軍用飛機飛行安全影響因素研究綜述

鄭友勝，李泰安

(中航工業洪都《江西南昌330024)

軍用飛機飛行安全影響因素研究綜述

鄭友勝，李泰安

(中航工業洪都《江西南昌330024)

摘要：軍用飛機技術性能越來越先進，飛行員需要掌握的飛行內容越來越多，飛行實施過程越來越復雜和精確，飛行難度越來越大，因此對其安全性也提出了更高的要求。本文主要從飛機本體、人、環境、任務和組織管理等幾個方面來探討對飛行安全的影響，以及分享國內外有關安全理論的研究成果，希望能夠為國內從事飛行安全研究工作的人員提供一點幫助。

關鍵詞：軍用飛機；安全性；飛行訓練；飛行員

0　引言

影響飛機飛行安全的因素非常多，在進行安全性理論研究時，我們首先需要研究影響飛機安全的主要因素，再進行具體的研究并給出相應的解決方案。本人對近十幾年來國外就飛機安全性理論方面的資料進行了研究，發現國外在安全性方面的研究主要集中在：安全管理、空中交通管理、跑道入侵、人機界面、人系統整合、安全分析、人為差錯、飛機故障、容錯控制、安全監控、內部組件布局優化、著陸和起飛等方面展開研究。

影響飛機安全的因素可以概括為幾大類：人機交互、飛機和外界環境，相關因素的影響如圖1所示。

這些有關飛機的安全因素是相互影響的，很多情況下是由于一個因素引起的連鎖反應而導致飛機發生事故的。

1　人機交互

1.1駕駛技術與經驗

飛行員、機組和外界信息可統稱為人機交互，近年來很多飛行事故都和人機交互有關，統計數據表明，人機交互因素引起飛機發生飛行事故的比例不斷升高，而其它因素對飛行事故的影響不斷降低。人機交互因素主要有：駕駛技術與經驗、專業知識、疲勞駕駛、駕駛態度、生理心理與身體素質、人機界面和組織管理等。

一名優秀的飛機駕駛員必須具備過硬的駕駛技術，才能應對各種不同的飛行情況包括起飛著陸，保證人員安全和財產安全。如何有效地提高飛行員的飛行技能，尤其是起飛著陸時段，一項統計數據表明，80%的事故都發生在起飛著陸階段，這兩個時段雖然只有11分鐘，但是是最危險的11分鐘。因此，如何讓駕駛員駕駛飛機更加安全地離開地面和返回地面，是一個非常值得研究的課題。文獻[1]基于模糊神經網絡算法開發的智能控制系統，改善傳統的自動著陸系統的性能，擴大了飛機的安全邊界。文獻[2]提出了小腦關節控制器模型(CMAC)改善自動著陸系統的性能，PID控制自適應模糊控制CMAC構建智能著陸系統，解決嚴重風切變環境下的安全降落問題。對于正常環境下，基于線性逆模型的神經網絡控制方法能夠控制飛機在安全包線范圍平穩著陸，當條件超過包線范圍時，如干擾和風切變等，這種控制方法就不再適用，文獻[3]針對這些問題，給出了幾種不同的神經網絡控制器，改進后的控制系統能夠適應線性逆飛機模型的控制，使這些系統更加智能，改善了飛機在惡劣環境下的著陸性能，提高飛機的安全性。接近飛機性能極限的起飛階段，是一個比較危險的飛行階段，已經出臺嚴格的控制程序，以防止各種危害發生，但是這些程序，由于一些缺點，未能提供完整的保護，文獻 [4]通過起飛性能監視器來彌補飛機性能相關的缺點，保證飛機起飛安全。文獻[5]通過增加視覺引導系統（EVGS）增加飛行員的態勢感知能力，有助于降低飛行撞地、進場和著陸事故發生的概率。

圖1　影響飛行安全的因素

經驗不僅指飛行員自身積累的經驗，還包括其他飛行員積累的經驗。經驗對一名駕駛員來說非常重要。在有些關鍵時刻，經驗可能會挽救自己的性命，但是有的時候也會讓一些飛行員丟掉性命。文獻[6]提出處境意識的高低與安全裕度有著正比的關系，重視對處境意識的研究、開發、教育和管理，能最大限度地避免和減少人為因素造成的失誤。如何將前人積累的成功經驗有效地繼承下來，讓新學員能夠盡快接收這些寶貴的經驗，揚長避短、為我所用，這也是值得研究的。另外，還有一些飛行情況是經驗所不能解決的，可以借助高科技手段提高飛機的飛行安全。飛機降落帶來的跑道入侵事件不斷發生，造成財產損失和人員傷亡，可以通過軟件進行多傳感器數據融合，提供了一個完整的跟蹤和識別機場活動區的圖片，來輔助駕駛員著陸時的地面識別能力。文獻[7]介紹了這個監控系統的性能，以及對系統的影響，目前該功能已經應用于美國聯邦航空局機場。

