航空裝備電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)技術的研究與應用

何鐘武 張向前 許 艷

1 問題的提出

在現(xiàn)代航空裝備的設計、制造過程中，人們關注更多的是其總體性能的實現(xiàn)，如：有效載荷、超視距作戰(zhàn)能力、隱身能力、各系統(tǒng)的冗余程度要求等。為達到這些優(yōu)異的性能，人們更注重設備及系統(tǒng)的設計、元器件的選取、制造與安裝，卻忽視了連接設備與系統(tǒng)的各類電纜的總體布局、設計和維修。嚴格來說，現(xiàn)代航空裝備電纜本身的故障率相對于裝備級而言是較低的，但我國航空裝備在用戶試用或使用過程中，往往因電纜故障導致各類事故征候頻發(fā)，嚴重地影響了裝備的使用。

由于裝備所使用的電纜無全性設計目標，沒有作為裝備的一個專門系統(tǒng)去研究，沒有與系統(tǒng)一起同設計、同布局、同試驗、同驗收，電纜方面存在的典型問題如下：

● 部分艙段，電纜過于擁擠，電纜束的體積和重量過大，因振動等使用環(huán)境原因，電纜極易磨損，如果某一根電纜發(fā)生電弧之類的故障模式，則極易造成整個艙段的火災和部分功能設備或系統(tǒng)的失效，從而引發(fā)災難性事故發(fā)生；

● 電纜在活動區(qū)域的走向較為隨意；

● 電纜束中，既有影響飛行安全的關鍵電纜，也有不影響安全的普通電纜；

● 系統(tǒng)有安全裕度要求的電纜無分離、隔離等要求；

● 開敞區(qū)、高溫區(qū)、著火區(qū)的電纜沒有保護措施；

● 各種電纜隨意地與液壓、燃油、環(huán)控導管捆扎在一起的情況較為普遍：

● 電纜抗電磁兼容能力較弱，致使部分電子設備使用中報故，返廠后檢驗合格，裝機使用時又報故的事情經(jīng)常發(fā)生；

● 裝備維修檢查文件中，對電纜的維護檢查項目不全、檢查要求不具體、安裝和修理的合格判據(jù)描述不夠充分和具體。

2 EWIS的理念與技術發(fā)展方向

2.1 EWIS的來源與定義

在早期航空裝備的設計過程中，電纜并未作為電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）來考慮，并未當作一個獨立的系統(tǒng)來設計和評估。但從上世紀90年代開始，由于線路原因造成了多起航空事故，線路安全性問題開始受到廣泛關注。例如，1996年7月，美國環(huán)球航空公司一架B-747飛機在大西洋上空爆炸并墜入大海。據(jù)美國國家運輸安全委員會（NTSB）的調(diào)查結果顯示，這起事故最可能的原因是飛機電氣線路故障所產(chǎn)生的電火花進入燃油箱而導致空中爆炸。1998年9月，瑞士航空公司的一架MD-11飛機失火后墜入大西洋，這是MD-11飛機歷史上最嚴重的一次航空事故。事后在最有可能最早起火的客艙位置處找到的一段客艙娛樂系統(tǒng)的電纜上，發(fā)現(xiàn)有凝固銅。這表明，該處電纜曾產(chǎn)生過電弧，導致銅質(zhì)導體融化后又凝固。因此認為，該導線故障產(chǎn)生的電弧，很有可能就是這起飛機失火墜毀的直接原因[2]。為此，美國聯(lián)邦航空局（FAA）對B-727、DC-10、A-300等8個型號、81架老齡民機的線路進行了檢查，共發(fā)現(xiàn)了3372個線路問題 。

據(jù)FAA報告，在2005年10月至2006年3月期間，由于線路連接器受潮引起的線路短路，又造成了6起支線飛機的火災事件。FAA認為電纜所致的民機安全性事故和相關線路問題，基本上由以下原因引起：

