損傷與特殊事件分析在民用飛機中的應用研究

周宇霞，楊賓華

(1.上海飛機客戶服務有限公司 科技委辦公室,上海 200241) (2.上海飛機客戶服務有限公司 維修工程部,上海 200241) (3.上海飛機制造有限公司 復合材料中心,上海 201324)

0 引 言

民用飛機在運營期間經常產生結構或系統故障的特殊事件，如鳥撞、重著陸、火山灰等。這些特殊事件會導致結構損傷和系統功能降低或失效。一旦發生特殊事件，必須嚴格根據飛機維修手冊(Aircraft Maintenance Manual，簡稱AMM)05章時限/維護部分進行操作，對相關結構和系統進行必要的檢查[1]。由于涉及到知識產權和技術封鎖等原因，還沒有任何一家民用飛機制造商發布針對特殊事件的分析流程和方法。目前唯一公開發表且可參考的是歐洲宇航與防務工業協會制定《后勤保障分析國際程序規范》(《International Procedure Specification for Logistics Support Analysis LSA S3000L》，簡稱S3000L)[2-3]。該規范第八章損傷與特殊事件分析(Damage and Special Event Analysis，簡稱DSEA)介紹了損傷與特殊事件分析流程。但是，由于該規范是面向所有工業產品開發的，某些內容不適用于民用飛機產品的開發。

當前，國內的民用飛機研發開展得如火如荼，從民用飛機持續適航[4-5]角度出發，維修類手冊是航空器評審組(Aircraft Evaluation Group，簡稱AEG)評審的內容，AEG評審目前是型號合格證(Type Certification，簡稱TC)的前提，民用飛機的DSEA分析直接關系到AMM手冊和TC的結構修理手冊(Structure Repair Manual，簡稱SRM)的輸入問題。因此，國內也逐步開展了特殊事件分析工作的研究[1,6-8]，蔣慶喜等[1]從確定特殊事件維修任務所需考慮的主要因素入手，提出了特殊事件概率的相關計算方法。楊蓓等[7]開展了飛機維修手冊中特殊事件任務研究，分析了特殊事件的類型，并從特定風險方法入手，結合特殊風險分析的實施和輸出，給出了相關任務的編制工作思路。蘇林[8]通過對S3000L 規范進行研究，提出直升機損傷和特殊事件分析的流程和方法。這些研究雖然推動了對民機損傷特殊事件工作的開展，但是離型號任務的開發還有一段較遠的距離。

系統開發民用飛機特殊事件分析理論及方法對科學地編制國產民用飛機AMM手冊05章具有重要的作用。依據S3000L的思路和要求，結合民用飛機設計特點，工程經驗和最新研究工作，本文對S3000L第八章進行裁剪與補充，制定出一套詳細的特殊事件分析流程，并通過某型號民用飛機部分案例進行描述和說明。

1 S3000L與DSEA其他分析活動的關系

夏哲[9]提到，后勤保障相關故障模式影響分析(Logistics Support Analysis Failure Modes and Effects Analysis，簡稱LSA-FMEA)、損傷與特殊事件分析、修理級別分析(Level of Repair Analysis，簡稱LORA)、后勤相關使用任務分析(Logistics Related Operations Analysis，簡稱LROA)、計劃維修分析(Scheduled Maintenance Analysis，簡稱SMA)、維修任務分析(Maintenance Task Analysis，簡稱MTA)統稱“維修工程分析”(基于CAAC習慣以及國際主流，民用飛機主制造商申請型號合格證時，一般用“MSG-3”分析規范[10]來完成SMA部分工作)。按照S3000L的邏輯關系，與LSA-FMEA、MTA、LROA、SMA一樣，DSEA主要產生維修任務清單，再通過MTA完成確定任務的制定及其所需要的資源(航材、耗材、地面支持設備、人員資質和任務時間等)的配置，其關系如圖1所示。DSEA的維修任務清單主要有兩種：一種是產生特殊事件的維修程序(服務于AMM05章)，主要是針對不同的特殊事件所必須進行的各層級的維修檢查任務程序和標準；另一種是提供特殊事件維修程序中的任務清單(服務于AMM20之后的章節)，作為維修任務的輸入。

圖1 DSEA與維修工程分析的關系Fig.1 Relationship between DSEA and maintenance engineering analysis

2 特殊事件分析流程

根據民用飛機設計和運營特點，S3000L相關部分裁剪及改進后特殊事件分析流程如圖2所示。

圖2 特殊事件分析流程Fig.2 Flowchart of special events analysis

2.1 特殊事件分析數據

特殊事件分析應根據《民用飛機研制程序：HB 8525》[11]開展工作。該標準將民用飛機產品與服務研制進程劃分為11個控制點(用G1-G11分別表示11個控制點)，每個控制點獲得批準后，才可以開展下一控制點的工作。從G1機會識別到G11項目關閉審查，特殊事件分析都應參與到各階段工作中。從G4初步技術方案遴選階段即開始特殊事件分析數據的收集工作。根據以往型號工程經驗，特殊事件分析需完成技術數據或分析報告采集(如表1所示)，數據的作用在后續分析過程中介紹。

