民机发动机转子爆破系统安全性设计与分析方法

梁磊

(上海飞机设计研究院,上海 200120)

民机发动机转子爆破系统安全性设计与分析方法

梁磊

(上海飞机设计研究院,上海 200120)

本文结合民机研制的一般过程介绍了发动机转子爆破系统安全性设计与分析流程,并重点阐述了发动机转子爆破危害识别方法,以帮助提高民机发动机转子爆破安全性设计水平和适航取证能力。

民机 转子爆破 安全性 剩余风险

民机转子爆破是由于涡轮发动机损坏产生高速、高能量的碎片，这些碎片能够穿透邻近结构、燃油箱、机身、系统设备以及飞机上其他的发动机等，对飞行安全造成极大风险。发动机转子爆破安全性设计与分析应在整个飞机的设计阶段进行开展，以确保飞机的设计充分考虑了转子爆破防护。

1 转子爆破分析流程

飞机的设计一般要经过概念设计，初步设计，详细设计，制造安装以及试飞运营几个阶段。以下从各个阶段介绍民机在设计过程中所要开展的转子爆破分析工作。图1为民机发动机转子爆破安全性设计与分析在各个设计阶段的流程。

1.1 概念设计阶段

在概念设计阶段，主要是确定分析目标并进行初步设计考虑。由于在概念设计阶段需要初步确定飞机的布局，对于防转子爆破设计考虑，主要考虑发动机转子相对于关键系统和区域的位置，包括与其他发动机的位置，燃油箱的位置，增压舱机翼主要结构的位置等。

1.2 初步设计阶段

初步设计阶段，需要全面设计与布置各种机载设备，各种系统以及主要承力结构等。这一阶段也需要更详细的防转子爆破设计考虑。这些设计考虑应形成可操作的设计需求以传递到各系统的设计过程中。此外，随着飞机级和系统级功能危险性分析(FHA)及故障树分析(FTA)的完善，处于转子爆破影响区域的系统功能独立性可能受到转子爆破的破坏。因此FHA和FTA功能独立性要求也会对转子爆破产生设计需求。这些需求应形成统一的要求文件传递到系统设计。当获得发动机转子碎片的基本参数，就可以根据AC20-128的要求建立发动机转子爆破碎片模型。根据碎片模型和设计需求，各系统在设计时就可采取合理的预防措施来尽量降低发动机转子爆破产生的危害。

1.3 详细设计阶段

详细设计阶段，随着各系统设计深入，需对系统设计需求进行完善。同时防转子爆破设计措施也需要不断进行迭代反复以确定最终的最佳方案。虽然系统设计时已采取措施尽量降低转子爆破的危害，但是完全消除转子爆破造成为危害是不现实的。因此在此阶段需要对转子爆破风险进行评估，即识别还可能存在的危害，并计算剩余风险的大小以确定风险大小是否满足要求。

1.4 制造安装阶段

详细设计阶段确定各系统设备的最终设计方案后，系统设备将转入制造安装阶段。在此阶段，需结合区域安全分析对系统制造安装防转子爆破进行验证，检查系统是否按照设计措施进行制造安装，系统设备的隔离距离是否满足设计需求等。

图1 民机发动机转子爆破安全性设计与分析流程

2 发动机转子爆破危害识别

发动机转子爆破危害识别应采取自下而上的方法，即先确定可能被转子碎片击中的设备，然后分析该设备损害对系统产生的影响，最后确定这样的系统影响对整个飞机的安全飞行造成的危害[1]。由于转子爆破影响区域一般范围较大，影响设备繁多，直接从设备识别转子爆破危害是难以完成的。因此转子爆破危害识别可以分为系统级和飞机级两个级别进行。

2.1 系统级发动机转子爆破危害识别

系统级转子爆破危害识别首先应确定系统中可能被转子碎片击中的设备及其击中的角度范围。各系统使用发动机转子爆破碎片扫掠路径模型对布置于转子爆破影响区域内的设备进行逐个检查，确定设备被碎片撞击的进入角和退出角[2]。当确定系统各设备的平动风险角后，根据系统SFHA(功能危险性分析)和SFTA(系统故障树分析)等分析该设备损坏后对系统的影响。

2.2 飞机级发动机转子爆破危害识别

当系统级发动机转子爆破危害识别完成后，综合各系统发动机转子爆破可能造成的失效状态从而分析这些系统级失效状态最终对飞机造成的影响。对于某些系统状态来说，其转子爆破风险角范围可能存在重合。这表明转子爆破可能同时导致这些系统失效状态发生，应根据飞机级FHA和FTA分析这些组合失效对飞机的影响。例如：在单独系统级失效状态分析时，丧失两套液压源是II类失效(即危险级失效)，单侧发动机丧失推力是III类失效(即较大失效状态)。由于二者发动机转子爆破风险角有重合，其同时发生时会导致整机单发失效且丧失方向舵偏航控制，该飞机级失效状态为I类(即灾难级)。

对于发动机转子爆破安全性分析得出的灾难性失效状态应按照转子爆破咨询通告20-128A所建议的方法计算剩余风险。如果计算的风险水平超出可接受的风险值，则应对相应系统进行设计修改或者增加保护措施，直到风险水平符合要求。

3 结语

本文结合民机研制的一般过程介绍了发动机转子爆破系统安全性设计与分析在民机概念设计、初步设计、详细设计、制造安装以及试飞运营等各个阶段的主要工作内容，说明了发动机转子爆破设计需求到系统设计的传递过程。并重点阐述了发动机转子爆破危害识别方法，对提高民机发动机转子爆破安全性设计水平和适航符合能力有借鉴意义。

[1]王勤超.减小飞机发动机转子爆破危害的设计方法初探[J].科技信息,2013:390-392.

[2]修忠信等.民用飞机系统安全性设计[M].上海:交通大学出版社,2013.