军用飞机EWIS 适航性改进体系设计*

2019-09-17肖楚琬王希彬

火力与指挥控制 2019年8期

肖楚琬，韩维，王希彬，邓力，孙阳

（1.海军航空大学接改装训练大队，山东烟台 264001；2.海军航空大学飞行器工程系，山东烟台 264001）

0 引言

目前，我国军用飞机逐渐以三代机为主，机上系统交联关系日趋复杂，安装空间紧张，不同类型电缆间干扰加大。特别是随着能量线传（Power-by-Wire，PBW）技术应用日益广泛，电能正逐步取代气能和液压能，成为飞机控制的重要通道。因此，电缆、连接器等连接部件的传输可靠性和安全性变得尤为重要，直接影响任务执行和飞行安全。

2007 年，美国联邦航空安全局（Federal Aviaion Administration，FAA）针对多起因线路问题引起的机毁人亡事故［1］，在开展大量飞机线路老化、安全试验等工作成果的基础上，在适航规章中增加了H 分部，即电气线路互联系统（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）章节［2］，将原属于各功能系统的电缆、连接器、继电器、开关等电气连接、控制和保护部件，作为一个综合系统进行整体设计。2011年，我国民航在CCAR-25 部修订版中，引入了相关要求和标准［3］，在C919 等机型中贯彻落实。

目前，我军现役飞机并未按照EWIS 理念进行设计。由于各类EWIS 部件数量多、类型杂，与各功能系统、结构关系紧密，其故障呈离散分布，具有不可预测的特点。如果按照传统方式，点对点地解决问题，无法有效提升飞机安全水平。因此，如何从系统角度，综合运用工程技术方法，科学设计EWIS 适航性改进体系，促进我军飞机整体安全水平提升，就变得尤为重要。

本文针对我军飞机EWIS 缺乏系统设计、风险控制措施不足等问题，按照系统工程思想，结合多个机型实践经验，设计军用飞机EWIS 适航性改进体系框架，整理出主要存在的问题，为我军飞机综合质量提升和新机研制提供借鉴。

图1 EWIS 风险评估过程

1 美军EWIS 改进流程

1984 年，美军成立了联合线路工作组（Joint Services Wiring Action Group，JSWAG），专门负责对各兵种线路问题进行收集和解答，提供技术服务。文献［4-5］指出，美军安全中心对所有涉及EWIS 案例调研显示，53%的事故与导线、连接器、配电盘或断路器等关键部件有关，在许多案例中存在线路失火或关键线路失效等问题，直接导致了飞机装备的损毁、人员受伤、飞机受损、机组启动应急程序及任务失败。

因此，美军在文献［6］中，对EWIS 概念进行了明确界定。2013 年，美国国防部发布了文献［7］，在综合FAA 发布的文献［8］等相关技术成果基础上，提出了军机EWIS 风险评估过程（Process Flow for Risk Assessment，PFRA），并在F/A-18、P-3E 等机型上开展实践。该程序适用于初始适航和持续适航阶段，使用方可以根据任务需要进行裁剪，提高了飞机整体安全性水平［9］。其基本流程如图1 所示。

从图1 可以看出，PFRA 实质是按照系统工程思想，围绕“适航性”这个中心，综合运用安全性分析和评估、大数据分析、寿命预测等技术和方法，从物理和功能两个层面对飞机进行系统分析，确定危险项目，评估风险等级，有针对性地提出风险管控措施，最终落实改进。

但是，由于我军飞机装备工作体系与美军采办有较大区别，设计基础、维护理念、管理机制各有特点，且军用飞机研制时没有进行适航设计。因此，此过程和相关方法不能直接应用于我军飞机，需要根据实际进行改进和创新。

2 总体目标和基本原则

2.1 总体目标

军用飞机EWIS 适航性改进体系设计的总体目标是在寿命周期内，综合利用工程化的方法、技术和专业知识，通过策划与实施一系列管理、检查、分析与评价方面的工作，综合权衡性能、进度和费用，识别、消除或降低飞机EWIS 风险，使其控制在可接受水平。

2.2 基本原则

军机EWIS 适航性改进体系构建的基本原则是“一性三化”。具体内容如下：

1）安全性。控制飞机风险，确保飞机安全水平。

2）标准化。统一机型生命周期内各接口标准，完善EWIS 标准体系。

3）系统化。统筹物理与功能、信号与结构、设计与制造等要素，将EWIS 作为一个综合系统研究。

4）工程化。运用工程方法，确保工作流程严谨、科学、标准、可实施。

3 主要框架

军用飞机EWIS 的适航性由设计赋予，制造实现，维护和修理保持。由于在役飞机适航性已经固化，为了保持和提升安全性水平，需要重新论证和确立适航性技术要求，建立涵盖全寿命周期、全系统的管理体系，以“风险控制”为核心，通过正向设计分析和反向实机检查等工作，建立机型EWIS 风险清单，综合考虑安全、成本、时间等因素，制定和实施风险管控措施，改进工艺、维护等标准化文档，最终通过检验评估实现风险闭环。将主要体系框架分为10 个工作项目，如图2 所示。

