謝 劍，徐向榮

(中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

現(xiàn)代民用飛機的設(shè)計特別重視安全性，飛機的安全運營成為飛機設(shè)計的首要考慮因素。各國適航監(jiān)管部門將飛機的安全作為飛機設(shè)計的最低要求，所有能夠運營的民用飛機均應(yīng)取得由適航部門頒發(fā)的各種適航資格證。民用飛機主制造商必須將安全性分析的理念貫穿飛機設(shè)計的全生命周期，F(xiàn)AR25.1309、CCAR25.1309等明確規(guī)定，飛機系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計，發(fā)生任何妨礙飛機繼續(xù)安全飛行與著陸失效狀態(tài)的概率必須為極不可能，發(fā)生任何降低飛機能力或機組處理不利運行條件能力的其他失效狀態(tài)的概率為不可能[1-3]。

對于飛機各個復(fù)雜機載系統(tǒng)的設(shè)計，基于安全性評估的設(shè)計已經(jīng)成為一種通用并強制的方法，ARP4761提供了一套詳細(xì)的機載系統(tǒng)安全性評估流程[4-5]。如何按照ARP4761的規(guī)定，將安全性分析與評估貫穿至設(shè)計并改進(jìn)設(shè)計成為民用飛機機載系統(tǒng)設(shè)計的一個難題。本文以民用飛機襟翼系統(tǒng)傾斜構(gòu)架設(shè)計為例，探討了一套基于安全性分析的民用飛機襟翼系統(tǒng)傾斜方案設(shè)計方法。

1 民用飛機襟翼傾斜的條款要求和安全性影響

1.1 民用飛機襟翼傾斜的條款要求

相關(guān)適用性條款主要包括兩條：

第一條，F(xiàn)AA,EASA,CCAR 25.571(a)。主要針對襟翼結(jié)構(gòu)及舵面，要求飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)該：“An evaluation of the strength must show that catastrophic failure due to fatigue, corrosion, or accidental damage, will be avoided throughout the operational life of the aeroplane.”相關(guān)咨詢通告中申明，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用破損-安全的方法表明符合性。

第二條，F(xiàn)AA,EASA,CCAR25.1309(b)。主要針對飛機機載系統(tǒng)和設(shè)備，要求系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)該：“The aeroplane systems and associated components, must be designed so that(1)any catastrophic failure condition(i)is extremely improbable; and(ii)does not result from a single failure.”相關(guān)咨詢通告中申明，可在系統(tǒng)設(shè)計中采用失效-安全的設(shè)計方法表明符合性，但同時需要證明任何單點故障都不能造成系統(tǒng)/設(shè)備的災(zāi)難性失效狀態(tài)。

1.2 民用飛機襟翼傾斜對飛機的安全性影響

以下兩種失效情況可能導(dǎo)致襟翼舵面傾斜。

1)襟翼驅(qū)動站位卡阻。

襟翼驅(qū)動站位卡阻可能出現(xiàn)在作動器等部件上，也可能出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)等部件上。其中一個驅(qū)動站位出現(xiàn)卡阻，另一個驅(qū)動站位受到襟翼系統(tǒng)繼續(xù)驅(qū)動，導(dǎo)致翼面發(fā)生傾斜。在此狀態(tài)下，翼面為一個柔性剛體，傳遞傳動鏈系載荷，其變形量取決于前置作動器的驅(qū)動力、氣動力和后續(xù)傳動鏈系所傳遞的載荷，受力分析較為復(fù)雜，翼面可能遭到破壞。

當(dāng)翼面放下時，扭矩限制器可能被觸發(fā)。翼面收起時，由于氣動力減小了站位的驅(qū)動力，扭矩限制器一般不觸發(fā)。該類由于卡阻導(dǎo)致的翼面傾斜可能破壞翼面，必須通過一定的設(shè)計手段及時探測鎖定。襟翼驅(qū)動站位卡阻導(dǎo)致傾斜的模型如圖1所示。

圖1 襟翼驅(qū)動站位卡阻導(dǎo)致傾斜的模型

2)傳動鏈系脫開空轉(zhuǎn)。

襟翼系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動部件脫開，或者驅(qū)動結(jié)構(gòu)件與翼面脫開，導(dǎo)致翼面懸浮，傳動鏈系空轉(zhuǎn)。當(dāng)襟翼作動器與襟翼翼面脫開時，翼面受到襟翼作動器驅(qū)動力和氣動力載荷的作用發(fā)生傾斜，翼面剛度決定了傾斜量的大小，此類傾斜影響飛機起降階段的升力控制，部分場景下還影響飛機操縱性能和操穩(wěn)品質(zhì)。傳動鏈系脫開導(dǎo)致的傾斜模型如圖2所示。