1.2駕駛艙資源管理

駕駛艙資源管理(CRM)也稱機組資源管理，其概念是美國于1978年提出的，它通過有效地利用各種資源(硬件、軟件、設施和人)，從而安全和有效地完成任務（圖2）。駕駛艙資源管理的提出是為了鼓勵團隊精神，使作為領導者的機長能夠依賴其他機組成員完成與安全飛行的重要任務，以便能夠共同分擔職責并且能夠從其他機組成員那里獲取信息和幫助。美國著名的飛行教育專家托尼·科恩對駕駛艙資源管理的定義如下：“CRM是指通過有效利用所有可用資源而最大限度地提高運行效率并保證飛行安全。”通過駕駛艙資源管理有效避免因駕駛員精神渙散、通信聯絡和理解各種職責的障礙、疲勞、駕駛態度和各種風險等因素，導致飛行事故的發生。

1.2.1疲勞駕駛

在很多情況下，“疲勞”一詞被用來指代困倦。本課題所談到的疲勞是指一系列的癥狀[8]。它的情形可能只有駕駛員本人知曉(隱性疲勞)；這些癥狀還極大程度地取決于手頭的工作(目標化疲勞)和覺醒時間的長短。疲勞產生各種不舒適的感覺并伴有行為拖沓現象。疲勞研究人員布朗將疲勞描述為：“疲勞的概念可以被解釋為個體被迫超出其確信能有效完成任務能力界限而繼續進行工作的主觀體驗。文獻[9]結合人體工學研究駕駛艙的顯示界面、駕駛艙內的發光環境與視覺效果的影響，設計能獲得座艙界面的最佳視覺效果，從而緩和飛行員的視覺疲勞，提高飛行員的駕駛效率。文獻[10]從心理學和人體工程學的角度考慮，設計座艙界面，以滿足飛行員的安全、情感和精神的需要，從而緩解疲勞提高駕駛效率。文獻[11]通過建立一個標準的評價模型數據庫，結合模型的需求程度以及信息顯示系統的就近原則，給出一種飛機座艙顯示系統設計評價的新方法，該方法也可以應用于人機界面顯示系統工效學評價等領域。文獻[12]綜合考慮信息的重要性、信息的可視化編碼、信息處理的程度和人為錯誤，建立基于模糊理論的飛行員注意力分配模型，從而對飛機、人機界面優化設計和試驗飛行性能評估進行定量研究。文獻[13]結合飛行試驗將2D/3D和常規系統進行了對比分析，裝有2D/3D系統的飛行員飛行情況不但沒有惡化，而且有更穩定的180°度轉彎和更強的位置意識。文獻[14]對周邊合成視景的人為因素進行評估研究，最大限度地減少空間定向障礙，降低航空意外的發生。座艙的顯示系統和人機界面的應用程序是相當復雜的，這種復雜的環境可能會導致駕駛員心理負荷過度和錯誤而出現災難性的后果，為了防止任何人為錯誤，擁有一個用戶友好的顯示面板是有必要的，文獻[15]從人為因素的角度給出了定量和定性的評估顯示面板優劣的方法。如何設計適當的人機界面，是防止人為錯誤造成顯著危害的關鍵問題。文獻[16]在模擬環境中的人機界面之間的相互作用的透徹分析和信息內容的人機界面設計的定性評價方面進行研究，為實現更可靠的人機界面設計提供支持。1.2.2溝通與協調

人為因素已被確認為事故的主要來源之一，對于過程控制系統，傳統的安全分析方法通常不考慮人類行為的自由決策因素，文獻[17]提出了一種過程控制系統的人機接口設計的安全驗證的標準做法，加強駕駛員與飛機之間的溝通，減小認為錯誤，有助于提高飛行安全。在實際飛行過程中，駕駛員與飛機系統是不斷交互的過程，在這樣一個集成環境中，如何實現人與系統的有效交互，減少人為因素造成的失誤就顯得非常有必要，文獻 [18]提出一個人們在同一環境相互作用的綜合系統架構，使駕駛員能在不同系統間進行交互，讓集成系統盡可能快地與駕駛員進行交互，從而及時處理快速多變的情況。

