民用飞机功能可靠性评估方法
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摘 要
运营可靠性是航空企业可靠性设计中最核心的指标之一，提高民机可靠性可以降低研制成本和运营费用。为了达到这一目标，需要研究一种方法能够在设计阶段有效控制运营可靠性指标。因此，从功能失效状态入手，借鉴功能危险性评估的工作理念，提出分解和验证运营可靠性指标的方法和流程，提高飞机投入市场后的运营可靠度，增强市场竞争力。
关键词
可靠性;运营可靠性;功能危险性评估;功能可靠性评估
中图分类号： V267 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 56
0 引言
民用飞机具有周期长、复杂度高、市场竞争激烈、重视成本及运营经济性等特点[1]，因此民机的运营可靠性是最受业界和航空公司关注的指标之一，也是民机可靠性设计中最核心的指标之一。运营可靠度是与运营可靠性有直接关联的可靠性指标，现阶段国内设计工作中对该指标的设计实现方式，是从确定整机运营可靠度开始，然后依据工程经验向系统、设备进行分解分配，之后再反向预计，迭代修改分配结果。通过型号工作发现，该方法对飞机的设计不是一种正向指导性设计，在设计阶段对提出的运营可靠性指标进行控制和验证时，比较困难，在设计阶段对指标实现工作的管控力度欠缺且方法单一，造成在飞机投入运营后才暴露出运营可靠度低的问题，使运营成本增加，直接影响了飞机的市场竞争力。
因此有必要研究一种在设计阶段提高飞机运营可靠度的设计方法。通过广泛调研并参考SAE ARP 4754A[2]、国际同行做法等工作，本文提出了功能可靠性评估（FRA）方法，该方法从功能失效状态入手，借鉴功能危险性评估（FHA）工作理念[3-4]，在设计阶段提出明确的可靠性定量要求，通过故障树分析（FTA）和失效模式与影响分析（FMEA）等手段，对影响运营可靠性的设备失效率进行直接控制，提高飞机的运营可靠度。
1 功能可靠性评估方法
功能可靠性评估（FRA）是基于功能危险性评估（FHA）开展的运营可靠性分析方法。FHA单纯从安全性影响的角度考虑，使本来应该作为最低设计目标（满足适航要求）的安全性设计目标，成了我们的一般设计要求。但有些失效状态虽然安全性影响不大，但会造成飞机不能签派或在空中备降，这会大大增加航空公司的运营成本，因此需要严格控制这类失效状态的发生概率。FRA就是在FHA基础上综合考虑可靠性、维修性等因素，给出一个更加严酷的设计目标，以增强飞机投入运营之后的市场竞争力，树立良好的市场口碑。
FRA是一个自上而下的分析方法，关键是确定功能和失效状态并评估其影响。由于FHA已经确定了飞机和系统功能和相关的失效状态，因此，FRA以FHA为基础，确定各失效状态对运营的影响，主要包括以下内容：
（1）识别需要分析的失效状态;
（2）分析失效状态对飞机运营的影响;
（3）确定失效状态的可靠性影响等级;
（4）确定每一个可靠性影响等级对应的概率要求;
（5）提出用于验证失效状态要求的符合性方法。
1.1 识别需要分析的失效状态
基于FHA建立的飞机/系统失效状态清单，识别需要进行功能可靠性评估的失效状态。可根据失效状态的安全性和可靠性影响等级对应的概率要求来进行筛选，例如，假设安全性HAZ類的概率要求比可靠性最高等级的要求还要严格，那么可以只筛选出安全性影响等级为MAJ、MIN、NSE类的失效状态来进行功能可靠性评估。识别后的失效状态列表如表1所示。
1.2 分析失效状态对飞机运营的影响
进行功能可靠性评估应确定各失效状态对飞机运营的影响，可以从失效状态对飞机、机组和乘客的影响，机组发觉方式，机组/维修措施和采取措施后的飞机状态等几个方面进行分析判断，如失效状态是否会导致飞机不能准时签派，是否会导致飞机飞行状态发生改变，是否对机组成员身体造成伤害，是否对乘客身体造成伤害，以及是否降低了乘客的舒适度等。失效状态的影响分析也应包括驾驶员发现失效状态的方式以及驾驶员针对失效状态可采取的应急措施。分析示例如表2所示。
在对每一条失效状态进行分析时，可参考以下原则：
（1）飞行阶段。如果同一功能故障在不同阶段对飞机或人员产生的影响不同，则在分析中要分别列出。
（2）飞行安全。如果再发生一个相关联的失效状态，是否会导致灾难性事件发生？如果是，则机组需要执行紧急降落或返场等操作，该航班无法完成本次飞行任务。