圖2 傳動鏈系脫開導(dǎo)致的傾斜模型

2 民用飛機襟翼傾斜探測方案確定流程

民用飛機襟翼傾斜方案的確定需要經(jīng)過一個極其復(fù)雜的評估過程，為方便論述，本文給出了一套以安全性分析為基礎(chǔ)的襟翼傾斜方案確定流程圖，如圖3所示。

圖3 襟翼傾斜探測方案確定流程

1)系統(tǒng)功能危害性評估。

基于系統(tǒng)功能定義與分析，對系統(tǒng)功能進(jìn)行功能危害性評估，襟翼傾斜影響了飛機的增升功能。一方面，傾斜量過大，可能造成飛機起飛著陸時的升力不夠，或者滾轉(zhuǎn)力矩過大不易操作飛機。另一方面，襟翼傾斜將會造成襟翼舵面發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，可能造成襟翼舵面結(jié)構(gòu)的損壞。通過對飛機和乘客、機組影響評估，給出襟翼傾斜未被探測或者鎖止的失效狀態(tài)(FC)等級。

功能危害性評估的輸出為襟翼傾斜未被探測或者鎖止失效等級，也就是失效的概率。它將作為后續(xù)系統(tǒng)初步安全性評估的輸入。

2)系統(tǒng)初步安全性評估。

系統(tǒng)初步安全性評估最重要的任務(wù)是評估系統(tǒng)確定的傾斜構(gòu)架能否滿足1)中確定的襟翼傾斜未被探測或者鎖止的概率。通過對該失效狀態(tài)進(jìn)行故障樹分析，分配系統(tǒng)內(nèi)各個部件的失效概率指標(biāo)和接口系統(tǒng)的可用性完整性指標(biāo)。如果評估顯示襟翼傾斜構(gòu)架不能滿足既定安全性要求，必須在早期對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，更改其設(shè)計邏輯甚至更改設(shè)計構(gòu)架，再次進(jìn)行初步安全性評估，如此往復(fù)迭代最終確定一個可以滿足系統(tǒng)安全性要求的襟翼傾斜構(gòu)架。

圖4給出了一個通過故障樹模型分析傾斜構(gòu)架是否滿足失效狀態(tài)要求的簡化模型圖。

圖4 簡化故障樹分析模型

3)襟翼傾斜方案權(quán)衡確定。

如果構(gòu)架滿足安全性要求，按照構(gòu)架要求，提出多項襟翼傾斜方案，并對若干襟翼傾斜方案進(jìn)行權(quán)衡，權(quán)衡時需要綜合考慮系統(tǒng)部件安裝空間、重量、單機成本等一系列因素。在經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡后，最終確定襟翼傾斜方案，確定各部件的安裝方式、探測方法以及報警閾值。

3 民機襟翼傾斜探測方案權(quán)衡

襟翼傾斜探測的基本原理為：襟翼翼面出現(xiàn)傾斜后，傾斜傳感器能夠及時探測到相應(yīng)的傾斜并反饋給計算機，計算機及時向飛行員發(fā)出失效警告并鎖止襟翼系統(tǒng)。根據(jù)襟翼傳感器布置的位置不同，目前在役民用飛機襟翼傾斜探測方案一般可以分成以下兩種情況。

第一種情況：襟翼傾斜傳感器安裝在兩塊襟翼之間，此類傳感器多采用長度變化探測傳感器，相應(yīng)的布置如圖5所示。

圖5 內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測方案

第二種情況：襟翼傾斜傳感器安裝在兩塊翼面的每個站位上，每個站位分別由一個傾斜傳感器探測其運動角度，并通過對幾個站位的傳感器角度進(jìn)行比較來判斷是否發(fā)生傾斜，此類傳感器多采用角度變化探測傳感器，相應(yīng)的布置如圖6所示。

圖6 各個站位傾斜傳感器探測方案

經(jīng)過對上述兩種構(gòu)架方案的初步安全性分析(參見第2節(jié)2)中的故障樹分析方法)，探測方案均能滿足頂層“襟翼傾斜未被探測或鎖止”的失效狀態(tài)等級要求。

