民用飛機功能可靠性評估方法

楊學蕊

摘 要

運營可靠性是航空企業可靠性設計中最核心的指標之一，提高民機可靠性可以降低研制成本和運營費用。為了達到這一目標，需要研究一種方法能夠在設計階段有效控制運營可靠性指標。因此，從功能失效狀態入手，借鑒功能危險性評估的工作理念，提出分解和驗證運營可靠性指標的方法和流程，提高飛機投入市場后的運營可靠度，增強市場競爭力。

關鍵詞

可靠性;運營可靠性;功能危險性評估;功能可靠性評估

中圖分類號： V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 56

0 引言

民用飛機具有周期長、復雜度高、市場競爭激烈、重視成本及運營經濟性等特點[1]，因此民機的運營可靠性是最受業界和航空公司關注的指標之一，也是民機可靠性設計中最核心的指標之一。運營可靠度是與運營可靠性有直接關聯的可靠性指標，現階段國內設計工作中對該指標的設計實現方式，是從確定整機運營可靠度開始，然后依據工程經驗向系統、設備進行分解分配，之后再反向預計，迭代修改分配結果。通過型號工作發現，該方法對飛機的設計不是一種正向指導性設計，在設計階段對提出的運營可靠性指標進行控制和驗證時，比較困難，在設計階段對指標實現工作的管控力度欠缺且方法單一，造成在飛機投入運營后才暴露出運營可靠度低的問題，使運營成本增加，直接影響了飛機的市場競爭力。

因此有必要研究一種在設計階段提高飛機運營可靠度的設計方法。通過廣泛調研并參考SAE ARP 4754A[2]、國際同行做法等工作，本文提出了功能可靠性評估（FRA）方法，該方法從功能失效狀態入手，借鑒功能危險性評估（FHA）工作理念[3-4]，在設計階段提出明確的可靠性定量要求，通過故障樹分析（FTA）和失效模式與影響分析（FMEA）等手段，對影響運營可靠性的設備失效率進行直接控制，提高飛機的運營可靠度。

1 功能可靠性評估方法

功能可靠性評估（FRA）是基于功能危險性評估（FHA）開展的運營可靠性分析方法。FHA單純從安全性影響的角度考慮，使本來應該作為最低設計目標（滿足適航要求）的安全性設計目標，成了我們的一般設計要求。但有些失效狀態雖然安全性影響不大，但會造成飛機不能簽派或在空中備降，這會大大增加航空公司的運營成本，因此需要嚴格控制這類失效狀態的發生概率。FRA就是在FHA基礎上綜合考慮可靠性、維修性等因素，給出一個更加嚴酷的設計目標，以增強飛機投入運營之后的市場競爭力，樹立良好的市場口碑。

FRA是一個自上而下的分析方法，關鍵是確定功能和失效狀態并評估其影響。由于FHA已經確定了飛機和系統功能和相關的失效狀態，因此，FRA以FHA為基礎，確定各失效狀態對運營的影響，主要包括以下內容：

（1）識別需要分析的失效狀態;

（2）分析失效狀態對飛機運營的影響;

（3）確定失效狀態的可靠性影響等級;

（4）確定每一個可靠性影響等級對應的概率要求;

（5）提出用于驗證失效狀態要求的符合性方法。

1.1 識別需要分析的失效狀態

基于FHA建立的飛機/系統失效狀態清單，識別需要進行功能可靠性評估的失效狀態。可根據失效狀態的安全性和可靠性影響等級對應的概率要求來進行篩選，例如，假設安全性HAZ類的概率要求比可靠性最高等級的要求還要嚴格，那么可以只篩選出安全性影響等級為MAJ、MIN、NSE類的失效狀態來進行功能可靠性評估。識別后的失效狀態列表如表1所示。

1.2 分析失效狀態對飛機運營的影響

進行功能可靠性評估應確定各失效狀態對飛機運營的影響，可以從失效狀態對飛機、機組和乘客的影響，機組發覺方式，機組/維修措施和采取措施后的飛機狀態等幾個方面進行分析判斷，如失效狀態是否會導致飛機不能準時簽派，是否會導致飛機飛行狀態發生改變，是否對機組成員身體造成傷害，是否對乘客身體造成傷害，以及是否降低了乘客的舒適度等。失效狀態的影響分析也應包括駕駛員發現失效狀態的方式以及駕駛員針對失效狀態可采取的應急措施。分析示例如表2所示。

