飞机阻力伞意外打开可靠性分析

冯蕴雯, 郝恒, 薛小锋, 魏宇宏

(1.西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072; 2.中航飞机 西安飞机分公司, 陕西 西安 710089)



飞机阻力伞意外打开可靠性分析

冯蕴雯1, 郝恒1, 薛小锋1, 魏宇宏2

(1.西北工业大学 航空学院, 陕西 西安 710072; 2.中航飞机 西安飞机分公司, 陕西 西安 710089)

阻力伞通常都设计成伞舱门打开阻力伞自动放出,针对飞机阻力伞舱门意外打开故障,以阻力伞机构工作原理为基础,分析得到导致该故障模式的故障原因分别为动力源失效、使用中安全锁定深度不够、弹性元件共振和构件强度刚度不足等,构建了阻力伞意外打开故障树,提出了相应的可靠性分析模型。对某型飞机阻力伞意外打开故障开展了可靠性分析,提出了改进建议与改进方向，为飞机阻力伞机构设计提供有益参考。

阻力伞;意外打开;故障树;可靠性分析

阻力伞作为高速飞机安全着陆的重要结构功能件,意外开伞或不能开伞均是其重要故障,特别是意外开伞更可能引起重大飞行事故。飞机完成训练和作战任务后返场着陆,打开阻力伞,能立即产生很大的减速力,辅助机轮刹车,使飞机减速,缩短飞机着陆滑跑距离[1]。若飞机在起飞滑跑、正常飞行过程中阻力伞舱门意外打开导致开伞,飞机阻力会突然增大从而导致飞机失去控制,严重威胁飞行安全[2]。

目前针对阻力伞机构的研究主要集中在实现机构功能和确定机构形式的阻力伞机构设计方面,如文献[3]对阻力伞设计要求、机构组成及工作原理进行了详细阐述,文献[2,4-6]根据阻力伞使用反馈及故障分析,对阻力伞机构进行改进设计,仅有文献[1]对阻力伞可靠性评定时需要考虑的零部件可靠性、操作可靠性和多次使用可靠性的问题做了简单讨论。也有一些学者对卫星、飞船降落伞系统进行了可靠性指标分配及可靠性评估方法研究,文献[7]对自动打开式降落伞进行可靠性设计时按照“比例分配法”对可靠性指标进行分配;文献[8-10]对降落伞系统可靠性评估方法进行了研究,给出了多种形式的降落伞系统可靠性评估方法,文献[11]在分析飞船降落伞系统自身特点和冷贮备模型局限性的基础上,采用事件树方法,建立了更为精确的飞船降落伞系统的可靠性模型。目前尚未见到通过故障原因及故障机理对阻力伞或者降落伞进行可靠性分析的相关报道,鉴于飞机阻力伞意外打开会严重威胁飞行安全的事实,有必要探讨飞机阻力伞舱门意外打开的故障原因,进而为高可靠的阻力伞机构设计提供理论参考。

1 阻力伞机构放伞工作原理

阻力伞安装在机身尾部,打开机构工作原理如图1所示。

在飞机着陆时,驾驶员操纵放伞按钮,阻力伞机构的放伞爆燃管爆炸,推动顶杆将锁定拉杆从拉杆槽中顶出,阻力伞舱门打开,阻力伞靠自重从伞舱掉下打开。

弹簧的作用是在舱门锁定状态给拉杆提供锁定力,使拉杆保持在锁定位置;标志杆的作用是在舱门关闭锁定状态下从外部目视舱门是否锁定到位;定位销在舱门打开关闭时起到限制拉杆位置的作用;卡环打有通孔,拉杆从通孔中穿过,卡环的作用是约束拉杆运动轨迹,使拉杆只能沿直线往复运动。

2 阻力伞舱门意外打开故障原因分析

结合阻力伞放出机构的机构组成和工作原理,分析得到阻力伞舱门意外打开的故障原因,将故障原因按照失效模式不同分为以下4类:

