基于MSG-3 的民用直升机系统和动力装置分析技术研究

曲建东/中国直升机设计研究所

0 引言

当今世界各国航空公司普遍采用MSG-3 技术制定计划维修要求。计划维修要求是航空器投入商业运营的通行证，是用户制定维修方案和运营计划的重要依据。民用航空器计划维修要求制定是否合理和科学，既是民用航空器研制和商业成功的保证，也是用户运营安全和经济效益的重要保证。

本文阐述和分析了基于最新版MSG-3 的民用直升机系统与动力装置分析技术的流程、方法和准则等内容，并以AC313 直升机主桨叶MSG-3 分析为例，验证了该技术方法的有效性和可行性，为国产民用直升机制定初始计划维修要求提供参考，也为用户进一步制定维修方案提供依据。

1 国内外情况

国外先进的航空器制造商如波音、贝尔、西科斯基、空客和莱昂纳多等公司一直致力于航空器计划维修要求制定技术的研究，纷纷采用MSG-3 方法制定其航空器维修大纲。贝尔429 直升机是第一款应用MSG-3 方法制定计划维修要求的国外直升机型号。随后，莱昂纳多的AW139 和AW189 直升机、空客的H175 直升机也相继采用了MSG-3 方法制定初始计划维修要求并获得了适航当局的批准。随着MSG-3 的推广，国外航空器制造商根据公司自身的需求开发了具有公司特色且满足局方审查要求的计算机辅助分析软件，提高了MSG-3分析工作的效率和分析文档的质量，确保了分析数据的可追溯性、规范化和标准化，对维修数据管理和技术状态控制发挥了重要作用。

国内企业在H175 国际合作项目中首次接触了直升机MSG-3 技术。随着国产民用直升机研制的快速发展，AC311 和AC313 两型机研制中首次采用MSG-3 方法制定其初始计划维修要求，经MSG-3 分析制定的主要维护建议获得了中国民用航空局（CAAC）的批准，同时也开发了满足国产直升机研制和AEG 评审要求的计算机辅助分析平台。

2 系统和动力装置分析技术研究

系统和动力装置MSG-3 分析关注系统功能失效后的安全性、运行性和经济性问题，采用逻辑决断程序确定系统和动力装置的计划维修任务及其间隔。在系统和动力装置分析方面，最新版MSG-3 标准（2018 版）相比2015 版进行的两处修订应引起分析人员的广泛关注。

1）国际维修审查委员会政策委员会（IMRBPB）会议上，贝尔直升机提交的IP159对MSG-3标准“2-3-1流程图”进行了修订，区别如图1、图2 所示。

图1 修订前流程图

图2 修订后流程图

2）IMRBPB 会议上，空客直升机和国际直升机协会（HAI）提交的IP170在MSG-3 标准“2-1-2.、2-3-2、2-3-7、2-3-8”等章节中增加了采用新技术的计划健康和使用监测（S-HUM，Scheduled Health and Usage Monitoring）任务及其说明，并在附录A 中增加了S-HUM 等术语的定义，意味着S-HUM 任务列入了计划维修任务类型中并允许被选择，为及时探测功能失效和避免过度维修发挥作用。

2.1 第1 层分析

1）确定重要维修项目（MSI）：采用自上而下的方法，识别直升机系统、子系统，直到所有外场可更换单元（LRU）为止。针对每一个识别出来的项目进行4 个问题的提问，如果有一个问题回答为“是”，则该功能项目为MSI 项；如果4 个问题回答都是“否”，则该项目为非重要维修项（Non-MSI）。

图3 FEC确定程序图

这4 个问题是：

a.失效对履行正常职责的运行机组来说是不可探测或不太可能探测的吗？

b.失效影响安全（地面或飞行中）吗？包括安全/应急系统或者设备。

c.失效有重大的运行影响吗？

d.失效有重大的经济影响吗？

2）评估每一个MSI 项的功能、功能失效、失效影响和失效原因：分析人员应以直升机功能危险分析（FHA）和故障模式影响及危害性分析（FMECA）等安全性文件作为输入开展分析评估。

3）确定MSI 项目的失效影响类别（FEC）：对每一个MSI 项目的每一个功能失效产生的失效影响，通过逻辑决断程序确定其FEC（见图3），为第2层分析提供输入。FEC 数字代码的含义：“5”表示明显的安全性影响、“6”表示明显的运行性影响、“7”表示明显的经济性影响、“8”表示隐蔽功能的安全性影响、“9”表示隐蔽功能的非安全性影响。

2.2 补充分析

对于非旋翼和传动系统的MSI，则直接进入第2 层分析；对于FEC 是5或8 类的旋翼和传动系统且传递飞行或控制载荷的MSI，则进行补充分析。按照MSG-3 结构分析程序补充偶然损伤（AD）、环境恶化（ED）分析。实际上，直升机收放式起落架装置和飞行操纵机构等既有系统和结构的特征，有系统功能，又传递载荷，因此期待下一个版本的MSG-3 标准能有新的解释说明或解决措施。

