基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證方法

喬　磊，李艷軍，曹愈遠(yuǎn)，許振騰，趙蘇陽，汪　雷

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京　211106）

基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證方法

喬磊，李艷軍，曹愈遠(yuǎn)，許振騰，趙蘇陽，汪雷

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京211106）

為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)滿足CCAR33-R2.75條款提出的安全性要求，提出了基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款驗(yàn)證方法。首先選擇CCAR33-R2.75中危害的和重要的發(fā)動(dòng)機(jī)后果為頂事件，然后運(yùn)用FTF綜合分析法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行安全性分析，利用Isograph Reliability軟件畫出故障樹并計(jì)算出頂事件的發(fā)生概率。建立了基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款驗(yàn)證的步驟和流程。最后對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)例分析，驗(yàn)證了該方法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款驗(yàn)證的可行性。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；FTF；安全性；CCAR33-R2.75

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)常在高溫、高速的惡劣環(huán)境下工作，任何一個(gè)零件出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，必須系統(tǒng)地開展安全性設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估與符合性驗(yàn)證工作，最終確保研制出的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足相關(guān)的安全性要求［1］。

目前中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性基礎(chǔ)研究薄弱，缺少行之有效的發(fā)動(dòng)機(jī)安全性分析經(jīng)驗(yàn)。本文將以CCAR33-R2.75條款為依據(jù)，結(jié)合某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，總結(jié)提出基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證方法。

1　CCAR33-R2.75條款要求

CCAR33-R2《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制必須滿足的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。其中CCAR33-R2.75條款是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的適航標(biāo)準(zhǔn)，通過驗(yàn)證下列要求，證明發(fā)動(dòng)機(jī)滿足CCAR33-R2.75條款要求［2-3］。

1.1要求內(nèi)容

1）危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果的預(yù)期發(fā)生概率不超過定義的極小可能概率（概率范圍是10-7～10-9次/發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)）。

2）重要發(fā)動(dòng)機(jī)后果的預(yù)期發(fā)生概率不超過定義的微小可能概率（概率范圍是10-5～10-7次/發(fā)動(dòng)機(jī)飛行小時(shí)）。

1.2危害等級(jí)定義

CCAR33-R2.75將發(fā)動(dòng)機(jī)故障危害分為3個(gè)等級(jí)：

1）1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，其唯一后果是該發(fā)動(dòng)機(jī)部分或全部喪失功率（和相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)使用狀態(tài)），這種失效應(yīng)認(rèn)為是輕微發(fā)動(dòng)機(jī)后果。

2）以下后果認(rèn)為是危害的發(fā)動(dòng)機(jī)后果：

a）非包容的高能碎片；

b）客艙用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣中有毒物質(zhì)濃度足以使機(jī)組人員或乘客失能；

c）與駕駛員命令的推力方向相反的較大推力；

d）不可控火情；

e）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)失效，導(dǎo)致非故意的發(fā)動(dòng)機(jī)脫開；

f）如果適用，發(fā)動(dòng)機(jī)引起的螺旋槳脫開；

g）完全失去發(fā)動(dòng)機(jī)停車能力。

3）嚴(yán)重程度介于本條1）和2）之間的后果是重要發(fā)動(dòng)機(jī)后果。

2　基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證

2.1FTF綜合分析法

FTF分析方法就是把FMECA和FTA分析法相結(jié)合，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行綜合分析。這樣使用兩分析方法可綜合發(fā)揮FMECA和FTA的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的分析效果。通常有正向FTF和逆向FTF兩種分析法［4］。

正向法首先對(duì)所分析對(duì)象進(jìn)行定義，然后進(jìn)行FMECA分析，根據(jù)結(jié)果選擇頂事件建立故障樹，按照CA的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論。逆向FTF方法在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定義后，確定失效頂事件并繪制故障樹，然后對(duì)其定性分析，選擇故障樹中比較重要的底事件或中間事件分析，根據(jù)CA結(jié)果執(zhí)行定量分析，最后得出結(jié)論。兩種FTF方法步驟如圖1所示。

圖1　FTF分析方法步驟Fig.1　FTF analysing steps

2.2驗(yàn)證流程

基于FTF的航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證流程如圖2所示，主要包括：

圖2　航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證流程Fig.2　Verification process of aeroengine airworthiness safety

1）選擇CCAR33-R2.75中危害的和重要的發(fā)動(dòng)機(jī)后果為頂事件。

2）進(jìn)行初步FTA分析，自上而下逐層找出導(dǎo)致該事件發(fā)生的各種因素，并用事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)和轉(zhuǎn)移門符號(hào)描述系統(tǒng)中各事件之間的因果關(guān)系［5-7］，以確定和頂事件有關(guān)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)、設(shè)備或部件等的清單，給出FMECA所分析的對(duì)象和范圍。

3）依照清單所列條目對(duì)其逐一進(jìn)行FMECA分析，通過征求專家意見和查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定每個(gè)部件的故障模式和故障率，并計(jì)算出故障模式的故障率。

故障模式的故障率與部件故障率的關(guān)系為［8］

其中：λm為部件故障模式的故障率；α為故障模式頻數(shù)比，是產(chǎn)品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比；λp為部件故障率。

4）進(jìn)行FTA詳細(xì)分析，F(xiàn)MECA分析中所確定的故障模式可為故障樹構(gòu)建中的分析深度做一定的指導(dǎo)。

5）將FMECA中確定的部件故障率、故障模式的故障率、供應(yīng)商提供的故障率和專家估計(jì)的故障率帶入故障樹的底事件中，算出頂事件的發(fā)生概率。

