航空裝備高原寒區(qū)保障資源配置研究

劉 釗，焦 毅（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

航空裝備高原寒區(qū)保障資源配置研究

劉 釗，焦 毅
（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

針對試飛階段航空裝備在高原寒區(qū)使用環(huán)境條件下發(fā)生的故障，對發(fā)生故障機理、失效模式進(jìn)行分析，通過對故障機理、故障模式的分析，總結(jié)分析高原寒區(qū)極限使用情況下易引起故障的原因；并分析典型高原寒區(qū)環(huán)境因素對航空裝備各分系統(tǒng)、設(shè)備影響程度，提出高原寒區(qū)適應(yīng)性改進(jìn)建議和措施，為裝備的保障資源配置提供指導(dǎo)性意見，有效地提高裝備在特殊使用環(huán)境下使用效能。

航空裝備；高原寒區(qū)環(huán)境；損壞模式分析；保障資源配置

引言

航空裝備在高原寒區(qū)極限使用環(huán)境條件下飛行，經(jīng)常出現(xiàn)電子設(shè)備單元失效故障[1]、液壓系統(tǒng)故障等諸多問題，航空裝備戰(zhàn)斗力的發(fā)揮受環(huán)境的影響越來越大。通過多場戰(zhàn)爭無不證明環(huán)境對裝備的影響，如日俄、越南戰(zhàn)爭等，通過分析發(fā)現(xiàn)：風(fēng)砂、低溫、高濕、高熱和高寒等環(huán)境，航空裝備受到嚴(yán)重腐蝕，伴隨砂石堵塞、長霉等，從而導(dǎo)致機械設(shè)備故障、彈藥失效等嚴(yán)重故障。航空裝備在研制、試驗階段若不重視極限使用環(huán)境，嚴(yán)重時均可直接影響戰(zhàn)爭的成敗。在特殊惡虐的使用環(huán)境下，故障失效數(shù)將大幅度提高。航空裝備可靠性與使用環(huán)境息息相關(guān)，因此研究航空裝備在高原寒區(qū)的故障機理，綜合分析航空裝備高原寒區(qū)保障資源的配置情況，根據(jù)維修體制和環(huán)境等因素科學(xué)的預(yù)測保障資源配置種類和需求量和數(shù)量，提高航空裝備在特殊環(huán)境下的出動架次率，對使用效能的發(fā)揮顯得十分重要。

1 高原寒區(qū)環(huán)境影響因素分析

高原寒區(qū)航空裝備不僅作戰(zhàn)任務(wù)艱巨，而且受到特殊環(huán)境影響，航空裝備的使用效能將受到巨大的影響。高原寒區(qū)特殊的地理環(huán)境，空氣稀薄，溫度較低，單位體積中氧氣含量大大低于平原低海拔地區(qū)，氣溫低，多風(fēng)沙，多雷暴，低溫期長，晝夜溫差大，紫外線照射強度高，這些種種的極限使用環(huán)境大大削減了航空裝備的發(fā)揮，戰(zhàn)爭狀態(tài)下嚴(yán)重影響軍用飛機的出勤率。研究資料表明[1]：高原環(huán)境下，大氣密度低并且稀薄，并且日照時間長、太陽輻射強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平原使用環(huán)境。高原寒區(qū)環(huán)境對航空裝備的影響如表1。

表1 高原寒區(qū)環(huán)境對航空裝備的影響

2 高原寒區(qū)航空裝備主要故障模式

2.1 低氣壓、低溫對機械系統(tǒng)影響

高原寒區(qū)環(huán)境條件下，氣壓低，空氣密度小，含氧量少，航空發(fā)動機啟動困難，過熱及輸出功率下降，嚴(yán)重影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性；易導(dǎo)致輪胎氣壓增高等故障模式，同時燃油的蒸發(fā)性、燃燒性和低溫流動性降低,使航空發(fā)動機的功率消耗較大，工作效率降低。

低溫條件下的使用環(huán)境可降低電機產(chǎn)生的溫度，但對電機的啟動影響巨大。在低溫環(huán)境下，航空裝備液壓系統(tǒng)中的液壓油、潤滑脂受低溫影響，粘度增大，在冷機啟動時潤滑油膜不能夠起到作用，引起靜態(tài)阻力增加，導(dǎo)致磨損加??；相關(guān)設(shè)備中的泵殼體回油堵塞，壓力升高，嚴(yán)重時導(dǎo)致機械系統(tǒng)損壞。

高寒環(huán)境下相應(yīng)材質(zhì)的產(chǎn)品會發(fā)生冷脆，如液壓材質(zhì)的軟管、橡膠材質(zhì)的密封件及金屬材料的產(chǎn)品在此種環(huán)境下易發(fā)生冷脆性斷裂，同時低溫環(huán)境加劇了機械件的磨損，使裝備的安全性能降低，給裝備的日常使用帶來困難，影響航空裝備使用效能的發(fā)揮。