2.3 第2 层分析

1）针对第1 层分析确定的每一个FEC 涉及的每一个失效原因所关联的零部件，通过逻辑决断程序选择适用且有效的计划维修任务，如表1 所示。

表1 的填写说明如下。

a. FEC 代码5：明显的安全性影响，表中所有问题（除隐蔽的功能失效外）都必须被提问，如果通过该类型分析没有产生有效的任务，则最终必须强制重新设计。

b. FEC 代码6：明显的运行性影响，要求回答第一个问题（润滑或勤务），无论问题“A”的答案是“是”还是“否”，都应进入下一个问题。从下一个问题开始，如果回答“是”，则分析结束，所得到的任务即为所需选择的计划维修任务；如果所有问题的答案为“否”，则没有任务。如果运行性影响是严重的，则可以要求重新设 计。

表1 系统和动力装置计划维修任务选择表

c. FEC 代码7：明显的经济性影响，要求回答第一个问题（润滑或勤务），无论问题“A”的答案是“是”还是“否”，都应进入下一个问题。从下一个问题开始，如果回答“是”，则分析结束，所得到的任务即为所需选择的计划维修任务；如果所有问题的答案为“否”，则没有任务。如果经济性影响非常严重，则可以要求重新设计。

d. FEC 代码8：隐蔽功能的安全性影响，表中所有问题都必须被提问，如果没有有效的任务，除非基于设计原理在分析中能够判断没有任务选择是可接受的（如自测试的存在），否则强制重新设计。

表2 计划维修任务确定准则表

e. FEC 代码9：隐蔽功能的非安全性影响，要回答第一个问题（润滑或勤务），无论问题“A”的答案是“是”还是“否”，都应进入下一个问题。从下一个问题开始，如果回答“是”，则分析结束，所得到的任务即为所需选择的计划维修任务；如果所有问题的答案为“否”，则没有任务，如果运行性或经济性的损失是非常严重的，则可以要求重新设计。

2）选择计划维修任务时，表2 给出了适用性和有效性的判定准则。

3）确定任务间隔

基于可用数据和良好的工程判断为每一项维修任务确定最合适的间隔。在缺少关于失效率和失效特征的特定数据的情况下，维修任务的间隔很大程度上基于相似系统和部件的运营经验来确定。所以说，确定最佳间隔所需的数据和信息通常在直升机投入运营后才能获取。因此，很多情况下，分析人员会使用相同或相似项目的运营数据作为确定任务间隔的指导。实验室数据和供应商提供的可用数据也是确定任务间隔的重要依据。

3 分析样例

3.1 系统描述

AC313 直升机主桨叶通过桨叶销与主桨毂相连，主桨毂与主减速器的主轴之间通过花键连接，主桨毂与自动倾斜器通过两个扭力臂和六个变距拉杆连接。

主桨叶采用先进复合材料结构，为模压共固化一次成型，主桨叶典型剖面采取多闭腔结构设计，提高了主桨叶的力学特性和损伤容限能力，主桨叶根部通过两个快卸销与桨毂接头连接。

3.2 功能描述

AC313 直升机主桨叶功能：

1）产生直升机所需的升力，功能编号为F62-10-1。

2）提供主桨叶静电和雷电防护，功能编号为F62-10-2。

3.3 失效、影响和原因分析

以AC313 直升机主桨叶FMEA 报告为输入，开展主桨叶的功能失效、影响和原因分析，如表3 所示。

3.4 第1 层分析

针对功能F62-10-1 和F62-10-2，对其进行4 个问题的提问，按照MSG-3标准给出的逻辑决断程序确定其FEC 代码。其中，图4 中得出了功能F62-10-1的FEC 代码为5；图5 中得出了功能F62-10-2 的FEC 代码为8。

3.5 补充AD、ED 分析

主桨叶属于旋翼系统部件，FEC 为5 类和8 类，且传递载荷，按照分析流程，需补充AD 和ED 分析。主桨叶完全暴露在外部环境，易受环境腐蚀，装卸搬运或维修时产生的偶然损伤易导致主桨叶产生裂纹或开胶甚至断裂，影响直升机的飞行稳定性及安全。

表3 AC313直升机主桨叶功能失效、影响和原因分析表

图4 功能F62-10-1 FEC分析图

图5 功能F62-10-2 FEC分析图

表4 AC313直升机主桨叶计划维修任务汇总表

3.6 第2 层分析

在第1 层分析和补充分析后，开展第2 层分析，针对主桨叶FEC 涉及的每一个失效原因所关联的零部件，按照表2 给出的判断准则选择适用且有效的计划维修任务。

3.7 维修任务汇总

对主桨叶的补充分析和第2 层分析得出的全部计划维修任务进行合并（见表4）。对于那些存在重叠的任务，以其更短检查间隔的维修任务作为初始计划维修要求为妥，这也是基于安全的考虑。当然，为降低维修成本，制造厂应依据投入运营后外场反馈的使用与维修数据不断优化计划维修方案。

4 结论

本文基于最新版MSG-3 标准的系统和动力装置程序，结合AC311 和AC313 直升机研制中成功应用MSG-3的型号经验，梳理并提炼了基于MSG-3的民用直升机系统与动力装置分析技术的流程、方法和准则，并以AC313直升机主桨叶的MSG-3 分析为例，验证了该技术方法的有效性和可行性。本论文的方法可以为国产民用直升机制定初始计划维修要求提供参考，为用户进一步制定维修方案提供依 据。