● 飛機的老齡化。主要表現(xiàn)在：線路老化、線路連接器腐蝕、線束被金屬碎屑及易燃液體等污染、維修工作中對導線的安裝和修理不正確等方面；

● 持續(xù)適航文件不完整。主要體現(xiàn)在：對電纜的維護檢查項目不全、檢查要求不具體、安裝和修理的合格判據(jù)描述不夠充分和具體。

上述原因，表面上看是線路連接器的選用、電纜的安裝與維修問題，但歸根結底還是設計與制造問題。由于聯(lián)邦航空條例（FAR）25.1309等條款已經(jīng)無法針對這類線路問題，為裝備系統(tǒng)的完整性和安全性提供有效的技術保證，于是，F(xiàn)AA在2007年頒布了25-123號修正案。該修正案在FAR25部《運輸類飛機適航標準》中增加了H分部共17個條款，正式提出了EWIS的概念及相應的設計、安裝和維修方面的要求；明確了將電氣線路作為一個獨立的系統(tǒng)，必須與其它系統(tǒng)一樣給予足夠的重視；規(guī)定了電氣線路系統(tǒng)的標識、分離、安全性、可達性及相關防護等方面的審定準則。中國民用航空局（CAAC）在2011年頒布的中國民用航空規(guī)章CCAR-25-R4版《運輸類飛機適航標準》中也提出了EWIS的相關要求。

根據(jù)CCAR25.1701，EWIS是指安裝在飛機上任何區(qū)域的，用于在兩個或多個端接點之間傳輸電能（包括數(shù)據(jù)和信號）的各種電線、端接器件、布線器件或它們的組合。

2.2 EWIS的理念

2.2.1 EWIS失效有可能導致災難性事故發(fā)生

1998年9月，瑞士航空公司一架MD-11飛機客艙娛樂系統(tǒng)電纜的失效，就導致了災難性事故的發(fā)生。大多數(shù)人會認為，客艙娛樂系統(tǒng)并不是適航規(guī)章中要求的系統(tǒng)，其電纜的失效頂多只會導致客艙娛樂系統(tǒng)的功能失效，完全不可能影響到飛機的安全，但事實告訴我們，任何系統(tǒng)EWIS的失效均有可能導致災難性事故發(fā)生。

部分航空裝備因其安裝空間受限，很多電纜束中，既有影響飛機安全的重要系統(tǒng)電纜，也有對安全無影響的普通電纜。人們往往會對包含有重要系統(tǒng)電纜的整個電纜束的安裝與維修較為重視，這些普通電纜會在其路徑的某一處加入到包含有重要電纜的電纜束中，又會從其路徑的另外一處脫離該電纜束，進入目標系統(tǒng)或另一電纜束之中，而普通電纜的全行程未必會受到重要系統(tǒng)電纜同級別的安裝與維修“待遇”。事實上，普通電纜的某些故障模式有可能會導致其路徑上電纜束上所有電纜的失效，進而導致與電纜相連接的所有功能設備或系統(tǒng)的故障，引發(fā)災難性事故的發(fā)生。這一點必須引起我們的重視。

2.2.2 FAR25.1309的要求，保證不了EWIS的安全性水平

在FAA第25-123號修正案之前，按FAR25.1309要求開展安全性的符合性驗證，保證不了EWIS的安全性水平。因為FAR25.1309僅規(guī)定以下內(nèi)容：

● 對FAR25部要求的系統(tǒng)和設備進行安全性評估，對相應的EWIS評估并不充分。例如，F(xiàn)AR25.1309的系統(tǒng)安全性評估，通常只考慮電纜的故障對系統(tǒng)功能的影響，并沒有考慮電纜物理失效對周圍其它電纜的影響；

● FAR25部未要求的系統(tǒng)和設備，不予評估，與其相關的EWIS更不會評估。例如，機上娛樂系統(tǒng)；

● FAR25.1309對飛機某些系統(tǒng)的某些部分是不適用的，例如，F(xiàn)AR25.671(c)(1)和FAR25.671(c)(3)項中單點失效或卡滯。故對這些部分的EWIS也不進行評估。

所以，F(xiàn)AA第25-123號修正案特在FAR25.1309中增加了一條“必須按照FAR25.1709的要求對EWIS進行評估。”，以示強調(diào)。FAA還為EWIS的安全性評估工作提供了相應指南AC 25.1701-1《運輸類飛機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的審查》。