在對每一條失效狀態進行分析時，可參考以下原則：

（1）飛行階段。如果同一功能故障在不同階段對飛機或人員產生的影響不同，則在分析中要分別列出。

（2）飛行安全。如果再發生一個相關聯的失效狀態，是否會導致災難性事件發生？如果是，則機組需要執行緊急降落或返場等操作，該航班無法完成本次飛行任務。

（3）乘客舒適度。發生該失效狀態后，考慮最嚴酷情況，是否會超出乘客的生理承受極限？如果是，則簽派員會做出不準許放行的指令，或者機組需要執行緊急降落或返場等操作，該航班無法完成本次飛行任務。

（4）機組決策。機組對失效狀態的處置程序如圖1。機組通常首先由系統警告得知失效狀態的發生，此時機組首先要做的并不是對故障做出處理，而是首先要確保自己獲得飛機的控制權，并且保持飛機的航徑穩定。機組需要控制或監控飛機的姿態，確保飛機按照正確的姿態、坡度、空速、推力飛行。在此基礎上，按照訓練和手冊要求執行檢查單進行故障處置。在執行檢查單后，機組將對失效是否需要飛行中斷做出判斷，除飛行手冊明確寫明“盡快著陸”之外，機組往往不會直接做出飛行中斷的決策，而是與公司溝通，在充分分析當前狀況的情況下做出是否中斷的決定，以便盡可能減少航空公司的損失。

（5）機務決策。發生故障后飛機放行操作流程如圖2所示。DOM手冊里確定為GO和GO IF的失效狀態，在滿足條件要求的情況下可以帶故障飛行，不會影響本次飛行任務，但如果是NO GO項，或者不滿足限制條件，那么飛機不會被放行。這時，需要進行維修，那么需要考慮是否能在過站時間+15分鐘內修復完畢？如果不能，則可能導致航班延誤甚至取消。

1.3 確定失效狀態的可靠性影響等級

應根據失效狀態對飛機運營的影響程度，確定失效狀態的可靠性影響等級。一般可分為3類：飛行中斷（FI）、簽派中斷（DI、無運營影響（NOE）。各影響等級的影響描述如表3所示。

根據表3對失效狀態可靠性影響的分析，對照表4的影響等級，可以得出失效狀態對應的可靠性影響等級判斷結果，如表4所示。

1.4 確定可靠性影響等級對應的概率要求

失效狀態的可靠性影響等級對應的概率要求由可靠性頂層設計要求決定，不同機型會有所不同。假設在空中飛機級可靠性設計目標是99.98%，那么飛行中斷這一失效發生的飛機級設計目標即為2×10-4/起落，假設全機有一百個導致飛行中斷的失效狀態，根據公式（1）。

計算可得，飛行中斷在失效狀態層級的概率要求即為2×10-6/起落，再假設平均航段時間為10小時，則飛行中斷在失效狀態層級的概率要求即為2×10-7/飛行小時。同樣可得到簽派中斷這一影響等級的失效狀態層級概率要求。表5給出了某型民用飛機失效狀態的可靠性影響等級和概率要求的對應關系。

1.5 提出符合性驗證方法

開展功能失效分析，列出功能清單，分析每一功能可能對運營產生的影響，根據失效狀態影響等級確定可靠性設計目標，及失效分析的深度和分析方法：針對影響等級為空中中斷和地面中斷的失效狀態，應該采用FTA及FMEA進行定量分析;針對影響等級為無運營影響的失效狀態，可以通過設計和安裝評估進行驗證。最后，給出驗證結論，針對不滿足可靠性要求的情況采取改進措施或重新設計。

2 優化方法

通過對功能可靠性評估指標的驗證，有些功能失效狀態無法達到要求，這種情況下，可以通過以下方式進行調整和優化：

（a）提高設備或組件的固有可靠性，如通過高加速壽命試驗（HALT）和高加速盈利篩選（HASS）等可靠性試驗增加設備或組件的MTBF值。

（b）提高維修效率，優化維修程序，縮短維修時間。

（c）修改MMEL清單[5]，如減少NO GO項數量，增加MMEL項的維修周期等。

3 總結

運營可靠性是國際民航運輸行業衡量機隊/飛機運營效率的最重要的參數之一。本文以功能失效狀態為分析對象，提出了功能可靠性評估方法，可以在設計階段對影響運營的設備失效率進行直接控制，提高了運營可靠度，增強了我國民用飛機的市場競爭力，為后續型號應用提供基礎。

參考文獻

[1]Prasad VR， TillmanFA， HwangCL. Optimal Reliability Design： Fundamentals and Applications [D].Cambridge University Press， 2001.

[2]SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and System[S]. SAE International， 2010.

[3]李偉，鄭智明.民用飛機安全性分析研究[J].科技咨詢，2015，19：49-50.

[4]賀娜.民用飛機系統功能危險性評估[J].軟件導刊，2015，14（8）：49-51.

[5]包麗，韓冰冰，包健波.民用飛機初始主最低設備清單的制定[J]. 科技創新導報，2013（10）：55-58.