3.1 确定EWIS 适航性要求

适航要求是进行军机EWIS 适航性改进的顶层输入，主要包括系统设计指标，以及安全性、维护性等要求。但是，由于我国军机的EWIS 初始适航性设计标准不够完备，很难通过持续适航阶段改进，达到初始适航要求的最高标准。

图2 军机EWIS 适航性改进体系框图

因此，需要在EWIS 视角下，重新论证适航性设计标准体系，从定性和定量两方面，建立科学完备的军用飞机EWIS 适航性技术标准集，作为开展军用飞机EWIS 适航性工作的顶层输入。针对各机型实际工作特点，可以根据可接受风险水平，综合考虑军事需求、使用要求、任务剖面、技术基础等要素，对具体指标进行裁剪，确保可实现性。典型的适航性要求如下页表1 所示。

3.2 体系管理

适航性改进体系的核心是风险管理。作为飞机持续适航阶段实施的工程活动，适航性改进尽管涉及生命周期各环节，但是无法严格按照“从顶到底分析，从底到顶验证”的适航设计双V 形管理流程实施［10］。因此，按照需求管理［11］思想，将风险作为主要需求，通过结构化描述模型，对风险控制任务按照功能系统和责任单位进行分解，明确工作计划。同时，为了确保任务顺利推进，需要建立顶层资源管理组织进行整体统筹和过程管理，建立标准文档体系，统一各个环节之间的接口标准。由资源管理组织根据不同风险级别设置管理权限和程序，实现各项风险的处理和归零。各管理要素之间基本关系如图3 所示。

表1 典型EWIS 适航性要求

图3 体系管理关系图

3.3 设计分析

飞机适航性是设计出来的。从设计角度梳理系统特性，正向分析排查可能存在的隐患，可以完善适航性分析信息，为后续工艺分析、寿命预测、实机检查等工作提供输入。以重新确定的适航性要求和标准为输入，全面梳理完善飞机EWIS 基本信息，建立全机EWIS 清单，为后续分析提供目标。通过开展系统安全性、特殊风险、区域安全性等分析工作，结合故障数据分析结果，初步判断机上可能存在的隐患点，确定重点检查和风险控制对象。

在具体实施过程中，各机型需要将原始设计标准条款和新确定的适航性标准进行对比分析，形成标准对比报告，确定条款内容，制订本机型的EWIS适航性改进体系标准。按照EWIS 要求，重点梳理飞机区域特性和EWIS 部件特性、路径、安装位置等内容，建立机型EWIS 数据库。选择涉及安全的重点系统，比如飞控、燃油、火控、供电等系统进行融入EWIS 的安全性分析。综合飞机持续适航阶段故障数据分析结果，重点识别高风险隐患点，作为检查和风险控制对象。其基本流程如图4 所示。

图4 设计分析流程图

3.4 工艺分析

飞机的生产制造是一项复杂的系统工程，是适航性实现的具体活动。为了保证适航性改进体系的最终落实，需要制造、安装、修理、质量等各个环节紧密配合工作。其中，工艺作为飞机生产和修理活动的顶层依据，是实现适航性的基础。

针对EWIS 适航性改进的特点，针对现役军机EWIS 工艺不细、不全、不科学等问题，以新确定的适航性标准为依据，全面分析电缆制造、安装、修理等工艺存在问题，重点考虑电缆敷设路径、安装方式、防护等内容，形成分析报告，初步判断工艺实施过程中可能存在的风险隐患，纳入风险管理。

3.5 降级评估

目前，飞机在服役一段时间后，随着环境、维护等因素的影响，部分EWIS 部件出现与预定寿命不一致现象，影响飞行安全和任务执行。针对这一问题，需要根据设计分析结果，筛选确定环境严酷的重点区域和故障率较高的重点部件，从机上拆下，通过试验室试验、寿命分析等方式进行降级分析和评估，建立降级矩阵［12］，生成评价报告，作为部件更换或维持使用的依据，纳入风险管理。

3.6 实机检查

在适航性审定过程中，实机检查是确定符合性的关键环节。在EWIS 适航性改进体系中，通过实机检查，验证设计和工艺分析结果，全面梳理机上隐患，建立最大风险集，为开展危险分析和风险评价提供输入。

由于不同飞机的EWIS 隐患点不尽相同，为了保证风险集最大化，一般应选择2 架～3 架大修、外场等条件下的典型样机进行检查。检查前，需要制订详细的实施方案，利用设计分析形成的区域检查清单，逐项对照检查。检查实施时，通过照片、文字描述等方式，记录所有不符合项，将隐患定位到部件级，最终形成机上风险隐患清单，为后续分析和改进方案工作提供基础。

3.7 危险分析和风险评价

3.7.1 危险分析

危险是导致事故的状态。在机型形成的风险控制清单基础上，分析每个危险发生的原因、发生可能性及后果，并确定其危险严重性和危险可能性。定性的危险严重性等级划分及定义可参考表2。对具体机型，应给出人员死亡、严重或轻度伤害、职业病，装备损毁或报废、严重或轻度损坏以及环境影响等明确的定义。