2.2.3 EWIS安裝狀態(tài)影響航空裝備的安全性

雖然MIL-HDBK-516C《適航性審查準則》、CCAR25.1701～ CCAR25.1733，對EWIS的布局、設計和維修從航空裝備安全性角度作了很多規(guī)定，但這些都是全局性、原則性的規(guī)定，對電纜的細節(jié)設計，如：如何設計才能滿足分離、隔離、防火、防靜電等要求，并未作細節(jié)性的指導。這就要求EWIS的工程師們，認真識別和確認各系統(tǒng)、設備的EWIS安全性要求；仔細琢磨相關規(guī)章、咨詢通告、規(guī)范對EWIS的安全性要求；恰當評估EWIS物理失效對周圍結構、系統(tǒng)及電纜（束）的二次損傷；科學布局與設計EWIS的安裝方式和可達性；準確制定標準線路施工手冊（SWPM）；合理確定EWIS的維修方式及關鍵設計構型控制項目（CDCCL）。只要EWIS總體布局、設計、維修得當，達到或優(yōu)于飛控、發(fā)動機、起落架、液壓等系統(tǒng)的安全性水平是完全可能的。EWIS不應成為航空裝備安全性水平的短板。

飛機起落架艙在飛機起飛和著陸過程均屬開敞區(qū)，主起落架的輪速傳感器及各種微動電門的電纜，均為小股電纜，直接用尼龍扎帶固定于起落架的剛性結構上，電纜外面沒有采用導線套管等保護措施。這種布局與設計措施，承受不住飛機起飛或著陸期間長時間氣流的反復吹襲，當飛機起降達到一定的次數(shù)之后，這些小股電纜磨破或扯斷的可能性很大，繼而影響到飛機起落架的收放和地面減速，極大地危害著飛機的持續(xù)安全飛行與著陸。如果這些小股電纜外面套了金屬管或橡膠軟管進行保護，則其磨破或扯斷的可能性基本沒有。因此，EWIS的安裝狀態(tài)是否科學、維修方式是否合理，對航空裝備安全性影響很大。

2.3 EWIS技術發(fā)展方向

2.3.1 將EWIS納入航空裝備安全性評估

EWIS的重量，一般占航空裝備重量的4～5%，分布于裝備的所有艙段，經(jīng)歷裝備全壽命期內(nèi)振動、濕熱等各種力學、熱力、化學與氣候環(huán)境，易于聚集各種油脂塵埃，發(fā)生銹蝕、接觸不良、電弧、局部電纜束過熱等故障模式。這些故障模式可能會引起裝備的災難性故障，而且故障模式發(fā)生的頻度和EWIS的設計、安裝與維修的合理性相關。為此，2007年FAA第25-123號修正案中，推出FAR25.1701～25.1733適航條款，在FAR25.1709“系統(tǒng)安全：EWIS”中明確了每個EWIS的設計目標，提出了安全性評估要求；與FAA25-123修正案同步頒發(fā)的FAA AC 25.1701-1中，針對FAR25.1709給出了參考的安全性評估流程，已將EWIS納入到航空裝備安全性評估的一部分。

2.3.2 開展EWIS安全性的結構化分析與評估

在FAA第25-123號修正案之前，航空裝備承制商一般按FAR25.1309的要求，對FAR25部要求的設備其與系統(tǒng)相連接的電纜進行評估，而FAR25部沒有要求的設備或?qū)AR25.1309不適用的設備，其電纜一般不參與安全性評估。而事實上，普普通通的一根類似于客艙娛樂系統(tǒng)的電纜，其短路所形成的電弧，足以損壞與之一起的整束電纜，可能導致整束電纜的失效、著火甚至結構損傷，從而嚴重威脅飛機的安全。

由于FAR25.1309的工程實踐，不能確保所有影響飛機層次安全性的EWIS故障狀態(tài)均得到考慮；按ARP4761給出的安全性評估方法，也不能夠滿足航空裝備EWIS安全性評估要求。于是，F(xiàn)AA在AC 25.1701-1中給出了兩套評估方法，用于EWIS安全性的結構化分析與評估，采用設計說明、安全性評估、地面試驗、飛行試驗及機上檢查等方法證明：FAR25.1701～25.1733適航條款要求的適用部分，均能得到滿足。

2.3.3 針對EWIS的維護編制持續(xù)適航文件

航空裝備的等級事故及事故征候情況表明：不恰當?shù)木S護、修理和改裝會加速EWIS部件的失效或故障。設計、維修、安裝、改裝人員，只有了解了EWIS的物理及功能信息，才能對裝備實現(xiàn)正確的維修、安裝和改裝。于是，為保持航空裝備或其相關系統(tǒng)的持續(xù)適航，F(xiàn)AA要求針對EWIS的維護編制持續(xù)適航文件。該文件必須明確CDCCL的項目及其維修間隔（即定時更換的EWIS部件），具體要求可參考FAR25.1729。