2.2 低氣壓、低溫對電氣設(shè)備的影響

高原環(huán)境下，空氣氣壓低、空氣密度小，電子產(chǎn)品的空氣絕緣耐壓性能變?nèi)鮗2]，一般情況下，海拔在0～5 000 m范圍內(nèi)[2]，氣壓數(shù)值降低12 %（海拔每增高1 km），電暈電壓以及外絕緣強度的性能可降低8 %～13 %。環(huán)境氣壓值與空氣抗電強度的關(guān)系見表2。

高寒環(huán)境條件下電子元器件在高低溫環(huán)境的劇烈變化影響下[3]，元器件內(nèi)部電流密度提高造成電熱效應(yīng)。溫度升高可使器件的電參數(shù)發(fā)生飄移，使雙極性器件的反向漏電流和電流增益上升，高低溫可使化學(xué)變化加速，縮短元器件的壽命或使器件燒毀，使電遷移、引起開路或短路失效等。高原寒區(qū)環(huán)境導(dǎo)致的多發(fā)故障模式如下圖1所示。

表2 環(huán)境氣壓值與空氣抗電強度的關(guān)系

圖1 高原寒區(qū)極限環(huán)下故障模式

表3 高原寒區(qū)環(huán)境損壞模式及影響分析

3 航空裝備高原寒區(qū)DMEA分析

航空裝備在極端的氣候環(huán)境下使用，由于海拔高、風(fēng)沙大、氣壓低、空氣稀薄等綜合原因會導(dǎo)致飛機損壞，根據(jù)損壞模式及影響分析（Damage Mode and Effects Analysis，DMEA)可以對裝備的損傷情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治龊脱芯縖3]，DEMA指的是分析確定航空裝備系統(tǒng)或其部件由于損傷造成的損壞形式和過程的技術(shù)。進(jìn)行DEMA的目的是提供與特定環(huán)境機理所引起損傷的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，確定改進(jìn)措施，提高裝備的環(huán)境適應(yīng)性。某型飛機在高原寒區(qū)試飛過程中出現(xiàn)的故障模式及嚴(yán)酷度分析如表3所示。

通過對損壞模式及影響分析發(fā)現(xiàn)，液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)在高原寒區(qū)環(huán)境下的損壞重要度等級較高，因此在航空裝備的設(shè)計階段應(yīng)充分考慮關(guān)鍵系統(tǒng)的環(huán)適應(yīng)能力及相應(yīng)的維修和保障措施，減少故障的發(fā)生，縮短航空裝備的平均修復(fù)時間。

4 保障資源配置分析

4.1 高原寒區(qū)環(huán)境下保障資源分析

針對高原寒區(qū)極限環(huán)境下發(fā)生的故障，進(jìn)行充分分析，同時利用維修性預(yù)計方法根據(jù)高原寒區(qū)期間發(fā)生的故障模式特點，對高原寒區(qū)使用環(huán)境下故障率較高的系統(tǒng)和產(chǎn)品進(jìn)行維修性改進(jìn)分析，同時確定出保障資源配置規(guī)劃[4]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則和要求、轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品高原寒區(qū)設(shè)計指導(dǎo)準(zhǔn)則。本文考慮的高原寒區(qū)航空裝備分析原則如下：

1）航空產(chǎn)品在滿足功能要求和使用要求前提下，應(yīng)該采用簡易結(jié)構(gòu)和外形。方便高原寒區(qū)外場維修人員的日常維護(hù)工作，降低維修人員技術(shù)能力的要求；

2）在高原寒區(qū)特定環(huán)境下的維護(hù)工作中，所涉及的零部件應(yīng)具有良好的可達(dá)性，易發(fā)生故障的零部件和損耗件應(yīng)能夠容易找到，方便外場維護(hù)人員的拆卸和更換；

3）高原寒區(qū)備件的供應(yīng)難度較大，應(yīng)盡可能按照標(biāo)準(zhǔn)化、互換性、通用化、模塊化的設(shè)計原則，選用標(biāo)準(zhǔn)件，提高航空裝備的互換性，簡化特定環(huán)境下的外場維修作業(yè)，實現(xiàn)快速的更換修理；

4）高原環(huán)境下人員勞動強度大，維護(hù)人員要求較高，要從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上采取措施消除發(fā)生差錯的可能性；

5）在特定的高原寒區(qū)環(huán)境下，故障的檢測應(yīng)方便可靠。優(yōu)先采用自動化檢測裝置，提高故障的分析、診斷和隔離時間，以提高出動架次率。

4.2 高原寒區(qū)保障性分析及建議

高原寒區(qū)保障性分析主要從保障設(shè)備、人力人員、維修規(guī)劃、保障設(shè)施、供應(yīng)保障、包裝、裝卸、貯存和運輸保障等方面[4]，分析高原寒區(qū)試飛過程中主要發(fā)生的問題并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議主要如表4所示。

