輕型運動飛機結構系統安全關鍵度研究

龐義梅 郭晴宜 佀慶民 付 帥 張 黎

（鄭州航空工業管理學院民航學院，河南 鄭州450046）

1 概述

通用飛機已經成為航空產業中一支新的生力軍，并且具有廣闊的市場和應用前景。相比通用航空業的快速發展，我國在通用航空器質量診斷與健康監測技術、質量安全與可靠性技術等方面的關鍵技術和管理方法尚不完善，亟待加強。尤其是隨著中國通用航空業的迅猛發展，近年來事故頻發，且事故起數和死亡人數均呈上升趨勢，安全形勢嚴峻[1-2]。

通用航空市場不斷擴大的同時，多型號固定翼輕型運動飛機面世，但輕型飛機的快速發展和事故頻發，彰顯當前輕型飛機在安全性方面還有很多不足，很多問題還需要探索和研究，給其初始適航階段的可靠性設計和持續適航階段的動態健康管理提出了新的更高要求[3]。在輕型運動飛機的本質安全設計、可靠性設計、可靠性分配優化、安全性可靠性水平動態評估、健康監測、動態健康管理等方面有極大需求，亟待開展深入研究。

2 輕型運動飛機的結構系統分析

本文主要從結構系統建立輕型運動飛機安全性驗證評估技術體系，結構系統組成見表1。

表1 結構系統組成

3 飛機結構系統安全關鍵度的研究

當一產品單元在某時刻開始工作到t 時刻時事故發生的概率為：

式中事故發生率函數λ（t）決定了F（t）的分布形式。

當事故發生率為常數，λ（t）=λ 時，事故發生概率服從指數分布：

為了更好的分析輕型運動飛機的結構安全性，本文采用常用的FMEA 定量分析與FMECA 定性分析相結合的方法。

危害度的計算公式為：

產品危害度可由下式計算：

n 為該產品的故障模式總數，j=I，II，III，IV

∑Cmi（j）——產品在第j 類嚴酷度類別下的所有故障模式的危害度之和

計算公式為：

基本故障率λp計算公式為：

式中：∑t 為故障部件累計故障時間；N 為故障部件在累計工作時間內的故障次數

關鍵度（S）計算模型為[4]：

式中：Cr（j）為產品的危害度，f（t）為產品的故障概率。由于產品本身的特點，其故障分布也會有所差異。當產品故障分布服從指數分布時：

當產品故障服從威布爾分布時：

4 實際應用（以某電動輕型運動飛機為例）

該輕型運動飛機最大巡航速度可達150 公里每小時，最高升空距離3000 米，最大起飛重量為480 公斤，可滿足兩個人乘坐，飛機起飛距離290 米，著陸距離為560 米。它是國內第一個正式申請型號合格審定的電動輕型運動飛機，也是中國民用航空局（ CAAC）正式受理審定的第一個電動輕型運動飛機型號。

經分析可得結構系統的主要部件，如表2。

根據表2 分析得出的關鍵部件，其服從的分布函數和相關參數見表3。

表2 結構系統主要部件危害性分析表

表3 關鍵部件相關參數表

根據公式（9）和公式（10）可以算出前起上支柱、滾針軸承和前起扭臂的關鍵度分別為3.53×10-11，2.138×10-8，7.81×10-10。其中，滾針軸承在危害度為Ⅰ的情況下關鍵度為2.611×10-9，在危害度為Ⅱ的情況下關鍵度為1.877×10-8，所以其關鍵度為兩者之和。由上述分析和滾針軸承關鍵度最高，說明其安全性越低，因此在飛機的制造過程中，應加強對滾針軸承的制造并使用較高強度的制造材料，提高其抗磨損能力。

5 結論

基于對輕型運動飛機事故的分析，建立安全關鍵度的研究，對輕型運動飛機事故的預防有重大的理論指導作用和實踐意義。輕型運動飛機的快速發展和事故頻發，章顯其在安全性方面還有很多不足，并且很多問題還需要探索和研究。本論文分別建立故障時間概率分布函數、危害度和關鍵度三個計算模型，得出影響整個飛機安全性的主要部件。通過對某輕型運動飛機的結構系統分析，得出滾針軸承的關鍵度最高，所以未來我們在設計時要重點考慮加強該部件的強度，降低其關鍵度，提高安全性。