2.3.4 光纖代替信息傳輸?shù)腅WIS

光纖不是EWIS，但它具有重量輕、抗干擾、傳輸速率高、可靠性好、擴展余度大、拓撲靈活等特點，已經(jīng)成為航空航天裝備數(shù)據(jù)總線的研究和關注焦點。

3 裝備型號EWIS問題的解決方案

3.1 EWIS的組織與管理

成立專門的EWIS設計與研究機構，全面負責型號EWIS全壽命周期內(nèi)的布局與設計、試驗與驗證、使用與維修等技術工作，系統(tǒng)性地統(tǒng)籌規(guī)劃型號EWIS的可靠性、維修性、保障性、安全性、環(huán)境適應性及經(jīng)濟可承受性工作，優(yōu)化型號EWIS的路徑與數(shù)量，制定EWIS器件的選用手冊，主導EWIS的六性分析與持續(xù)改進，研究光纜替換部分EWIS的技術可行性。

3.2 EWIS安全性設計目標

CCAR-25-R4的H分部中第25.1709條款，規(guī)定了大型商用飛機EWIS的安全性必須符合：每個EWIS的設計和安裝必須使得災難性故障狀態(tài)是極不可能的且不會因單個故障而引起，并且每個危險故障狀態(tài)是極小的。不同類型的航空裝備，均應有用戶可接受的EWIS安全性設計目標。該目標，可參考裝備級的安全性目標及CCAR25.1709的規(guī)定來確定。

3.3 EWIS安全性分析

為實現(xiàn)每一EWIS的安全性設計目標，F(xiàn)AA AC 25.1709建議從物理失效和功能失效兩個方面開展EWIS的安全性分析。

物理失效分析只考慮共因事件，其分析范圍是航空裝備上每一EWIS部件（包括娛樂、廣播系統(tǒng)）。該分析應考慮EWIS周圍燃油、氧氣、液壓油等因素的情況下，帶電的EWIS部件發(fā)生過熱、冒煙、釋放有毒氣體或著火等故障模式后，對EWIS部件周圍系統(tǒng)、結構、人員的影響，并據(jù)此確定EWIS物理失效所導致的故障狀態(tài)嚴酷程度，確定相應的緩解措施，例如，隔離、分離、套管保護等，并將嚴酷度等級和發(fā)生的概率降低到可接受的水平。

物理失效的分析，包括EWIS特性的確定、安裝標準（要求或準則）的確認和驗證、減緩措施的設計與確認等內(nèi)容，報告分析的深度隨著研制階段的進展而不斷深入，并與裝備級、系統(tǒng)級的安全性評估交叉進行。物理失效的分析，需要依據(jù)裝備級和系統(tǒng)級功能危險性分析（FHA）、初步系統(tǒng)安全性評估（PSSA)和系統(tǒng)安全性評估（SSA)的結果；需要利用數(shù)字樣機、物理樣機、飛行信息、歷史數(shù)據(jù)等信息；需要采用首件檢驗、設計評審、特定風險分析（PRA）、區(qū)域安全性分析（ZSA）、共模分析（CMA）及區(qū)域檢查（按航空器維修審查委員會報告確定的檢查項目）結果。對于EWIS部件的磨損、腐蝕等物理失效，主要通過設計、安裝和后期維護等措施盡避免；對電弧所造成的二次損傷、火災等安全性影響，應結合歷史數(shù)據(jù)、所采用措施的有效性進行工程判斷。

功能失效分析，主要考慮EWIS部件的功能故障對所屬系統(tǒng)安全性水平的影響。由于EWIS部件通常不獨立具備系統(tǒng)級功能，并且CCAR25部《運輸類飛機適航標準》和FAR25部均要求系統(tǒng)在進行符合性驗證的過程中，需考慮與系統(tǒng)相關的EWIS部件的影響。因此，對EWIS部件的功能故障分析，宜作為所屬系統(tǒng)安全性評估的一部分來開展。

