民用飛機(jī)系統(tǒng)存活性特定風(fēng)險(xiǎn)分析研究

陸 鵬 郭忠寶 劉 艷

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國 上海 201210）

0 引言

特定風(fēng)險(xiǎn)是指破壞系統(tǒng)獨(dú)立性并且影響多個(gè)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)組件以及飛機(jī)乘坐人員（包括乘客和機(jī)組人）安全的事件，一般會(huì)影響飛機(jī)運(yùn)營安全、造成飛機(jī)受損及人員傷亡等事件。特定風(fēng)險(xiǎn)一般來源于兩個(gè)方面，一個(gè)是來源于飛機(jī)本身（如火災(zāi)），另一方面來源于飛機(jī)運(yùn)行的環(huán)境（例如鳥撞）。特定風(fēng)險(xiǎn)的分析目標(biāo)是識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)并通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)要求盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)大小。在民航發(fā)展歷史中，通過統(tǒng)計(jì)事故發(fā)生的概率發(fā)現(xiàn)，特定風(fēng)險(xiǎn)事件對(duì)飛機(jī)運(yùn)營安全的影響十分重要。提高民機(jī)運(yùn)營安全，在設(shè)計(jì)之初就需要對(duì)各特定風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)或者防護(hù)，切實(shí)保障乘客生命安全。一個(gè)型號(hào)的民機(jī)在取得TC和關(guān)閉25.1309條款過程中，共因分析的工作支撐是必不可少的，包括了特定風(fēng)險(xiǎn)分析、區(qū)域安全性分析和共模分析三塊內(nèi)容，這很大程度上決定了該型號(hào)飛機(jī)的安全性能和冗余性，而特定風(fēng)險(xiǎn)分析則占據(jù)了共因分析中將近一半的工作量，對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)中安全性考慮的驗(yàn)證、以及提升改進(jìn)的作用十分重要。

在民用客機(jī)有過多次恐怖襲擊記錄的情況下，作為適航條款明確提出要求并得到局方高度關(guān)注的特定風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)之一的：系統(tǒng)存活性風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)飛機(jī)運(yùn)營的安全性影響不容小覷，該風(fēng)險(xiǎn)是考慮爆炸物對(duì)飛行關(guān)鍵系統(tǒng)的影響，要求互為冗余的飛行關(guān)鍵系統(tǒng)隔離布置，保證互為冗余的飛行關(guān)鍵設(shè)備不被同一爆炸事件同時(shí)損毀，從而使得機(jī)毀人亡是事故不會(huì)發(fā)生。特別是面臨恐怖組織威脅的情況下，更是將爆炸物在民機(jī)安全性設(shè)計(jì)中的考慮提到新的層級(jí)。但是現(xiàn)在我國關(guān)于民用飛機(jī)系統(tǒng)存活性特定風(fēng)險(xiǎn)分析研究的工作還是空白，急需開展針對(duì)系統(tǒng)存活性的特定風(fēng)險(xiǎn)分析研究，以提高民機(jī)安全性，并為民機(jī)順利的適航取證提供支撐。

系統(tǒng)存活性風(fēng)險(xiǎn)的安全性分析工作是保障飛機(jī)在遭受內(nèi)部爆炸物影響的情況下，關(guān)鍵系統(tǒng)仍能夠支持飛行安全。因此，系統(tǒng)存活性風(fēng)險(xiǎn)來源是飛機(jī)飛行中存在的疑似爆炸物，風(fēng)險(xiǎn)原因是爆炸物發(fā)生爆炸，威脅飛行安全。爆炸物爆炸的危險(xiǎn)性在于會(huì)產(chǎn)生沖擊波、熱輻射與破片，破壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)、損毀系統(tǒng)、殺傷人員，嚴(yán)重時(shí)引起災(zāi)難性事故。