4.3 高原寒區(qū)保障資源配置

4.3.1 備件保障資源配置

裝備在高原寒區(qū)環(huán)境下，故障率的變化勢必會較平原使用地區(qū)增加，影響高原地區(qū)飛機備件的供應(yīng)計劃，因此需充分考慮故障率變化，為備件需求提供依據(jù)?？梢圆捎闷骄鹦堕g隔時間MTBR 參數(shù)（mean time between removal）進(jìn)行備件需求量的確定[5]，通過統(tǒng)計一段時間內(nèi)高原寒區(qū)環(huán)境下各設(shè)備MTBR參數(shù)，根據(jù)備件計算模型對備件需求量做出規(guī)劃。航空裝備器件的壽命分布假設(shè)服從指數(shù)分布。

表4 高原寒區(qū)裝備保障性分析和建議

并且航空裝備的使用可靠度只與備件的供應(yīng)保障能力相關(guān)。因此航空裝備的備件需求量S包括計劃下的拆換備件量S1和是非計劃拆換的備件量S2。 S2是滿足下式的最小整數(shù)，

式中：n為機群的數(shù)量；u為安裝設(shè)備的件數(shù)；th為年平均工作運行小時數(shù)（h）；TAT為備件平均維修周轉(zhuǎn)時間（d）； p指運行比； L1為壽命期限-有壽件（h）（當(dāng)L1未知時，用維修期、設(shè)備維修間隔期限的均值來代替）；MTBR為設(shè)備平均拆換間隔時間（h）。結(jié)果取整即S = [S1+S2]。

4.3.2 保障設(shè)施配置

高原地區(qū)太陽輻射條件對維修人員健康影響較大，長時間暴露在太陽輻射下，維修人員防護(hù)衣物會加速劣化，強烈的紫外線對人的皮膚、免疫系統(tǒng)等會造成嚴(yán)重過的傷害，嚴(yán)重時會造成日光性皮炎或曬傷。

可采用縮短定期維護(hù)周期，應(yīng)優(yōu)化維修人員配置，縮短常暴露在太陽輻射下以及寒冷環(huán)境下的外場保障人員工時；充分考慮太陽輻射強度的季節(jié)性變化，適當(dāng)減少維護(hù)次數(shù)，延長維護(hù)周期。通過上述分析，配備紫外線防護(hù)、抗凍保護(hù)裝備和高原加壓氧氣車，完善醫(yī)療保障配套設(shè)備，并加強高原寒區(qū)機場基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，搭建太陽輻射和抗寒遮蔽保障設(shè)施等相關(guān)保障資源。

5 總結(jié)

本文對高原寒區(qū)作戰(zhàn)裝備維修性和保障性進(jìn)行了分析和總結(jié)，較為深刻地反映了在高原高寒這一特殊作戰(zhàn)環(huán)境下對航空裝備的影響，對未來高原高寒地區(qū)作戰(zhàn)裝備保障能力建設(shè)提供參考，對航空裝備高原寒區(qū)的影響及使用及維護(hù)保養(yǎng)中的經(jīng)驗、方法進(jìn)行總結(jié)，提高高原寒區(qū)航空裝備的作戰(zhàn)保障能力。同時可根據(jù)故障率等特征參數(shù)預(yù)測航空裝備在高原寒區(qū)特殊環(huán)境下的需求量，對設(shè)計部門調(diào)整供應(yīng)計劃和部隊接裝意義重大，保證航空裝備在高原寒區(qū)執(zhí)行任務(wù)期間不應(yīng)保障資源配置而導(dǎo)致任務(wù)不能完成。

[1] 許翔,周廣猛,鄭智,等.高原環(huán)境對保障裝備的影響及適應(yīng)性研究[J].環(huán)境工程, 2010 (5)100-103.

[2] 李德龍.高原型氣候?qū)﹄娖髟O(shè)備的影響[J]. 青海大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）, 2004 (04).

[3] 姜同敏.可靠性與壽命試驗[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.

[4] 俞一鳴,趙廣彤. 高原環(huán)境對防空武器裝備的影響及改進(jìn)措施 [J].現(xiàn)代防御技術(shù). 2011(4):172-175.

[5] 康銳.可靠性維修性保障性工程基礎(chǔ)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.

Research on Configuration of Support Resources of Aviation Equipment in Frigid Plateau Region

LIU Zhao, JIAO Yi (Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089)

Based on the failure of aviation equipment on flight phase in the environmental condition of frigid plateau region, this paper firstly analyzes the relative failure mechanism and failure mode. Secondly, it summarizes the reasons why aviation equipment in frigid plateau region will be easily caused failure, and analyzes the influence of environmental factors of frigid plateau region on the aeronautic systems and equipments. Finally, the improvement suggestions and measures for adaptation for frigid plateau region are put forward to provide guidance for support resources configuration of equipment, in order to improve its application performance in special service environment.

aviation equipment; frigid plateau region; failure mode analysis; support resources configuration

V37

A

1004-7204（2017）01-0044-05

劉釗(1990-) 男、工程師，碩士，中國飛行試驗研究院可靠性研究中心，從事維修性保障性評估工作。

焦毅(1986-) 男、工程師，本科，中國飛行試驗研究院可靠性研究中心，從事維修性保障性評估工作。