功能失效分析，包括與EWIS相關系統(tǒng)的安全性評估、故障狀態(tài)的確定、衍生的EWIS安全性要求或準則的確認和驗證、減緩措施的設計與確認等內(nèi)容，并結合EWIS物理失效分析的結果，完成EWIS安全性評估報告。功能失效分析的深度同樣隨著研制階段的進展而不斷深入，并與裝備級、系統(tǒng)級的安全性評估交叉進行。功能失效分析主要采用失效模式及影響分析（FMEA）、故障樹（FTA）、CMA等方法，以評估EWIS部件發(fā)生松脫、受潮、銹蝕、過熱、短路、斷路等故障模式對裝備級、系統(tǒng)級功能的影響，給出必要的設計改進措施，措施的有效性至少應進行工程判斷。EWIS功能失效分析所得到的故障影響，應嵌入到功能風險性評估（AFHA）和系統(tǒng)級功能風險性評估（SFHA）中，并根據(jù)需要嵌入到PSSA、共因分析（CCA）和SSA中。

3.4 EWIS設計準則

EWIS設計準則，包括可靠性、維修性、安全性、環(huán)境適應性等方面的內(nèi)容。準則主要來源于3個方面：

● 工程經(jīng)驗和相關標準、規(guī)范與規(guī)章；

● 型號安全性評估過程（FHA、PSSA、CCA）中的要求。例如，為達到FHA中所確定的定量與定性安全性要求，對相關系統(tǒng)的EWIS在特殊風險、電磁兼容、獨立性、隔離與分離等方面所提出的定性安裝要求；

● EWIS的物理失效與功能失效分析。

因此，需要利用SFHA、PSSA、CCA及EWIS安全性分析結果，借助相似型號的經(jīng)驗與教訓，參考MIL-HDBK-516C 、JSSG-2009《航空器子系統(tǒng)》、FAR 25.1701～25.1733等標準、規(guī)章及相關國軍標的要求，制定詳細的EWIS設計準則，以便將EWIS的設計、安裝與維修要求從方案階段開始，通過PSSA、SSA過程，落實到航空裝備中。顯然，設計準則的制定也是一項需要反復迭代的過程，需要隨著研制過程的不斷深入和FHA、PSSA、CCA、SSA的不斷更新而逐步完善。

3.5 EWIS的維護與檢查

應遵照MSG-3《預定維修大綱制定文件》/S4000P《制訂和持續(xù)改進預防性維修任務》、FAA AC25-27《使用增強區(qū)域分析程序開發(fā)運輸類飛機電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)的持續(xù)適航指令》中規(guī)定的區(qū)域分析程序，通過對每個區(qū)域的EWIS開展維護和檢查需求分析，確定相應的維護和檢查項目與執(zhí)行間隔，并列入航空器維修審查委員會報告中。EWIS維護與檢查應達到以下目的：

● 確保航空裝備所有區(qū)域的EWIS均得到檢查；

● 確保EWIS損傷及老齡化問題得到妥善處理；

● 確保閃電/高能輻射場防護系統(tǒng)的完整性；

● 確保EWIS所聚集的易燃物得到有效清除；

● 確保所有EWIS均符合適航審定基礎的要求。

3.6 EWIS標準施工手冊

編制EWIS標準施工手冊，實際上是保障性（產(chǎn)品支援）的要求，其主要目的是便于維護和修理人員正確地理解EWIS的相關信息，實現(xiàn)EWIS正確的維護和修理。該手冊至少包括：

● EWIS識別方法/EWIS更改后的識別方法；

● EWIS電氣負載數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)更新的說明；

● EWIS安裝、固定、路徑及插座、接線、搭接、接地等信息；

● EWIS維護和修理前的預防、注意、警告事項；

● EWIS清洗要求與方法；

● EWIS損傷極限與檢查方法；

● EWIS部件拆卸、修理和安裝程序；

● EWIS維護修理的合格判據(jù)。

4 結束語

本文針對我國現(xiàn)代航空裝備在使用過程中暴露出的電纜設計、安裝和維修等方面的典型問題，研究了國外EWIS的理念與技術發(fā)展方向，提出了在裝備的方案與工程研制階段如何將電纜及其連接部件作為一個系統(tǒng)，將其安全性屬性，通過設計、制造、使用與維護等方式融入到裝備之中，從而保證EWIS在裝備全壽命期內(nèi)的持續(xù)適航能力與安全性水平。

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