1) 动力源失效

阻力伞放出机构的动力源为爆燃管,动力源失效指爆燃管在起飞滑跑或空中飞行过程中意外启动,推动顶杆将锁定拉杆从拉杆槽中顶出,导致阻力伞舱门意外打开。

2) 使用中安全锁定深度不够

飞机正常飞行过程中,向前的航向过载会使拉杆向后运动,导致拉杆锁定深度减小;飞机在飞行过程中会受到发动机和气流动压带来的随机振动,拉杆在随机振动环境下会在拉杆锁定方向产生往复位移,导致拉杆锁定深度减小;放出机构尺寸公差也会影响拉杆锁定的实际深度。

在实际使用过程中,过载、随机振动、尺寸公差3个因素之间相互耦合,共同导致拉杆锁定深度减小。当锁定深度减小到小于安全锁定深度时,阻力伞舱门锁定处于不安全状态,舱门极易意外打开。

3) 弹性元件共振

当拉杆与弹簧组成的弹簧质量系统的固有频率与阻力伞舱受到的外激励频率一致时会产生共振,共振增大了阻力伞舱门意外打开的可能。阻力伞舱受到的外激励有阻力伞舱附近振源和伞舱所在位置机体的振动。

4) 构件强度刚度不够

构件强度刚度不够包括弹簧疲劳破坏、拉杆失稳、定位销屈服及拉杆冲击失效,这些失效模式都会导致拉杆锁定失效,阻力伞舱门意外打开。

将上述阻力伞舱门意外打开故障原因汇总如表1所示。

表1 阻力伞舱门意外打开故障原因

3 阻力伞舱门意外打开可靠性建模

3.1 阻力伞舱门意外打开故障树构建

考虑阻力伞意外打开故障模式作为故障树的顶事件,根据上文分析的失效原因及各失效因素之间的逻辑关系,得到了阻力伞舱门意外打开故障树如图2所示。

图2 阻力伞舱门意外打开故障树

该故障树共有8个底事件,各底事件之间可认为是相互独立的。

3.2 阻力伞舱门意外打开多模式可靠性分析模型

运用最小割集分析方法,由阻力伞舱门意外打开故障树可以得到该故障树的全部最小割集:

各最小割集发生概率分别为P(K1)、P(K2)、……、P(K8),顶事件发生的概率为PT1,为各最小割集发生概率之和。

则顶事件阻力伞舱门意外打开的发生概率

3.3 阻力伞舱门意外打开故障树底事件可靠性建模

在所有底事件中,爆燃管作为成品件,其故障率PX1可以由供应商提供,但其他由设计部门所研制的拉杆机构、弹簧、定位销等部件的失效概率需通过合理的可靠性建模并求解得到。具体模型参数(均值、方差、分布形式)可依据阻力伞机构设计方案、规范或前期工作积累的数据来确定。

该阻力伞舱门意外打开故障树各底事件可靠性模型及功能函数构建如表2所示。

表2 阻力伞舱门意外打开故障树底事件可靠性模型

4 飞机阻力伞舱门意外打开可靠性分析

以某型飞机阻力伞舱门系统为例,开展相应的可靠性分析。该阻力伞机构故障树如前述图2所示,构建的各底事件可靠性分析模型见表2。

这里以拉杆锁定失效可靠性分析为例给出具体的计算分析过程,限于篇幅,其他底事件可靠性模型求解过程可参考相关可靠性计算方法,这里不再赘述。

拉杆锁定失效的功能函数为δ=H-δmax-S-δS,公式中各尺寸变量符号含义见表2,功能函数中各随机变量的确定如下。

1) 含公差的拉杆锁定深度H

拉杆锁定深度H可以通过拉杆机构的定位关系和尺寸传递关系计算得到,拉杆锁定示意图如图3所示。

图3 拉杆锁定示意图

当拉杆两端有一端从拉杆槽中脱出时即认为拉杆锁定失效,经计算,拉杆右端锁定深度较小,拉杆锁定深度取右端锁定深度,即

H=L3+L2+X-L=12mm

2) 过载导致的弹簧变形增量δmax

设计采用的拉杆弹簧刚度k=3.29 N/mm,拉杆质量m=0.63 kg,弹簧原长L=75 mm,阻力伞舱门锁定时弹簧长度L1=57 mm,飞机正航向最大过载为1.5 g,所以舱门锁定时弹簧力F=k(L-L1)=59.22 N,飞机最大过载时弹簧受到向后的惯性力F惯=ma=9.45 N,小于锁定时弹簧支持力59.22 N,所以δmax=0。

