基于蒙特卡羅方法的限時降級放行影響因素分析

楊曉軍 陳羽 吳幸星

摘要：研究限時降級放行分析對商用飛機以及航空發動機系統的安全性分析具有重要作用，可為適航當局提供適度超前的技術支持。本文建立了LEAP航空發動機電子控制系統模型，通過蒙特卡洛方法進行限時降級放行分析，分析不同維修策略、控制規律、電子控制系統成熟度。結果表明：嚴格維修策略可以縮短系統帶故障運行的時間，降低系統平均LOTC率，進而提高放行間隔時間；控制規律會影響系統構型，不同系統構型具有不同冗余單元，可通過降低串聯單元提高系統可靠性；電子控制系統的成熟度高，長時放行間隔長，系統可靠性高。

關鍵詞：限時降級放行；蒙特卡羅方法；長時放行間隔；影響因素

Keywords：limited time dispatch；Monte Carlo method；long-term release interval；influencing factors

0 引言

全權限數字電子控制（FADEC）系統與傳統機械液壓式控制方式相比具有發電機性能高、燃油消耗低、維修成本低等優點[1]。FADEC系統的關鍵回路和重要功能通過增加冗余部件提高系統可靠性和可放行性[2，3]。在冗余部件存在故障時，系統可以帶故障運行一段時間[4]，美國聯邦航空管理局頒布了規范性文件用于分析限時降級放行（TLD）[5]。目前TLD分析方法主要有三種，分別為時間加權平均法（TWA）、馬爾可夫模型法（MM）以及蒙特卡羅（MC）仿真方法。時間加權平均法為計算失效故障率之和，計算精度低；馬爾可夫模型法在多故障情況下存在難于求解的問題；基于大數定律的蒙特卡羅仿真方法是分析多故障的主要方法[6，7]。

目前，國內外通過蒙特卡羅仿真方法解決FADEC系統的多故障問題[8，9]，但仍然存在兩方面的不足：多數研究模型僅建立簡單可靠性模型，并沒有針對實際航空發動機電控系統模型進行研究；針對限時降級放行影響因素研究較少。為此，本文建立了LEAP航空發動機FADEC系統，采用蒙特卡羅方法進行仿真分析，并通過維修策略、控制規律和電子控制系統成熟度討論影響放行間隔時長因素，從而解決實際多故障下FADEC系統的TLD分析問題，彌補現有研究的不足。

1 維修策略分析

基于最小設備清單（MEL）的多故障維修策略和基于定期檢查報告（PIR）的多故障維修策略主要分析4種維修策略。為便于說明，將A、B、C故障單獨存在時設為長時放行級別；AB故障同時出現設為短時放行級別；ABC故障同時發生設為禁止放行級別，故維修期限分別為t3、t2和t1。

1）基于MEL維修策略

維修策略1：根據故障期限，依次修復最高級別的故障。如圖1所示，在該維修策略下t1時刻修復故障C，t2時刻修復故障B，t3時刻修復故障A。

維修策略2：無論之前出現何種故障，首次到達故障維修期限時立即修復系統存在的所有故障。如圖1所示，首先到達t1，則修復A、B、C所有故障。

2）基于MEL和PIR的維修策略

維修策略3：隨時監控ST故障，對于LT故障，在維修間隔時間內檢查，而對應故障期限僅修復對應故障。如圖2所示，假設檢查時間間隔為tLT1-tLT2，LT故障發生時間為檢查時間間隔中點tA，維修截止時間設為t2。

當tLT2≤tB≤t2時，即在定時檢查間隔結束前檢測到故障A，在維修間隔結束前發生故障B。當AB組合故障為禁止放行，則需要在t1時刻之前維修，否則在t2時刻維修故障A，在t3時刻維修故障B。

當tB≤tLT2時，即監測到故障B，并且在定時檢查間隔檢測到故障A。當AB組合故障為禁止放行，則在t1（t1=tLT2）時刻維修故障A和故障B，否則在t2時刻維修故障A，在t3時刻維修故障B。

3）基于PIR的維修策略

維修策略4：LT故障和ST故障對應的維修檢查間隔分別為tLT1-tLT2和tST1-tST2，維修截止時期分別為t2和t1，對于禁止放行構型，在所有檢查時間點都進行檢查。如圖3所示，假設AB組合故障為禁止放行構型，則在tST2時刻修復所有故障，否則在t1時刻維修故障B，在t2時刻維修故障A。

