民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與分析方法

梁磊

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 200120)

民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與分析方法

梁磊

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 200120)

本文結(jié)合民機(jī)研制的一般過(guò)程介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與分析流程,并重點(diǎn)闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別方法,以幫助提高民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計(jì)水平和適航取證能力。

民機(jī) 轉(zhuǎn)子爆破 安全性 剩余風(fēng)險(xiǎn)

民機(jī)轉(zhuǎn)子爆破是由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)身、系統(tǒng)設(shè)備以及飛機(jī)上其他的發(fā)動(dòng)機(jī)等，對(duì)飛行安全造成極大風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計(jì)與分析應(yīng)在整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行開(kāi)展，以確保飛機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮了轉(zhuǎn)子爆破防護(hù)。

1 轉(zhuǎn)子爆破分析流程

飛機(jī)的設(shè)計(jì)一般要經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，制造安裝以及試飛運(yùn)營(yíng)幾個(gè)階段。以下從各個(gè)階段介紹民機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中所要開(kāi)展的轉(zhuǎn)子爆破分析工作。圖1為民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計(jì)與分析在各個(gè)設(shè)計(jì)階段的流程。

1.1 概念設(shè)計(jì)階段

在概念設(shè)計(jì)階段，主要是確定分析目標(biāo)并進(jìn)行初步設(shè)計(jì)考慮。由于在概念設(shè)計(jì)階段需要初步確定飛機(jī)的布局，對(duì)于防轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計(jì)考慮，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于關(guān)鍵系統(tǒng)和區(qū)域的位置，包括與其他發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，燃油箱的位置，增壓艙機(jī)翼主要結(jié)構(gòu)的位置等。

1.2 初步設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)階段，需要全面設(shè)計(jì)與布置各種機(jī)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(jì)考慮。這些設(shè)計(jì)考慮應(yīng)形成可操作的設(shè)計(jì)需求以傳遞到各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中。此外，隨著飛機(jī)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)功能危險(xiǎn)性分析(FHA)及故障樹(shù)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(dú)立性可能受到轉(zhuǎn)子爆破的破壞。因此FHA和FTA功能獨(dú)立性要求也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子爆破產(chǎn)生設(shè)計(jì)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(jì)。當(dāng)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破碎片模型。根據(jù)碎片模型和設(shè)計(jì)需求，各系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就可采取合理的預(yù)防措施來(lái)盡量降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破產(chǎn)生的危害。

1.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，隨著各系統(tǒng)設(shè)計(jì)深入，需對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行完善。同時(shí)防轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計(jì)措施也需要不斷進(jìn)行迭代反復(fù)以確定最終的最佳方案。雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)的。因此在此階段需要對(duì)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，即識(shí)別還可能存在的危害，并計(jì)算剩余風(fēng)險(xiǎn)的大小以確定風(fēng)險(xiǎn)大小是否滿足要求。

1.4 制造安裝階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段確定各系統(tǒng)設(shè)備的最終設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)制造安裝防轉(zhuǎn)子爆破進(jìn)行驗(yàn)證，檢查系統(tǒng)是否按照設(shè)計(jì)措施進(jìn)行制造安裝，系統(tǒng)設(shè)備的隔離距離是否滿足設(shè)計(jì)需求等。

圖1 民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計(jì)與分析流程

2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，最后確定這樣的系統(tǒng)影響對(duì)整個(gè)飛機(jī)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(shí)別轉(zhuǎn)子爆破危害是難以完成的。因此轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別可以分為系統(tǒng)級(jí)和飛機(jī)級(jí)兩個(gè)級(jí)別進(jìn)行。

2.1 系統(tǒng)級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別

系統(tǒng)級(jí)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破碎片掃掠路徑模型對(duì)布置于轉(zhuǎn)子爆破影響區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行逐個(gè)檢查，確定設(shè)備被碎片撞擊的進(jìn)入角和退出角[2]。當(dāng)確定系統(tǒng)各設(shè)備的平動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)角后，根據(jù)系統(tǒng)SFHA(功能危險(xiǎn)性分析)和SFTA(系統(tǒng)故障樹(shù)分析)等分析該設(shè)備損壞后對(duì)系統(tǒng)的影響。

2.2 飛機(jī)級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別

當(dāng)系統(tǒng)級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別完成后，綜合各系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)失效狀態(tài)最終對(duì)飛機(jī)造成的影響。對(duì)于某些系統(tǒng)狀態(tài)來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)角范圍可能存在重合。這表明轉(zhuǎn)子爆破可能同時(shí)導(dǎo)致這些系統(tǒng)失效狀態(tài)發(fā)生，應(yīng)根據(jù)飛機(jī)級(jí)FHA和FTA分析這些組合失效對(duì)飛機(jī)的影響。例如：在單獨(dú)系統(tǒng)級(jí)失效狀態(tài)分析時(shí)，喪失兩套液壓源是II類失效(即危險(xiǎn)級(jí)失效)，單側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)喪失推力是III類失效(即較大失效狀態(tài))。由于二者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)角有重合，其同時(shí)發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)單發(fā)失效且喪失方向舵偏航控制，該飛機(jī)級(jí)失效狀態(tài)為I類(即災(zāi)難級(jí))。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算剩余風(fēng)險(xiǎn)。如果計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)水平超出可接受的風(fēng)險(xiǎn)值，則應(yīng)對(duì)相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)修改或者增加保護(hù)措施，直到風(fēng)險(xiǎn)水平符合要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合民機(jī)研制的一般過(guò)程介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)與分析在民機(jī)概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造安裝以及試飛運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段的主要工作內(nèi)容，說(shuō)明了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破設(shè)計(jì)需求到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳遞過(guò)程。并重點(diǎn)闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害識(shí)別方法，對(duì)提高民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破安全性設(shè)計(jì)水平和適航符合能力有借鑒意義。

[1]王勤超.減小飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破危害的設(shè)計(jì)方法初探[J].科技信息,2013:390-392.

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