（3）乘客舒适度。发生该失效状态后，考虑最严酷情况，是否会超出乘客的生理承受极限？如果是，则签派员会做出不准许放行的指令，或者机组需要执行紧急降落或返场等操作，该航班无法完成本次飞行任务。
（4）机组决策。机组对失效状态的处置程序如图1。机组通常首先由系统警告得知失效状态的发生，此时机组首先要做的并不是对故障做出处理，而是首先要确保自己获得飞机的控制权，并且保持飞机的航径稳定。机组需要控制或监控飞机的姿态，确保飞机按照正确的姿态、坡度、空速、推力飞行。在此基础上，按照训练和手册要求执行检查单进行故障处置。在执行检查单后，机组将对失效是否需要飞行中断做出判断，除飞行手册明确写明“尽快着陆”之外，机组往往不会直接做出飞行中断的决策，而是与公司沟通，在充分分析当前状况的情况下做出是否中断的决定，以便尽可能减少航空公司的损失。
（5）机务决策。发生故障后飞机放行操作流程如图2所示。DOM手册里确定为GO和GO IF的失效状态，在满足条件要求的情况下可以带故障飞行，不会影响本次飞行任务，但如果是NO GO项，或者不满足限制条件，那么飞机不会被放行。这时，需要进行维修，那么需要考虑是否能在过站时间+15分钟内修复完毕？如果不能，则可能导致航班延误甚至取消。 1.3 确定失效状态的可靠性影响等级
应根据失效状态对飞机运营的影响程度，确定失效状态的可靠性影响等级。一般可分为3类：飞行中断（FI）、签派中断（DI、无运营影响（NOE）。各影响等级的影响描述如表3所示。
根据表3对失效状态可靠性影响的分析，对照表4的影响等级，可以得出失效状态对应的可靠性影响等级判断结果，如表4所示。
1.4 确定可靠性影响等级对应的概率要求
失效状态的可靠性影响等级对应的概率要求由可靠性顶层设计要求决定，不同机型会有所不同。假设在空中飞机级可靠性设计目标是99.98%，那么飞行中断这一失效发生的飞机级设计目标即为2×10-4/起落，假设全机有一百个导致飞行中断的失效状态，根据公式（1）。
计算可得，飞行中断在失效状态层级的概率要求即为2×10-6/起落，再假设平均航段时间为10小时，则飞行中断在失效状态层级的概率要求即为2×10-7/飞行小时。同样可得到签派中断这一影响等级的失效状态层级概率要求。表5给出了某型民用飞机失效状态的可靠性影响等级和概率要求的对应关系。
1.5 提出符合性验证方法
开展功能失效分析，列出功能清单，分析每一功能可能对运营产生的影响，根据失效状态影响等级确定可靠性设计目标，及失效分析的深度和分析方法：针对影响等级为空中中断和地面中断的失效状态，应该采用FTA及FMEA进行定量分析;针对影响等级为无运营影响的失效状态，可以通过设计和安装评估进行验证。最后，给出验证结论，针对不满足可靠性要求的情况采取改进措施或重新设计。
2 优化方法
通过对功能可靠性评估指标的验证，有些功能失效状态无法达到要求，这种情况下，可以通过以下方式进行调整和优化：
（a）提高设备或组件的固有可靠性，如通过高加速寿命试验（HALT）和高加速盈利筛选（HASS）等可靠性试验增加设备或组件的MTBF值。
（b）提高维修效率，优化维修程序，缩短维修时间。
（c）修改MMEL清单[5]，如减少NO GO项数量，增加MMEL项的维修周期等。
3 总结
运营可靠性是国际民航运输行业衡量机队/飞机运营效率的最重要的参数之一。本文以功能失效状态为分析对象，提出了功能可靠性评估方法，可以在设计阶段对影响运营的设备失效率进行直接控制，提高了运营可靠度，增强了我国民用飞机的市场竞争力，为后续型号应用提供基础。
参考文献
[1]Prasad VR， TillmanFA， HwangCL. Optimal Reliability Design： Fundamentals and Applications [D].Cambridge University Press， 2001.
[2]SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and System[S]. SAE International， 2010.
[3]李伟，郑智明.民用飞机安全性分析研究[J].科技咨询，2015，19：49-50.
[4]贺娜.民用飞机系统功能危险性评估[J].软件导刊，2015，14（8）：49-51.
[5]包麗，韩冰冰，包健波.民用飞机初始主最低设备清单的制定[J]. 科技创新导报，2013（10）：55-58.
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