頂事件的計(jì)算方法如下：假設(shè)故障樹中某一上層事件為Eup，其下層事件為Edi，如果上下層事件為或門，則其概率關(guān)系為［9］

如果上下層事件為與門，其概率關(guān)系為

6）將頂事件的發(fā)生概率與條款要求進(jìn)行對(duì)比，確定是否滿足，若不滿足則需改進(jìn)設(shè)計(jì)，直到滿足安全性需要，分析結(jié)束。

3　航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航安全性驗(yàn)證實(shí)例

以某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)其進(jìn)行適航安全性驗(yàn)證，以討論該方法的實(shí)際應(yīng)用。

3.1初步FTA分析

本文選取“發(fā)動(dòng)機(jī)不可控的火情”為頂事件進(jìn)行分析，下面進(jìn)行初步FTA，發(fā)動(dòng)機(jī)不可控火情主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)著火和發(fā)動(dòng)機(jī)無法滅火兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生造成的。造成發(fā)動(dòng)機(jī)著火的原因主要有燃油泄漏且溫度過高和火焰外串，涉及的關(guān)鍵部件主要包括燃油管路、燃油接頭、滑油活門組件、燃燒室機(jī)匣和渦輪機(jī)匣。而造成發(fā)動(dòng)機(jī)無法滅火的原因主要有無法探測(cè)火情和無法滅火，涉及的關(guān)鍵部件包括火警探測(cè)器和滅火瓶。

3.2關(guān)鍵部件FMECA分析

對(duì)初步FTA分析所確定的關(guān)鍵部件進(jìn)行FMECA分析，確定每個(gè)部件的故障模式，以及各故障模式的定量分析數(shù)據(jù)。表1～表3為部分關(guān)鍵部件的FMECA表。表1中系統(tǒng)為燃油系統(tǒng)，部件為管路，其功能為供油、回油；表2中系統(tǒng)為燃油系統(tǒng)，部件為燃油進(jìn)口接頭，其功能是保證燃油從外部管路流到內(nèi)部供油管；表3中系統(tǒng)為防火系統(tǒng)，部件為火警探測(cè)器，其功能是探測(cè)過熱和火情。

表1　管路故障模式與影響分析表Tab.1　Pipeline FMECA

表2　燃油進(jìn)口接頭故障模式與影響分析表Tab.2　Fuel inlet fitting FMECA

表3　火警探測(cè)器故障模式與影響分析表Tab.3　Fire detector FMECA

3.3詳細(xì)FTA及定量分析

結(jié)合初步FTA分析和關(guān)鍵部件FMECA分析的結(jié)果，對(duì)“發(fā)動(dòng)機(jī)不可控火情”頂事件進(jìn)行詳細(xì)的、更深層次的分析，構(gòu)建的故障樹如圖3所示。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)不可控火情故障樹Fig.3　Uncontrollable fire engine fault tree

將FMECA分析的部件故障率和專家估計(jì)的故障率帶入故障樹的底事件中，運(yùn)用Isograph Reliability軟件計(jì)算得出“發(fā)動(dòng)機(jī)不可控火情”頂事件發(fā)生的概率為1.686E-10，小于1E-7，滿足適航條款中提出的安全性要求。

4　結(jié)語

1）本文以適航標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，結(jié)合某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航符合性驗(yàn)證的工程背景，建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款適航符合性的驗(yàn)證步驟和流程。

2）在對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款符合性驗(yàn)證中，利用FTF驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)不可控火情對(duì)CCAR33-R2.75的符合性。實(shí)踐證明該方法科學(xué)有效，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)CCAR33-R2.75條款適航符合性驗(yàn)證工作提供支持。

［1］韓小琦.航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)安全性評(píng)估研究［D］.天津：中國民航大學(xué)，2008.

［2］CCAR-33-R2，航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定［S］.北京：中國民用航空局，2011.

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［6］丁水汀，鮑夢(mèng)瑤，杜發(fā)榮，等.無人機(jī)系統(tǒng)適航與安全性分析方法［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2012，27（1）：233-240.

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［8］宗蜀寧，端木京順，汪建華，等.飛機(jī)整機(jī)級(jí)系統(tǒng)安全性評(píng)估方法探討［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，21（10）：125-130.

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Airworthiness safety verification method of aeroengine based on FTF

QIAO Lei，LI Yanjun，CAO Yuyuan，XU Zhenteng，ZHAO Suyang，WANG Lei
（College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

In order to meet the aeroengine security requirements of CCAR33-R2.75，the method of aeroengine complying

aeroengine；FTF；safety；CCAR33-R2.75

V235

A

1674-5590（2016）03-0013-04

2015-04-29；

2015-08-29基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60939003）

喬磊（1990—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，研究方向?yàn)楹娇掌骺煽啃浴踩怨こ?

with CCAR33-R2.75 based on FTF is proposed.Firstly，hazards and important consequences of engine are selected as top events in CCAR33-R2.75.Then，F(xiàn)TF is applied on security analysis of aeroengines，and Isograph Reliability is employed to draw the fault tree and calculate the probability of top events.The aeroengine verification process is established complying with CCAR33-R2.75 based on FTF.Finally，a certain type of aeroengine is analyzed with feasible results.