表1 特殊事件分析數據采集表Table 1 Special events analysis data acquisition

2.2 確定特殊事件

國際主流民用飛機制造商主要依據全球范圍內運營商提供的數據確定需要分析的特殊事件。國內蔣慶喜等[1]對該問題也有研究，但偏重于理論研究。為利于適航取證工作的開展，當前可參考CCAR25《民用航空規章第25部》[5]《民用航空器使用困難報告和調查：AC-121-60》[12]《航空器的持續適航文件：AC-91-11R1》[5]，相似機型的AMM手冊05章，以往民航業運營的經驗[13]及該型號飛機預計運營的環境確定需要分析的特殊事件。

在S3000L中并無特殊事件識別方法的介紹，通過對類似機型的總結以及國內民用飛機運營人的調研，識別飛機特殊事件發生主要有以下四種方法：

(1) 通過飛機飛行手冊(Airplane Flight Ma-nual，簡稱AFM)和飛行機組使用手冊(Flight Crew Operational Manual，簡稱FCOM)和飛機飛行記錄確定，如重著陸等；

(2) 由機務人員根據航前檢查、航后檢查等日常檢查確定如雷擊，或者其他從業人員的報告；

(3) 當局通報或者當地氣象、災害控制部門的通報；

(4) 其他方法(如在飛機運營期間空乘人員發現煙霧)。

2.3 確定項目故障

根據飛機系統與結構選型報告、飛機系統技術FMEA、結構設計報告、工程經驗和運營數據統計等，確定飛機全機系統和結構故障(后面用“項目”表示系統和結構各級別的組合體，如系統、子系統、模塊/單元、附件元件、組件、零件等)。確定全機的項目故障是一項繁鎖又很重要的工作，項目故障的準確與否直接影響最終分析任務。以系統為例，項目故障的確定主要有以下步驟：

(1) 根據飛機系統選型報告梳理出飛機選用的系統；

(2) 根據飛機選用系統的技術FMEA確定其故障；

(3) 根據工程經驗和該系統在類似機型上的運營統計結果完善故障梳理。

全機故障確定項目故障主要有兩個指標：(1) 項目認知度；(2) 故障敏感度。

2.3.1 項目認知度

項目認知度即該項目在民用飛機研發中的推廣程度，反映了主制造或者供應商對該項目的熟悉程度。項目認知度越高，則表明對項目的特性越熟悉，在發生特殊事件時，更能準確判斷該項目是否發生故障。例如，當發生冰雹特殊事件時，目前已經廣泛采用的金屬材料比較容易確定是否發生損傷故障，而剛剛應用的復合材料則比較難于確定是否發生損傷故障。具體項目認知度級別劃分如表2所示。

表2 項目認知度評級表Table 2 Rating for item behavior

2.3.2 故障敏感度

確定項目故障的另一個指標是故障敏感度，該指標反映了項目故障對特殊事件的敏感程度。例如，當項目對特殊事件非常敏感時，如果有特殊事件發生，則需要分析該故障；反之，則無需分析。根據飛機系統與結構選型報告、飛機系統技術FMEA、結構設計報告、工程經驗等梳理出全機項目的故障類型。結構故障類型如表3所示，系統故障類型[14]如表4所示。

表3 結構故障分類表Table 3 Classification of structural failure

表4 系統故障分類表Table 4 Classification of system failure

最終，根據型號任務的推進以及供應商的推薦完善系統故障類型。

對不同故障類型，根據供應商提供的技術報告和運營經驗確定故障敏感度。根據S3000L，故障敏感度的劃分如表5所示。

表5 故障敏感度評級表Table 5 Rating for failure sensitivity

2.3.3 確定項目故障級別

完成項目認知度和故障敏感度后，確定項目故障級別。確定故障級別目的主要是篩選出當特殊事件發生時，可能會發生故障的項目。故障級別綜合反映了項目認知度和故障敏感度等級。根據S3000L和型號工程經驗，故障級別劃分邏輯如表6所示。

表6 項目認知度/故障敏感度等級表Table 6 Rating for item behavior/failure sensitivity

2.4 確定項目影響級別

從民用飛機特殊事件實際運營統計數據出發，結合民用飛機設計特點，為提高分析效率和工作質量，引入影響級別的概念。影響級別是指特殊事件對某區域影響大小的度量，用于確定特殊事件的影響區域。通過影響級別指標，將不會受特殊事件影響的項目篩選出來，進一步減少分析工作量和提高效率，將影響級別指標劃分為三個等級，如表7所示。

