轻型运动飞机结构系统安全关键度研究

庞义梅 郭晴宜 佀庆民 付 帅 张 黎

（郑州航空工业管理学院民航学院，河南 郑州450046）

1 概述

通用飞机已经成为航空产业中一支新的生力军，并且具有广阔的市场和应用前景。相比通用航空业的快速发展，我国在通用航空器质量诊断与健康监测技术、质量安全与可靠性技术等方面的关键技术和管理方法尚不完善，亟待加强。尤其是随着中国通用航空业的迅猛发展，近年来事故频发，且事故起数和死亡人数均呈上升趋势，安全形势严峻[1-2]。

通用航空市场不断扩大的同时，多型号固定翼轻型运动飞机面世，但轻型飞机的快速发展和事故频发，彰显当前轻型飞机在安全性方面还有很多不足，很多问题还需要探索和研究，给其初始适航阶段的可靠性设计和持续适航阶段的动态健康管理提出了新的更高要求[3]。在轻型运动飞机的本质安全设计、可靠性设计、可靠性分配优化、安全性可靠性水平动态评估、健康监测、动态健康管理等方面有极大需求，亟待开展深入研究。

2 轻型运动飞机的结构系统分析

本文主要从结构系统建立轻型运动飞机安全性验证评估技术体系，结构系统组成见表1。

表1 结构系统组成

3 飞机结构系统安全关键度的研究

当一产品单元在某时刻开始工作到t 时刻时事故发生的概率为：

式中事故发生率函数λ（t）决定了F（t）的分布形式。

当事故发生率为常数，λ（t）=λ 时，事故发生概率服从指数分布：

为了更好的分析轻型运动飞机的结构安全性，本文采用常用的FMEA 定量分析与FMECA 定性分析相结合的方法。

危害度的计算公式为：

产品危害度可由下式计算：

n 为该产品的故障模式总数，j=I，II，III，IV

∑Cmi（j）——产品在第j 类严酷度类别下的所有故障模式的危害度之和

计算公式为：

基本故障率λp计算公式为：

式中：∑t 为故障部件累计故障时间；N 为故障部件在累计工作时间内的故障次数

关键度（S）计算模型为[4]：

式中：Cr（j）为产品的危害度，f（t）为产品的故障概率。由于产品本身的特点，其故障分布也会有所差异。当产品故障分布服从指数分布时：

当产品故障服从威布尔分布时：

4 实际应用（以某电动轻型运动飞机为例）

该轻型运动飞机最大巡航速度可达150 公里每小时，最高升空距离3000 米，最大起飞重量为480 公斤，可满足两个人乘坐，飞机起飞距离290 米，着陆距离为560 米。它是国内第一个正式申请型号合格审定的电动轻型运动飞机，也是中国民用航空局（ CAAC）正式受理审定的第一个电动轻型运动飞机型号。

经分析可得结构系统的主要部件，如表2。

根据表2 分析得出的关键部件，其服从的分布函数和相关参数见表3。

表2 结构系统主要部件危害性分析表

表3 关键部件相关参数表

根据公式（9）和公式（10）可以算出前起上支柱、滚针轴承和前起扭臂的关键度分别为3.53×10-11，2.138×10-8，7.81×10-10。其中，滚针轴承在危害度为Ⅰ的情况下关键度为2.611×10-9，在危害度为Ⅱ的情况下关键度为1.877×10-8，所以其关键度为两者之和。由上述分析和滚针轴承关键度最高，说明其安全性越低，因此在飞机的制造过程中，应加强对滚针轴承的制造并使用较高强度的制造材料，提高其抗磨损能力。

5 结论

基于对轻型运动飞机事故的分析，建立安全关键度的研究，对轻型运动飞机事故的预防有重大的理论指导作用和实践意义。轻型运动飞机的快速发展和事故频发，章显其在安全性方面还有很多不足，并且很多问题还需要探索和研究。本论文分别建立故障时间概率分布函数、危害度和关键度三个计算模型，得出影响整个飞机安全性的主要部件。通过对某轻型运动飞机的结构系统分析，得出滚针轴承的关键度最高，所以未来我们在设计时要重点考虑加强该部件的强度，降低其关键度，提高安全性。