1)內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測方案。

內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測方案的原理為：在內(nèi)外襟翼翼面之間各選擇一個安裝點，采用一個長度探測傳感器探測兩個安裝點在正常狀態(tài)和作動器脫開狀態(tài)下長度的變化，間接判斷襟翼是否發(fā)生傾斜。

采用該方案的難點在于如何避開內(nèi)外襟翼之間運動產(chǎn)生的剪刀差，精確設(shè)定傾斜閾值。由于幾個站位的襟翼驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)不一致，導(dǎo)致不同站位運動范圍不一致，從而使內(nèi)外襟翼驅(qū)動機構(gòu)運動不同步，進(jìn)而產(chǎn)生剪刀差，剪刀差的存在使得長度探測傳感器在襟翼正常收放過程中就存在長度的變化。

為了有效避免剪刀差對閾值設(shè)置的影響，計算機將襟翼運動全行程的傳感器長度儲存并補償正負(fù)閾值，傳感器的正負(fù)閾值在全行程中改變。

該方案有一系列優(yōu)點：使用單個傳感器探測，可以極大地降低傾斜探測部件的全機重量；方案相對簡單，提高了可靠性、派遣率和維修性；機翼后緣布置空間有限，有助于安裝協(xié)調(diào)等。但使用該方案也需攻克一系列技術(shù)難點：確定傳感器長度時必須盡可能多地覆蓋飛機各個構(gòu)型，理論上傳感器的運動長度需通過采集襟翼運動全過程中的位置計算得來，但由于設(shè)計初期飛機的計算數(shù)據(jù)有限或者計算仿真無法獲取所有位置值，傳感器的運動長度較難確定；由于計算仿真采取的保守載荷相比實際飛行載荷偏大，初期設(shè)定的傳感器長度變化值將比實際變化值大；傳感器變化的閾值區(qū)間范圍較小，基于設(shè)計初期理論分析很難確定正確的閾值來阻止誤報警的發(fā)生，傳感器閾值的選擇將是一個很大的風(fēng)險。

另外，襟翼翼面的剛度將很大程度上影響傳感器的長度選擇，隨著設(shè)計持續(xù)推進(jìn)，如果襟翼翼面剛度發(fā)生較大變化，將會導(dǎo)致這種方案無法有效探測襟翼傾斜。

2)襟翼各個站位傾斜傳感器探測方案。

該方案為在襟翼各個站位安裝角度探測傳感器，通過探測搖臂的轉(zhuǎn)動角度來判斷襟翼是否產(chǎn)生傾斜。正常工況下，內(nèi)外襟翼的兩個作動器角度一致；當(dāng)發(fā)生作動器脫開時，內(nèi)外襟翼的兩個作動器角度不一致，傳感器角度差別超過一定閾值，計算機便報警襟翼傾斜并鎖止襟翼作動系統(tǒng)。

該方案克服了襟翼翼間傳感器探測方案的很多技術(shù)難點：方案無需考慮內(nèi)外襟翼運動機構(gòu)剪刀差產(chǎn)生的影響；各個站位的作動器脫開都能很容易被探測到；極大地減小了傾斜探測閾值設(shè)置的風(fēng)險。該方案的缺點為：使用了大量傳感器，相比較于襟翼翼間傳感器探測方案，每架飛機多出很多傳感器，增加了飛機重量；每個站位都需布置傳感器，由于后緣站位處有限的布置空間，具有潛在的安裝協(xié)調(diào)風(fēng)險。

上述兩種襟翼傾斜探測方案各有優(yōu)劣，確定使用哪種方案需要綜合飛機的各項設(shè)計要求進(jìn)行權(quán)衡，并配合后續(xù)大量的地面試驗室試驗甚至試飛試驗來確定各種重要設(shè)計參數(shù)。

4 結(jié)束語

民用飛機襟翼傾斜探測的需求來源于適航條款CCAR 1309(b),襟翼傾斜被探測或鎖止極大地影響飛機的飛行安全?；诎踩苑治龅慕笠韮A斜評估是一種有效的表明CCAR 1309(b)符合性的方法，在確定襟翼傾斜構(gòu)架符合頂層安全性要求后，進(jìn)一步結(jié)合飛機的安裝空間、重量、成本和探測閾值進(jìn)行方案權(quán)衡，是民機襟翼傾斜探測設(shè)計的主要內(nèi)容，本文的論述對于后續(xù)國內(nèi)民機設(shè)計具有重要的參考意義。