實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)模型進(jìn)行研究；針對(duì)限時(shí)降級(jí)放行影響因素研究較少。為此，本文建立了LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)FADEC系統(tǒng)，采用蒙特卡羅方法進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)維修策略、控制規(guī)律和電子控制系統(tǒng)成熟度討論影響放行間隔時(shí)長(zhǎng)因素，從而解決實(shí)際多故障下FADEC系統(tǒng)的TLD分析問(wèn)題，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足。

1 維修策略分析

基于最小設(shè)備清單（MEL）的多故障維修策略和基于定期檢查報(bào)告（PIR）的多故障維修策略主要分析4種維修策略。為便于說(shuō)明，將A、B、C故障單獨(dú)存在時(shí)設(shè)為長(zhǎng)時(shí)放行級(jí)別；AB故障同時(shí)出現(xiàn)設(shè)為短時(shí)放行級(jí)別；ABC故障同時(shí)發(fā)生設(shè)為禁止放行級(jí)別，故維修期限分別為t3、t2和t1。

1）基于MEL維修策略

維修策略1：根據(jù)故障期限，依次修復(fù)最高級(jí)別的故障。如圖1所示，在該維修策略下t1時(shí)刻修復(fù)故障C，t2時(shí)刻修復(fù)故障B，t3時(shí)刻修復(fù)故障A。

維修策略2：無(wú)論之前出現(xiàn)何種故障，首次到達(dá)故障維修期限時(shí)立即修復(fù)系統(tǒng)存在的所有故障。如圖1所示，首先到達(dá)t1，則修復(fù)A、B、C所有故障。

2）基于MEL和PIR的維修策略

維修策略3：隨時(shí)監(jiān)控ST故障，對(duì)于LT故障，在維修間隔時(shí)間內(nèi)檢查，而對(duì)應(yīng)故障期限僅修復(fù)對(duì)應(yīng)故障。如圖2所示，假設(shè)檢查時(shí)間間隔為tLT1-tLT2，LT故障發(fā)生時(shí)間為檢查時(shí)間間隔中點(diǎn)tA，維修截止時(shí)間設(shè)為t2。

當(dāng)tLT2≤tB≤t2時(shí)，即在定時(shí)檢查間隔結(jié)束前檢測(cè)到故障A，在維修間隔結(jié)束前發(fā)生故障B。當(dāng)AB組合故障為禁止放行，則需要在t1時(shí)刻之前維修，否則在t2時(shí)刻維修故障A，在t3時(shí)刻維修故障B。

當(dāng)tB≤tLT2時(shí)，即監(jiān)測(cè)到故障B，并且在定時(shí)檢查間隔檢測(cè)到故障A。當(dāng)AB組合故障為禁止放行，則在t1（t1=tLT2）時(shí)刻維修故障A和故障B，否則在t2時(shí)刻維修故障A，在t3時(shí)刻維修故障B。

3）基于PIR的維修策略

維修策略4：LT故障和ST故障對(duì)應(yīng)的維修檢查間隔分別為tLT1-tLT2和tST1-tST2，維修截止時(shí)期分別為t2和t1，對(duì)于禁止放行構(gòu)型，在所有檢查時(shí)間點(diǎn)都進(jìn)行檢查。如圖3所示，假設(shè)AB組合故障為禁止放行構(gòu)型，則在tST2時(shí)刻修復(fù)所有故障，否則在t1時(shí)刻維修故障B，在t2時(shí)刻維修故障A。

2 針對(duì)實(shí)際FADEC系統(tǒng)進(jìn)行建模及TLD分析

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)與CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有更低燃油消耗率、更低碳氮排放量、低噪聲、高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的FADEC系統(tǒng)進(jìn)行TLD分析。FADEC系統(tǒng)的工作任務(wù)是通過(guò)飛機(jī)傳來(lái)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，并將發(fā)動(dòng)機(jī)信息傳遞給飛機(jī)用于狀態(tài)監(jiān)控和維修維護(hù)[10]。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)部件包括電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（EEC A和EEC B）、壓力子系統(tǒng)（PSS）、DMS、燃油計(jì)量裝置（FMU）、分離控制單元/伺服閥組件（SCU）、PMA、若干發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、可調(diào)靜子葉片作動(dòng)機(jī)構(gòu)（VSV）、可變引氣閥門(mén)作動(dòng)機(jī)構(gòu)（VBV）、過(guò)渡態(tài)放氣閥門(mén)作動(dòng)機(jī)構(gòu)、可調(diào)渦輪冷卻控制閥門(mén)、啟動(dòng)引氣控制閥門(mén)、高壓間隙控制作動(dòng)機(jī)構(gòu)（HPTACC）、低壓間隙控制作動(dòng)機(jī)構(gòu)（LPTACC）、2個(gè)點(diǎn)火激勵(lì)器、短艙防冰控制系統(tǒng)、反推控制系統(tǒng)（T/R和TLA）、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、EEC冷卻控制系統(tǒng)等，如圖4所示。建立的FADEC系統(tǒng)可靠性模型如圖5所示。