另外，一些飛行事故是因為機長沒有聽機組人員的提醒，或機組人員因為機長的權威在報告一次后因機長忽視而不敢再報告，還有些事故是因為機組與空地人員溝通不到位或通訊信號差導致的。因此，駕駛員、機組與空地人員需要及時溝通以及保證通訊設備的穩定性，對于提高飛行安全都是很有必要的。文獻[18]針對基于人的空中交通管理服務中的效率低和安全性不高等問題，提出建立自動化的空中交通管理服務系統，可以降低費用、提高效率和安全性。隨著科技的不斷發展，電子產品已經成為人們生活的一部分，飛機也同樣離不開電子通訊，未來高效、安全、舒適、便利的飛行環境更離不開飛機的通信及網絡安全，文獻[19]研究飛機數據通信、網絡以及安全性，以滿足航空運輸系統未來20年及以后的航空需求。

1.2.3飛行安全預測

分析可能存在的一些不安全因素以及對不安全故事發生的概率預測，并將分析結果及時提醒飛行員和機組，避免不必要的事故發生，提高飛機的安全。文獻[20]根據計算跑道末端溢出的速度和時間來評估飛機高速運轉后不能起飛的安全邊界。對于“小概率重大事故”的模型曾經建立過相應的模型，但是還存在一些不足，文獻[21]針對這類事件由美國國家航空航天局（NASA）和聯邦航空管理局（FAA）聯合開發了一種新模型，分析航空系統風險模式，旨在降低航空事故發生的可能性或減輕事故后果。對于這些安全隱患 （如隱藏的結構腐蝕、隱藏的結構性裂縫、內部發動機葉片裂紋或復合連接處分裂等）文獻 [22]給出了一種無損檢測方法，及時發現這些可能存在的安全隱患，防患于未然。有時候一個事件發生的先后順序和運作模式對飛機的功能實現和安全性有一定的影響。文獻[23]討論了“事件排序”對飛行安全的影響，對于某些事件發生在一個特定的順序下可以實現一個理想的效果或避免不良的影響，并結合目標樹分析和故障樹分析，給出一種分析事件排序的技術方法。飛機失控仍然是致命的飛行事故之一。飛機失控事故是復雜的，是由單因素或多因素共同造成的。文獻[24]總結了在最壞情況下失控事故前和他們的時間序列組合，一個綜合性方法來分析結果防止未來的失控事故發生，并驗證其關鍵技術。飛機安全一直是一個不可忽視的大問題。目前，大多數采用具有冗余容錯系統的設計方法提高飛機的安全性，對于一個新的領域該方法還存在一些問題，文獻[25]提出一個基于動態故障樹分析的民用飛機的安全分析的新方法，以典型的成熟發達國家為研究對象的大型飛機和通用飛機的設計，執行安全使用動態故障樹的分析，并采用模塊化思想，優化故障樹分析。

1.3生理、心理與身體素質

航空心理和生理訓練可以使駕駛員體驗和了解飛行中各種不良因素對人體的影響，熟悉防護救生設備的性能、使用方法，掌握預防、克服錯覺和處置異常情況的方法，增強駕駛員的適應能力，提高耐力。這些訓練包括低壓艙缺氧體驗訓練、抗荷對抗動作訓練，加壓呼吸訓練、飛行錯覺訓練、航空救生訓練和離心機訓練等。以增強肌力為主的體能鍛煉，可以增強飛行員基礎抗荷耐力，提高抗荷能力。文獻 [26]是美國空軍針對韓國空軍的特點，給出的一份關于韓國空軍篩選飛行員的研究報告，心理活動測試、雙聽技術任務、同時進行心理活動和雙聽技術測試、雙手協調和綜合協調等方法訓練和篩選飛行員。研究一些可以提升駕駛員素質的訓練儀器和訓練方法，使駕駛員能更好地適應各種環境和突發情況。

2　飛機本體

從飛機自身的因素考慮，影響其安全的因素主要有系統故障和發動機故障。另外，對于軍用飛機，作戰生存能力設計直接關系到飛機的安全性和生存力。其中，內部組件布局設計是提高飛機作戰生存能力一個關鍵因素之一，文獻[27]提出了內部組件布局優化的概念，優化易受攻擊的內部組建，達到增強飛機飛行安全的目的。

2.1系統故障

系統故障主要包括系統失效（如控制系統故障、傳感器失靈、傳動機構失效和通訊中斷等）、飛機舵面故障和飛機機翼損壞等。一旦飛機出現諸如此類的系統故障，對飛機安全的影響都是致命的。飛機發生意外，很多時候與控制系統故障有關，如何預防這些事故的發生顯得非常有必要，文獻[28]提供了一定概率下單架飛機事故預防（SAAP）項目正在開發的技術，特別強調故障檢測與鑒定，并改善飛行安全的容錯控制方法。飛機在出現重大故障后沒有更多的控制能力，非線性逆控制技術是用來設計控制律允許實現的一個基本動作序列，文獻[29]給出的基于非線性逆的控制方案對飛行指揮系統有指導作用或緊急模式自動油門控制多引擎飛機的推力，使其安全返回地面。文獻[30]討論了飛機安全檢測系統以及集成在飛行中飛機的安全監控系統，通過安全檢測系統實時監測飛機故障，對于發現的問題及早采取相應的措施，減少事故的發生。