表7 項目影響級別劃分表Table 7 Rating for item influenced by special events

2.5 確定需要分析項目

依據對工程經驗相關工作總結，項目是否需確定分析邏輯如表8所示。

表8 確定項目是否分析邏輯表Table 8 Identification logic of items

通過表8，可以確定某特殊事件中需要分析的項目。需要注意的是，表8可隨主制造商的經驗增長而調整。在項目的前期，為了確保飛機的安全性，指標可以偏于保守，后續隨著飛機交付數量的增加，實際運營經驗豐富，指標可以放松。

說明：當“項目故障級別/影響級別”為0時，項目不需在該特殊事件中分析；當“項目故障級別/影響級別”為1時，項目需在該特殊事件中分析。

2.6 確定項目檢查方式

S3000L只說明了如何確定需要檢查的項目，并沒有介紹項目是如何檢查的。為方便編制維修工卡和確保任務的準確、高效地執行，應確定項目的檢查方式。事實上，不同項目的損傷有不同的檢查方式。根據項目故障類型，確定項目檢查方式。結構檢查方式[10]有三種：一般目視檢查、詳細檢查、特殊詳細檢查。除這三種檢查方式外，系統還有功能檢查和操作檢查等方式[10]。檢查方式的選擇應根據檢查對象的故障類型，是否易于接近等確定；并且如發現故障后，為了需要進一步精確定位故障，則可以選擇高等級的檢查方式。

2.7 確定維修任務

S3000L無明確規定項目檢查順序以及邏輯關系[1]。一般情況下，特殊事件發生后，如果有損傷發生，該損傷是比較明顯的，根據某主制造商技術能力以及結合項目檢查難易程度、項目之間聯系、特殊事件因果關系，主要將項目檢查分成兩個階段。

階段一：主要針對一般性的外表檢查，若在階段一檢查過程中無故障，檢查工作結束；若在階段一檢查過程中發現故障，將進入特殊事件階段二，開始進一步細致檢查。

階段二：主要在階段一檢查中發現故障時，拆卸相應口蓋，對項目進行深入檢查，最終形成特殊事件的維修任務。

2.8 驗證特殊事件分析結果

損傷與特殊事件分析輸出對應特殊事件的維修任務，作為MTA和AMM手冊05章“時限/維護”部分輸入。包含發生特殊事件后所需執行檢查任務和他們之間的邏輯關系。分析結果的驗證目的，即為確定整套維修任務的合理性，以便能夠快速、準確、全面的發現特殊事件所造成的飛機結構和系統故障。

因特殊事件發生概率較低，并很難重復，故除極個別強制規定外，一般只能通過書面、軟件、樣機、真機等驗證特殊事件維修任務。

3 案例分析

本文以“冰雹”事件為例，分析X機型機身結構部段。

3.1 確定特殊事件

結合工程經驗，“冰雹”事件需進行分析。當冰雹發生后，飛機執行任務前均要檢查。因此，特殊事件的識別方法為冰雹。

3.2 確定“冰雹”事件中需要分析項目故障

綜上述分析，該指標主要包含“項目認知度”和“故障敏感度”。

X機型機身部段使用的材料均為典型金屬材料，如2000系列、7000系列鋁合金材料等，這些材料已經廣泛應用于飛機結構設計，因此“項目認知度”指標為“0”。“冰雹”事件引起機身結構部段故障主要為“凹坑”，在飛機結構設計時，會考慮到“冰雹”事件對飛機結構的影響，將它控制在允許范圍之內，因此“故障敏感度”指標為“2”。因此通過表5可以看出，“冰雹”事件“項目故障級別”指標為“1”。

3.3 確定“冰雹”事件中需要分析項目

在“冰雹”事件中，機身部段直接暴露于其中，冰雹直接打到機身部段，即特殊事件發生直接影響分析項目，通過表7可以看出，在“冰雹”事件中機身部段“影響級別”指標為2。

“項目故障級別”指標為1，“影響級別”指標為2，通過表8可以看出，“冰雹”事件中機身部段需進行維修任務分析。

3.4 確定“冰雹”事件中項目檢查方式

按照“冰雹”事件中機身部段的材料及其故障，凹坑發生在外表面，維修人員可以直接通過一般目視檢查的方法發現，對于細小的凹坑，可以輔助側向照明等方法一般目視檢查發現，其檢查方式為“一般目視檢查”(階段一)。如果發現凹坑，就可能在結構上發生更進一步的損傷，需檢查凹坑處內部結構及系統(階段二)。

3.5 確定“冰雹”事件中維修任務

按照“冰雹”事件影響的區域，其機身結構部段維修任務如表9所示。

表9 “冰雹”特殊事件的維修任務表Table 9 Maintenance task list for “hail”

4 結 論

(1) 通過建立國產民用飛機損傷與特殊事件的分析方法，量化分析指標，可以有效地、標準地開展民用飛機損傷特殊事件分析工作；

(2) 引入了“影響級別”指標，該指標可以有效地識別出需要分析的項目，降低了工作量，提高了工程師的工作效率和質量。