持續(xù)適航階段民用航空發(fā)動機故障風險分析與評估

高艷蕾，周燕佩

（中國民用航空總局航空安全技術中心，北京100028）

1 引言

在工程中，系統(tǒng)地考慮風險分析與評估技術始于航天領域[1]。

風險分析與評估技術發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛地應用在交通運輸、結(jié)構(gòu)工程、能源工程、航天諸多領域。在航空領域中采用風險分析與評估技術始于美國。1991年，美國航空航天工業(yè)協(xié)會（AIA）工作小組為美國聯(lián)邦航空局（FAA）提供了1項研究成果，旨在發(fā)展出更為有效的方法，以識別、確定、解決出現(xiàn)在民用航空發(fā)動機上的不安全事件。該工作組即持續(xù)適航評估方法（CAAM）研究委員會，其成員主要由美國GE、PW、空中客車、波音、加拿大PW、霍尼韋爾、RR等公司組成。持續(xù)適航評估方法（CAAM）研究覆蓋了各種推進系統(tǒng)和輔助動力裝置的相關不安全事件，給出了歷史上上述系統(tǒng)故障引起的飛機級事故的發(fā)生頻率和危害程度。美國聯(lián)邦航空局發(fā)動機螺旋槳審定中心利用這些信息確定每個發(fā)動機、螺旋槳和輔助動力裝置的故障風險的識別和優(yōu)先級。1994年，F(xiàn)AA發(fā)動機螺旋槳審定中心和運輸類飛機審定中心將CAAM方法作為其安全管理程序中的重要組成部分。2003年9月8日，F(xiàn)AA頒布了運輸類飛機動力裝置和輔助動力裝置的持續(xù)適航評估的咨詢通告[2]，同時給出了航空業(yè)飛行風險水平的可接受標準。

本文結(jié)合實例，對持續(xù)適航階段民用航空發(fā)動機故障風險進行了分析。

2 持續(xù)適航階段航空發(fā)動機故障風險分析與評估

航空發(fā)動機故障風險分析與評估是1個識別、評價、控制或降低以及接受風險的管理過程，通過風險發(fā)生的可能性、風險的暴露程度和風險后果的嚴重性來衡量風險潛在的損失，同時制定和實施決策，以使風險造成的負面效應和經(jīng)濟損失最小化。航空發(fā)動機故障風險管理流程如圖1所示，整個過程由風險分析、風險評估和風險控制3部分組成。

（1）定義故障風險并求出風險因子。利用已有的航空發(fā)動機故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法（常用威布爾分析方法）可以得到其故障的分布函數(shù)，再采用數(shù)字仿真方法（常用蒙特卡洛故障仿真方法）模擬故障的發(fā)生情況，預測發(fā)動機在未來一段時間內(nèi)的故障風險，即求出故障風險因子（指在給定時間內(nèi)故障風險事件發(fā)生的平均值，即故障風險事件發(fā)生的頻率值）。

（2）定義故障風險的危險等級，并求得危險系數(shù)，確定故障風險的優(yōu)先級。在FAA的持續(xù)適航評估方法（CAAM）中，根據(jù)風險事件給飛機、乘客和機組人員帶來后果的嚴重程度定義了5種危險等級，1級事件導致的后果最輕，5級事件導致的后果最重。通過分析故障風險事件危險等級，確定處理風險事件的優(yōu)先級。危險等級在3級以上的事件是持續(xù)適航風險評估方法優(yōu)先重點考慮消除的風險，其具體描述見表1[2]。

表1 風險事件危險等級

在持續(xù)適航階段中，凡是可能造成表1描述的事件發(fā)生的故障均需要進行風險評估，確定該危險等級故障的危險系數(shù)，即該故障導致發(fā)生某等級危險事件的頻率或可能性。如該故障至少已經(jīng)導致1次3級危險事件發(fā)生時，則危險系數(shù)為3級事件的發(fā)生次數(shù)除以該故障導致的總風險事件次數(shù)；如該故障沒有造成3級或3級以上的風險事件發(fā)生，則需使用歷史數(shù)據(jù)，以確定其危險系數(shù)[3,4]。

（3）計算每次飛行的風險（當多個故障風險狀態(tài)同時存在時，要計算累積風險因子，即將各種故障風險狀態(tài)導致的風險事件的風險因子相加）；通過（1）和（2）中求得的故障風險因子和危險等級系數(shù)求出飛行機隊每次飛行的風險。每次飛行風險指任意1架飛機在每次飛行中由某個故障狀態(tài)所帶來的風險，即任意1架飛機每次飛行中某故障發(fā)生的概率，其數(shù)值由風險因子乘以發(fā)動機總數(shù)除以發(fā)動機總飛行循環(huán)數(shù)得到。如：風險因子為0.5的雙發(fā)飛機總飛行循環(huán)數(shù)為300000個，那么，該飛行機隊每次飛行的風險為

（4）將每次飛行風險與風險準則表對比，評估目前航空發(fā)動機故障存在的風險是否可接受，如60天之內(nèi)短期風險超出風險準則表的限制，則需要立即采取降低風險的措施。