1 系統(tǒng)存活性分析依據(jù)說明

1.1 適航條款

關(guān)于爆炸物風(fēng)險(xiǎn)的條款要求是在FAR 25部的§25.795 Security Consideration(安保考慮)(c)(2)中，其中包含了對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)存活性的要求。具體內(nèi)容如下：

§25.795(c)—如果飛機(jī)認(rèn)證的最大載客座位大于60座，或者認(rèn)證的最大起飛重量大于100000磅(45359千克)，則必須符合以下條款：

1.2 系統(tǒng)存活性

（1）除非條件不允許，否則對(duì)保持繼續(xù)安全飛行和著陸所必須的冗余系統(tǒng)必須進(jìn)行物理隔離，距離大于等于以最小隔離距離，該最小隔離距離與機(jī)身直徑有關(guān)，等于球體的直徑，公式如下：

式中：

HO=PAS=§25.365(e)規(guī)定的最大孔洞尺寸，應(yīng)小于20平方英尺；

D=可以表示最小可接受隔離距離的球直徑；

AS=增壓殼體垂直于縱軸的最大橫截面積，單位為平方英尺；

另外，D不需要大于5.05英尺(1.54米)。以D為直徑的球體可以應(yīng)用到機(jī)身內(nèi)的任何地方，但是除了客艙和貨艙的其他區(qū)域，距離達(dá)到一半的球體直徑就可以滿足要求。

（2）如果不能滿足上面(c)(2)(i)部分的要求，必須采取其他設(shè)計(jì)預(yù)防措施以最大程度增強(qiáng)這些系統(tǒng)的存活性。

1.3 咨詢通告

FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)除了發(fā)布以上關(guān)于爆炸物風(fēng)險(xiǎn)的適航條款以外，還針對(duì)性的發(fā)布了AC25.795-7(Survivability of Systems)，該咨詢通告給出了對(duì)系統(tǒng)存活性風(fēng)險(xiǎn)的具體分析要求。

2 系統(tǒng)存活性特定風(fēng)險(xiǎn)分析設(shè)計(jì)

系統(tǒng)存活性風(fēng)險(xiǎn)是考慮在機(jī)身周線內(nèi)任意位置發(fā)生爆炸物爆炸時(shí)，導(dǎo)致I類失效狀態(tài)的互為冗余設(shè)備必須要大于一定的布置距離或者采取規(guī)定的防護(hù)措施，以避免由于同時(shí)喪失互為冗余設(shè)備而導(dǎo)致的I類失效狀態(tài)發(fā)生；而LRBL是對(duì)飛機(jī)上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的爆炸物的情況，將爆炸物放在這個(gè)位置，爆炸的時(shí)候可以最大限度的保障飛機(jī)和人員安全。

對(duì)于系統(tǒng)存活性分析工作：首先應(yīng)對(duì)互為冗余的飛行關(guān)鍵系統(tǒng)開展系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)分析，參考AC25.795-7，冗余系統(tǒng)之間最小隔離距離的公式為：

飛機(jī)中關(guān)鍵冗余系統(tǒng)之間的實(shí)際隔離要求為：直徑為D的球體能夠通過關(guān)鍵冗余系統(tǒng)間的任何一個(gè)部分。

參考AC25.795-7，各區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵冗余系統(tǒng)間的可接受隔離距離如下：

增壓且空間充足的艙，可接受的是完全隔離距離；

未增壓的區(qū)域；在其遠(yuǎn)離座艙的邊界線處，可接受的是完全隔離距離的一半；

空間不足、飛行關(guān)鍵系統(tǒng)高度集中的區(qū)域，要求最大可能進(jìn)行隔離 (例如將冗余飛行關(guān)鍵系統(tǒng)的一個(gè)布置在離客艙或貨艙最遠(yuǎn)的部分，而另一個(gè)布置得盡可能遠(yuǎn))。

示意圖1顯示了必須隔離關(guān)鍵系統(tǒng)的區(qū)域，應(yīng)對(duì)每一個(gè)受影響區(qū)域中飛行關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析其是否符合要求，球體直徑代表可接受的最小隔離。