3 影響TLD批準(zhǔn)因素

3.1 維修策略對(duì)TLD分析結(jié)果的影響

針對(duì)實(shí)際LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的FADEC系統(tǒng)，采用蒙特卡羅仿真方法分別對(duì)上述4種維修策略進(jìn)行建模仿真分析。如圖6所示，在滿足平均可靠性要求條件下，維修策略2帶故障運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)放行間隔更長(zhǎng)，說(shuō)明該維修策略可靠性更高，系統(tǒng)LOTC率更低。同時(shí)，在實(shí)際的FADEC系統(tǒng)所有故障中，長(zhǎng)時(shí)故障比短時(shí)故障所占比重更高。因此，實(shí)際FADEC系統(tǒng)的LOTC率增漲幅值隨著長(zhǎng)時(shí)放行間隔延長(zhǎng)而增加。

3.2 控制規(guī)律對(duì)TLD分析結(jié)果的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律也稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律，主要指被調(diào)參數(shù)隨著油門(mén)桿位置變化和外部干擾因素而產(chǎn)生相應(yīng)變化的規(guī)律[11]?？刂埔?guī)律的研究影響到FADEC系統(tǒng)的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性能和安全性能等[12]。

1）地面慢車(chē)狀態(tài)

3）TLD分析結(jié)果對(duì)比

如圖8所示，在維修策略2下，基礎(chǔ)構(gòu)型的FADEC系統(tǒng)平均故障率大于地面慢車(chē)構(gòu)型，也大于空中巡航構(gòu)型。其中滿足系統(tǒng)平均可靠性要求的最大LTD間隔分別為1175.65FH、1181.95FH和1187.91FH。同一維修策略下不同控制規(guī)律構(gòu)型的LOTC率不同，這是因?yàn)椴煌刂埔?guī)律的系統(tǒng)構(gòu)型存在差異，地面慢車(chē)狀態(tài)系統(tǒng)構(gòu)型比基礎(chǔ)構(gòu)型少了N1單元，空中巡航狀態(tài)系統(tǒng)構(gòu)型比基礎(chǔ)構(gòu)型少了推力位置信號(hào)單元，因此，降低串聯(lián)單元可以提高系統(tǒng)可靠性，提高長(zhǎng)時(shí)放行間隔。

3.3 電子控制系統(tǒng)成熟度對(duì)TLD分析結(jié)果的影響

局方批準(zhǔn)的入門(mén)級(jí)系統(tǒng)的最大短時(shí)降級(jí)放行間隔為125h，最大長(zhǎng)時(shí)降級(jí)放行間隔為250h，而成熟級(jí)系統(tǒng)的最大降級(jí)放行時(shí)間要根據(jù)系統(tǒng)、分析和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)而定，因此以短時(shí)放行間隔125h和250h作為對(duì)比進(jìn)行討論。如圖9所示，在滿足平均可靠性要求下，長(zhǎng)時(shí)放行間隔分別為920.4h和1187.9h，可見(jiàn)對(duì)于成熟級(jí)越高的系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)放行間隔越長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性越高。

4 結(jié)論

本文針對(duì)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的FADEC系統(tǒng)建立了模型單元數(shù)達(dá)110個(gè)的可靠性模型，總結(jié)了4種復(fù)雜維修策略，由于不同維修策略對(duì)多故障狀態(tài)的處理方式不同，對(duì)系統(tǒng)帶故障運(yùn)行時(shí)間有較大影響，較為嚴(yán)格的維修策略系統(tǒng)帶故障運(yùn)行的時(shí)間更短，系統(tǒng)平均LOTC率更小，相應(yīng)的放行間隔時(shí)間可以增長(zhǎng)；分析了控制規(guī)律對(duì)TLD分析結(jié)果的影響，由于控制規(guī)律會(huì)影響系統(tǒng)構(gòu)型，不同系統(tǒng)構(gòu)型具有不同冗余單元，降低串聯(lián)單元和增添冗余單元都是提高系統(tǒng)可靠性的方法；分析了電子控制系統(tǒng)的成熟程度的影響，系統(tǒng)越成熟，長(zhǎng)時(shí)放行間隔越長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性越高。FADEC系統(tǒng)的可靠性越高，進(jìn)而可以在滿足適航規(guī)定的可靠性要求下進(jìn)一步提高長(zhǎng)時(shí)故障降級(jí)放行間隔。

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作者簡(jiǎn)介

楊曉軍，教授，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航與維修。

陳羽，碩士研究生，研究方向：航空器持續(xù)適航與維修。

吳幸星，碩士，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)適航審定。