表2列出了3級和4級危險事件的可接受風險標準，當計算得到的飛行機隊每次飛行風險高出表中規(guī)定風險水平時，則需要采取措施，以控制該風險的發(fā)生或產(chǎn)生嚴重后果。在表2中，短期可接受的風險指在實施可有效降低風險的解決方案之前或期間得到的風險水平；長期可接受的風險指實施最終可有效降低風險的解決方案后得到的風險水平。

表2 風險準則

以3級事件為例，按表2中的規(guī)定風險標準對飛行風險區(qū)域進行劃分，得到每次飛行風險與飛機飛行循環(huán)次數(shù)的曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，3級事件風險因子大于1和每次飛行風險大于4×10-5時，風險發(fā)生的可能性高，屬于高風險區(qū)域，必須采取強制性措施，使得該事件風險降低到可接受風險水平；3級事件風險因子小于1，且每次飛行風險介于4×10-5和1×10-8之間時，風險發(fā)生的可能性較高，屬于多風險區(qū)域；3級事件每次飛行風險在1×10-8以下時，風險發(fā)生的可能性小，屬于可接受風險區(qū)域。持續(xù)適航階段的任務就是確保飛機每次在可接受風險區(qū)域飛行。

3 實例分析

某渦輪風扇發(fā)動機在飛機處于起飛階段、未達到起飛速度時，第8級壓氣機盤斷裂，該故障屬于非包容事件，所幸沒有造成飛機損壞和危及乘客、機組人員安全。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壓氣機盤由于受到腐蝕而發(fā)生低周疲勞斷裂，腐蝕的主要原因是制造廠采用了不正確的涂層方式。針對上述風險事件進行的具體分析與評估及其流程如下。

（1）估計可能受到影響的發(fā)動機壓氣機盤的數(shù)量。經(jīng)過專業(yè)涂層廠處理的壓氣機盤，包括目前正在服役的和備用的在內(nèi)，總計為433個，都有可能在使用中斷裂。

（2）威布爾分析和蒙特卡洛仿真。制造廠給出433個壓氣機盤磨損失效的威布爾分布曲線，并利用蒙特卡洛模型進行故障風險仿真評估，得出的結(jié)論是：如果這些壓氣機盤使用到15000循環(huán)后更換，還會有1.3個斷裂；對該模型進行檢驗，可知運行到發(fā)生第1次盤斷裂時，會有0.95個盤斷裂事件（≈1）發(fā)生，證明該模型正確。

（3）估計在實施可有效降低風險的解決方案之前的風險因子和每次飛行風險。因為上述盤斷裂事件沒有造成飛機損壞、乘客及機組人員傷亡，所以要利用歷史數(shù)據(jù)獲得該類非包容事件的危險等級和危險系數(shù)（15年內(nèi)類似盤斷裂的數(shù)據(jù)參見文獻[2]），從而得到實施可有效降低風險的解決方案之前的風險因子和每次飛行風險；非包容事件的危險系數(shù)見表3。得到該故障造成4級事件對應的短期風險值0.52，遠大于表2中所規(guī)定的可接受風險水平0.1，因此需要采取措施降低該故障風險水平。

（4）估計可實施的降低風險方案的有效性。將原來15000循環(huán)的更換間隔提前到10000循環(huán)，重新帶入蒙特卡洛故障仿真模型，所得到的風險因子為0.18；利用表3中的歷史數(shù)據(jù)重新計算，得到該故障導致3～5級事件的實施方案前的風險因子，分別為0.09、0.07和0.02；對比短期可接受的風險因子，4級事件風險因子0.07小于0.1，可知該措施可有效地降低由壓氣機盤斷裂造成的風險。

（5）監(jiān)控可有效降低風險方案的實施情況。適航當局提出法規(guī)制定提案，通告NPRM，然后頒發(fā)適航指令AD，并授權制造廠發(fā)服務通告SB，通報可有效降低風險方案，局方針對AD的實施情況進行監(jiān)控，效果顯著。

表3 非包容事件危險系數(shù)

4 結(jié)束語

在役航空發(fā)動機經(jīng)過一段時間的外場使用,積累了一定的故障與維修數(shù)據(jù)，如果能充分利用這些數(shù)據(jù)來評估與預測發(fā)動機在未來一段時間內(nèi)的故障風險,有助于確定發(fā)動機的安全使用期限,從而降低其使用風險,提高其可靠性與安全性。采用有效的發(fā)動機故障風險分析與評估方法具有重要的實際意義。

[1] Tim Bedford，Roger Cooke.Probabilistic Risk Analysis:Foundations and Methods.Cambridge University Press,2001.

[2] US Department of Transportation Federal Aviation Administration,Advisory Circular,continued airworthiness assessments of powerplant and auxiliary power unit installations of transport category airplanes,Initiated By AIR-100，sep.8,2003.

[3] a joint effort of the federal aviation administration and the aerospace industries association(AIA),Technical Report on Propulsion System and APU-Related Aircraft Safety Hazards,October 25,1999.

[4] a joint effort of the federal aviation administration and the aerospace industries association(AIA),2nd Technical Report on Propulsion System and APU-Related Aircraft Safety Hazards,January 31,2005.

[5] John P.Kindinger and John L.Darby,Risk Factor Analysis-A New Qualitative Risk Management Tool,Proceedings of Project Management Institute Annual Seminars&Symposium,2000.