2 針對實際FADEC系統進行建模及TLD分析

LEAP發動機與CFM56系列發動機相比，具有更低燃油消耗率、更低碳氮排放量、低噪聲、高可靠性等突出優點，因此本文選擇LEAP發動機的FADEC系統進行TLD分析。FADEC系統的工作任務是通過飛機傳來的指令實現對發動機的控制，并將發動機信息傳遞給飛機用于狀態監控和維修維護[10]。

LEAP發動機控制系統部件包括電子發動機控制單元（EEC A和EEC B）、壓力子系統（PSS）、DMS、燃油計量裝置（FMU）、分離控制單元/伺服閥組件（SCU）、PMA、若干發動機傳感器、可調靜子葉片作動機構（VSV）、可變引氣閥門作動機構（VBV）、過渡態放氣閥門作動機構、可調渦輪冷卻控制閥門、啟動引氣控制閥門、高壓間隙控制作動機構（HPTACC）、低壓間隙控制作動機構（LPTACC）、2個點火激勵器、短艙防冰控制系統、反推控制系統（T/R和TLA）、振動監測系統、EEC冷卻控制系統等，如圖4所示。建立的FADEC系統可靠性模型如圖5所示。

3 影響TLD批準因素

3.1 維修策略對TLD分析結果的影響

針對實際LEAP發動機的FADEC系統，采用蒙特卡羅仿真方法分別對上述4種維修策略進行建模仿真分析。如圖6所示，在滿足平均可靠性要求條件下，維修策略2帶故障運行長時放行間隔更長，說明該維修策略可靠性更高，系統LOTC率更低。同時，在實際的FADEC系統所有故障中，長時故障比短時故障所占比重更高。因此，實際FADEC系統的LOTC率增漲幅值隨著長時放行間隔延長而增加。

3.2 控制規律對TLD分析結果的影響

發動機的控制規律也稱為發動機的調節規律，主要指被調參數隨著油門桿位置變化和外部干擾因素而產生相應變化的規律[11]。控制規律的研究影響到FADEC系統的運行性能、經濟性能和安全性能等[12]。

1）地面慢車狀態

3）TLD分析結果對比

如圖8所示，在維修策略2下，基礎構型的FADEC系統平均故障率大于地面慢車構型，也大于空中巡航構型。其中滿足系統平均可靠性要求的最大LTD間隔分別為1175.65FH、1181.95FH和1187.91FH。同一維修策略下不同控制規律構型的LOTC率不同，這是因為不同控制規律的系統構型存在差異，地面慢車狀態系統構型比基礎構型少了N1單元，空中巡航狀態系統構型比基礎構型少了推力位置信號單元，因此，降低串聯單元可以提高系統可靠性，提高長時放行間隔。

3.3 電子控制系統成熟度對TLD分析結果的影響

局方批準的入門級系統的最大短時降級放行間隔為125h，最大長時降級放行間隔為250h，而成熟級系統的最大降級放行時間要根據系統、分析和服務經驗而定，因此以短時放行間隔125h和250h作為對比進行討論。如圖9所示，在滿足平均可靠性要求下，長時放行間隔分別為920.4h和1187.9h，可見對于成熟級越高的系統，長時放行間隔越長，系統可靠性越高。

4 結論

本文針對LEAP發動機的FADEC系統建立了模型單元數達110個的可靠性模型，總結了4種復雜維修策略，由于不同維修策略對多故障狀態的處理方式不同，對系統帶故障運行時間有較大影響，較為嚴格的維修策略系統帶故障運行的時間更短，系統平均LOTC率更小，相應的放行間隔時間可以增長；分析了控制規律對TLD分析結果的影響，由于控制規律會影響系統構型，不同系統構型具有不同冗余單元，降低串聯單元和增添冗余單元都是提高系統可靠性的方法；分析了電子控制系統的成熟程度的影響，系統越成熟，長時放行間隔越長，系統可靠性越高。FADEC系統的可靠性越高，進而可以在滿足適航規定的可靠性要求下進一步提高長時故障降級放行間隔。

參考文獻

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[12] 吳幸星. 發動機電子控制系統限時降級放行建模方法研究[D].中國民航大學，2018.

作者簡介

楊曉軍，教授，研究方向：航空發動機適航與維修。

陳羽，碩士研究生，研究方向：航空器持續適航與維修。

吳幸星，碩士，研究方向：發動機電子控制系統適航審定。