圖1 要求隔離的關(guān)鍵冗余系統(tǒng)區(qū)域(AC25.795-7)

如果在需要隔離的區(qū)域?qū)θ哂嘞到y(tǒng)的隔離布置，難以達(dá)到最小隔離距離要求，那么對(duì)其中一個(gè)互為冗余的系統(tǒng)采取防護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)同一區(qū)域內(nèi)至關(guān)重要的部件采取防護(hù)設(shè)計(jì)。對(duì)于成對(duì)的、但不是完全互為冗余的系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)功能相對(duì)重要的系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，以確保“單一事件同時(shí)損壞互為冗余關(guān)鍵系統(tǒng)”的發(fā)生概率很低，保障系統(tǒng)存活性，防止爆炸導(dǎo)致機(jī)毀人亡災(zāi)難性事故的發(fā)生。

具體防護(hù)設(shè)計(jì)要求如下：

（1）系統(tǒng)防護(hù)和/或自身防護(hù)可接受的抵御碎片沖擊能力為：1.27cm（0.5inches）直徑的 2024-T3 鋁球以 131m/s（430feet/s）速度的撞擊后，系統(tǒng)不會(huì)失效。0.23cm（0.09inches）厚的2024-T3鋁板就能夠提供相等水平的保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能在系統(tǒng)和可能安放爆炸物的位置之間設(shè)置永久性阻礙，以提供碎片防護(hù)。阻礙上的任何特定點(diǎn)只需要抵御一次那樣的沖擊。

（2）系統(tǒng)所安裝的結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)位移也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮可以最小化此類風(fēng)險(xiǎn)的特征，如在系統(tǒng)和/或其安裝中考慮結(jié)構(gòu)彈性特性等要求。在缺乏試驗(yàn)依據(jù)和理論支撐或特殊環(huán)境的情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮在受保護(hù)區(qū)域內(nèi)的任意位置（那些發(fā)生位移后就超出機(jī)身周線的位置除外）受到單點(diǎn)力作用，在任意方向可以至少相對(duì)位移6inch(15.24cm)（即在需要保護(hù)區(qū)域的任意位置，受到單點(diǎn)力作用在任意方向發(fā)生至少6inch(15.24cm)的位移，仍然處于受保護(hù)區(qū)域）。

（3）此防護(hù)要求是為系統(tǒng)提供遮護(hù)結(jié)構(gòu)，以防護(hù)爆炸碎片的威脅，但不需要防護(hù)爆炸壓力。FAA經(jīng)過測(cè)試指出：爆炸壓力不會(huì)影響系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)開展針對(duì)爆炸壓力的防護(hù)將會(huì)增加損害，而不是減輕損壞。因此，對(duì)爆炸碎片的防護(hù)并不是絕對(duì)必要的，以允許爆炸壓力在沒有阻擋的情況下通過。

另外，F(xiàn)AR25部的其它部分也包含了直接或間接的系統(tǒng)隔離要求， 包括：25.729(f)“Protection of equipment in wheel wells”、25.903(d)“Turbine engine installations”和 25.1707“System separation:EWIS”。 如果系統(tǒng)存活性隔離要求與這些要求發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先考慮滿足這些條款的要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)采用其它措施(例如，增加防護(hù)設(shè)計(jì))最大可能提高系統(tǒng)存活性。

3 結(jié)語

本文在深入研究適航規(guī)章和咨詢通告的基礎(chǔ)上，首次對(duì)民用飛機(jī)中的系統(tǒng)存活性特定風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析研究，結(jié)合爆炸物風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生機(jī)理、特點(diǎn)、成因，提出預(yù)防和減小爆炸物風(fēng)險(xiǎn)事件危害的有效設(shè)計(jì)措施。

[1]李愛軍,武堅(jiān),王長青.飛機(jī)系統(tǒng)安全評(píng)估技術(shù)的發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2012（22）.

[2]FAR 25[S].

[3]AC25.795-7[S].