3) 随机振动下拉杆的位移响应S

阻力伞舱受到的随机振动是均值为0的平稳随机过程,因而拉杆的随机振动位移响应均值为0[12]。

阻力伞舱受到的加速度功率谱密度值为0.05 g2/Hz,频率范围为15～2 000 Hz。通过振动有限元软件分析[13],可得到拉杆在随机振动下的位移标准差σS=0.92 mm。

4) 最小安全锁定深度δs

取名义锁定深度的30%,即δS=0.3，H=3.6 mm,σδS=0.03 mm。

依据实际情况,与拉杆锁定失效有关的各随机变量均可视作正态分布,在确定了功能函数中各随机变量的均值和标准差后,依据可靠性一次二阶矩法求解可获得拉杆锁定失效的可靠性系数[14]

拉杆锁定失效的概率

阻力伞舱门意外打开故障树下的其他6个底事件的失效概率分析结果如表3所示。

表3 阻力伞舱意外打开各底事件失效概率

阻力伞舱门意外打开顶事件的发生概率为

考虑飞机阻力伞舱门意外打开会导致严重的事故等级,通常要求其发生事故的概率小于10-5/飞行小时,本例中阻力伞舱门意外打开的概率为6.51×10-3,不满足可靠性指标要求,需要对失效概率较大的爆燃管意外启动、定位销失效2个底事件进行改进。

具体改进建议如下:

1) 针对爆燃管意外启动概率较大,建议更换意外启动概率更低的爆燃管。

2) 针对定位销失效概率较大,可以选用屈服强度更大的定位销材料,如38Cr2Mo2VA(1 470 MPa),重新计算后定位销失效概率为4.63×10-17;或者增大定位销直径,考虑定位销为标准件,选取定位销直径为8 mm(原设计为6 mm),重新计算后定位销失效概率为2.39×10-19,满足可靠性指标要求。

5 结 论

1) 本文以飞机阻力伞机构为研究对象,结合机构可靠性分析方法,针对阻力伞舱门意外打开故障模式,建立了一种飞机阻力伞机构可靠性分析方法,该方法可为飞机阻力伞机构设计提供有益参考;

2) 以阻力伞机构工作原理为基础,分析得到导致该故障模式的故障原因分别为动力源失效、使用中安全锁定深度不够、弹性元件共振和构件强度刚度不足等,构建了阻力伞意外打开故障树,提出了相应的可靠性分析模型及求解方法;

3) 以某型机阻力伞机构为例进行具体可靠性计算,得到不满足可靠性要求的底事件有2个,即爆燃管意外启动和定位销失效;并提出了具体的改进建议与方案。

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Airplane Drag Chute Accidental Open Reliability Analysis

Feng Yunwen1, Hao Heng1, Xue Xiaofeng1, Wei Yuhong2

1.School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China 2.AVIC Aircraft Xi′an Aircraft Branch,Xi′an 710089,China

Airplane drag chute opens automatically when the door opens. Based on working principle, failure causes of the accidental open of an airplane drag chute include failure of power source, lack of safe lock depth, resonance of elastic element, and lack of strength and stiffness. Then the article builds the fault tree and raises relevant reliability analysis model. Citing airplane drag chute system of a certain plane as an example, we do the accidental open reliability analysis and raise improving suggestions. The work can provide reference on the mechanism design for airplane drag chute system.

drag chute; accidental open; fault tree; reliability analysis

2016-04-12

国家自然科学基金(10577015)与民用飞机专项科研技术研究项目(MJZ-2014-F-06)资助

冯蕴雯(1968—),女,西北工业大学教授、博士生导师,主要从事飞行器结构机构可靠性设计与分析研究。

V226

A

1000-2758(2016)05-0761-06