表2 危险严酷度等级划分

定性的危险可能性等级划分可参考文献［13］。不同机型危险可能性计算方法有所不同。由于我军飞机普遍缺乏EWIS 适航性基础数据，部分定量指标无法直接采集，可以利用专家打分等方法确定。

3.7.2 风险评价

根据危险严重性和可能性两方面因素，综合评价风险水平。评价可采用定性或定量的方法，使用定性风险指数评价法作为参考，确定风险指数的参考示例见表3。

3.8 改进方案

军机EWIS 适航性改进最终需要具体方案落实。根据风险分析和评价结果，综合分析成本、周期、技术风险等要素，确定风险接受项目。对于需要改进实施的项目，区分层次进行分析。对于严重危害飞行安全项目，进行全面设计分析，提出设计更改意见，按照专项落实。对于剩余项目，按照标准工艺，选择在制造、大修或外场维护等时机，有重点、有针对性地制订改进计划和实施方案。方案实施后，利用维护分析程序（Maintaince Steering Group-3，MSG-3）、增强性区域安全分析［14］等程序，确定维修时间间隔、维护等级等内容，完成维护资料更新，消除危险，降低或管控风险。

表3 危险的风险指数参考示例

图5 实施方案流程图

3.9 验证和评价适航性水平

验证和评价飞机EWIS 适航性水平，是风险闭环的最终一环。改进方案实施后，通过分析、试验、演示、上机检查等方式，验证对要求的满足情况。综合各项工作结果，评价飞机的安全性水平，确认工作是否按计划完成、残余风险是否可接受。如果达到目标，按计划固化机型成果，否则进一步改进。

由于在役飞机各项指标改进空间小，且EWIS涉及功能系统多，完全按照适航审定要求进行全面验证成本高、效率低。在实施时，制订技术要求符合性检查表，按照不同危险等级确定加权分值，以此判断适航性改进符合程度。典型技术要求检查内容如下页表4 所示。

3.10 风险跟踪

在飞机EWIS 适航性改进过程中，建立危险清单，通过体系管理，对每个危险进行跟踪记录。

表4 典型EWIS 检验表

4 尚需解决的问题

EWIS 作为高度综合化的系统，承担全机电子电气设备线路互联任务，与飞机各系统、结构、环境深度关联，任何变化都可能与其他要素产生交互影响。为了保证改进体系科学有效，尚需要解决以下关键问题。

4.1 综合布线设计

EWIS 的安装遍布全机，与结构接口达几万处，与管路、设备等有密切相关性。传统的“先结构、后连接”设计理念，会导致布线与结构之间不匹配，直接影响飞机质量。不同类型电缆材料、承载信号类型、保护等要素不同，它们之间具有相互作用关系，亟需建立共用同一通道的设计准则。部分穿舱电缆通过全机所有区域，不同区域之间电磁、电弧、发热、污染等要素对布线要求各不相同，需要进行高适应性的局部个性化设计。同时，综合布线工具的开发和标准化应用也将成为新问题。总而言之，综合布线设计理念将带来现有军用飞机设计模式、标准、流程的新变革。

4.2 EWIS 腐蚀防护

目前，结构腐蚀防护技术比较成熟［15］。但是，EWIS 部件等涉电部附件腐蚀研究成果还不多。EWIS 部件腐蚀的一个特点就是“微腐蚀”。由于环境、人为等因素引起的材料特性微小变化就会引起相关信号传递出现异常，进而导致间歇性故障、寿命、电弧打火等故障。但是，目前在腐蚀机理、故障模式、性能退化规律、腐蚀与电信号关联性等技术还未完全突破，相关成果在我军飞机上体现不多，导致开展飞机腐蚀防护设计、产品剩余寿命评估等工作比较困难。

4.3 融入EWIS 的安全性分析和评估

传统安全性分析默认EWIS 部件连接可靠，并未考虑其失效风险［16］。事实上，当EWIS 作为一个独立系统考虑时，需要分辨可能造成危险的部件，计算失效概率，从物理和功能两个层面考虑失效风险。但是，EWIS 重点部件筛选、安全性分析模型、区域安全风险评估、动态安全分析方法等尚不完整，导致整机系统安全性指标结论不能完全涵盖EWIS，对于飞机适航性改进验证造成困难。

4.4 EWIS 部件寿命评估预测

飞机结构寿命评估研究比较成熟［17］。但是，飞机设计时，默认电缆等EWIS 连接组件与机体同寿，断路器、继电器等EWIS 开关类器件根据工作次数或者日历时间控寿。在实际工作过程中，EWIS 器件性能明显随时间下降，却没有控寿依据。需要在不同环境条件下，选择机上典型部件进行加速寿命试验，研究可能剩余寿命时间。利用维护数据、故障数据等进行综合分析，研究建立不同类别EWIS 部件寿命曲线，以此作为制定适航性改进更换目录的依据，并为器件质量改进提供支撑。