2.2發動機故障

發動機故障一直是造成單發戰斗攻擊機災難性事故的主要原因。以號稱美國空軍最安全的單發戰斗機F-16為例，在1975～1996年間由于發動機故障造成飛機災難性事故88起，約占飛機總災難性事故的40%左右；從1992～1996年的5年中，由于發動機造成的災難性事故幾乎占F-16總災難性事故的一半。表1列出1992年至1996年F-16飛機災難性事故數、事故率和由于發動機造成的災難性事故數、事故率及所占比例；表2列出F-16裝備不同型別發動機造成的災難性事故故和事故率。

為了解決發動機可靠性問題，特別是單發戰斗機的發動機可靠性問題，國外采取的對策主要有：重視可靠性設計、實施部件改進計劃、加強外場檢查工作和加強發動機事故管理與分析工作。

表1　F-16的災難性事故

表2　F-16發動機造成的災難性事故

2.2.1重視可靠性設計

為了保證發動機具有所要求的可靠性，在發動機的設計中必須重視可靠性設計。首先，在設計初期，應通過權衡研究和壽命周期費用分析，對備選發動機方案的可靠性、維修性、耐久性、保障性、費用、重量和性能進行綜合權衡，反復迭代，直到滿足各項設計要求為止，從而避免重性能、輕可靠性的傾向。

2.2.2實施部件改進計劃

對于已投入使用的現役發動機，如F-16的F100發動機，應通過改進部件來提高發動機的可靠性。從1974年開始美空軍投入7億多美元實施部件改進計劃，采用了新風扇和壓氣機，改進了低壓渦輪、加力燃燒室雙點火系統，提高了核心機的壽命；改進了數字式發動機電子控制系統，使發動機在整個飛行包線內無推力衰減，并可連續監控發動機狀態。

2.2.3加強外場檢查工作

大量事故統計分析表明，造成災難性事故的發動機問題仍然是發動機的設計缺陷，如渦輪葉片疲勞斷裂、第1級風扇葉片故障、燃料岐管和夾緊系統設計缺陷、高溫曝輪后葉片保持器斷裂、可調靜止葉片系統設計問題、空氣密封裝置故障等，在無力及時進行設計更改來消除這些設計缺陷時，可通過加強外場檢查來保持機隊的安全。

3　外界環境

外界環境主要是指天氣和空中障礙物。其中，天氣包括：雨（降雨量）、霧、霾、氣溫、總云量、碎云量、云底高度、風（風速、風向）、浪高、涌高、海況和特殊天氣。障礙物包括空中飛行動物、高山和高樓大廈。環境對飛行安全的影響是很明顯的，但是對于一個優秀的戰斗飛行員，必須要克服這些困難，因為敵人不可能因為天氣不好而停止作戰。有關外界環境對飛行安全的影響及對策研究，本文已經在上述幾點中進行了一些介紹，在此就不再做分析研究。

4　結語

本文通過對軍用飛機安全性影響因素的分析、研究，認為影響飛行安全的有三個方面：人機交互、飛機本體和外界環境。其中，造成人為差錯的主要因素包括駕駛員負擔過重、設計缺陷、訓練不足、疲勞及疾病、地面協同、錯誤的操作規程以及缺乏經驗和知識等；另外，飛機本體的一些故障，如承載能力、使用壽命、使用極限、發動機故障、系統故障以及部件故障等都會影響飛行安全。軍用飛機安全性研究是一個龐大的系統工程，不是一朝一夕能解決的，這需要我們航空人投入更多的人力、財力、物力和時間，刻苦攻關，努力使我們軍用飛機的安全性能再上一個臺階。

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鄭友勝，男，1980年10月出生，2009年畢業于南京理工大學，博士后，主要研究方向為飛機總體設計技術、力學與飛行控制技術和生存力設計技術等。

(收稿日期2012-10-08)

作者簡介>>>

Research on Influential Factors for Military Aircraft Flight Safety

Zheng Yousheng,Li Taian
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Jiangxi Nanchang 330024)

Abstract:Advanced technical performance of military aircraft is increasing now,the pilots need to master much more,flight implementation process is more and more complex and accurate,and flying is much difficult,so their safety is also put forward with higher requirements.This paper is mainly from the aspects of aircraft body,man, environment,tasks and organizational management to investigate the impact on flight safety,as well as share the research of domestic and international safety theory,hoping to provide a bit of help for domestic personnel engaged in flight safety.

Key words:military aircraft；safety；flight training；pilot