基于蒙特卡罗方法的限时降级放行影响因素分析

杨晓军 陈羽 吴幸星

摘要：研究限时降级放行分析对商用飞机以及航空发动机系统的安全性分析具有重要作用，可为适航当局提供适度超前的技术支持。本文建立了LEAP航空发动机电子控制系统模型，通过蒙特卡洛方法进行限时降级放行分析，分析不同维修策略、控制规律、电子控制系统成熟度。结果表明：严格维修策略可以缩短系统带故障运行的时间，降低系统平均LOTC率，进而提高放行间隔时间；控制规律会影响系统构型，不同系统构型具有不同冗余单元，可通过降低串联单元提高系统可靠性；电子控制系统的成熟度高，长时放行间隔长，系统可靠性高。

关键词：限时降级放行；蒙特卡罗方法；长时放行间隔；影响因素

Keywords：limited time dispatch；Monte Carlo method；long-term release interval；influencing factors

0 引言

全权限数字电子控制（FADEC）系统与传统机械液压式控制方式相比具有发电机性能高、燃油消耗低、维修成本低等优点[1]。FADEC系统的关键回路和重要功能通过增加冗余部件提高系统可靠性和可放行性[2，3]。在冗余部件存在故障时，系统可以带故障运行一段时间[4]，美国联邦航空管理局颁布了规范性文件用于分析限时降级放行（TLD）[5]。目前TLD分析方法主要有三种，分别为时间加权平均法（TWA）、马尔可夫模型法（MM）以及蒙特卡罗（MC）仿真方法。时间加权平均法为计算失效故障率之和，计算精度低；马尔可夫模型法在多故障情况下存在难于求解的问题；基于大数定律的蒙特卡罗仿真方法是分析多故障的主要方法[6，7]。

目前，国内外通过蒙特卡罗仿真方法解决FADEC系统的多故障问题[8，9]，但仍然存在两方面的不足：多数研究模型仅建立简单可靠性模型，并没有针对实际航空发动机电控系统模型进行研究；针对限时降级放行影响因素研究较少。为此，本文建立了LEAP航空发动机FADEC系统，采用蒙特卡罗方法进行仿真分析，并通过维修策略、控制规律和电子控制系统成熟度讨论影响放行间隔时长因素，从而解决实际多故障下FADEC系统的TLD分析问题，弥补现有研究的不足。

1 维修策略分析

基于最小设备清单（MEL）的多故障维修策略和基于定期检查报告（PIR）的多故障维修策略主要分析4种维修策略。为便于说明，将A、B、C故障单独存在时设为长时放行级别；AB故障同时出现设为短时放行级别；ABC故障同时发生设为禁止放行级别，故维修期限分别为t3、t2和t1。

1）基于MEL维修策略

维修策略1：根据故障期限，依次修复最高级别的故障。如图1所示，在该维修策略下t1时刻修复故障C，t2时刻修复故障B，t3时刻修复故障A。

维修策略2：无论之前出现何种故障，首次到达故障维修期限时立即修复系统存在的所有故障。如图1所示，首先到达t1，则修复A、B、C所有故障。

2）基于MEL和PIR的维修策略

维修策略3：随时监控ST故障，对于LT故障，在维修间隔时间内检查，而对应故障期限仅修复对应故障。如图2所示，假设检查时间间隔为tLT1-tLT2，LT故障发生时间为检查时间间隔中点tA，维修截止时间设为t2。

当tLT2≤tB≤t2时，即在定时检查间隔结束前检测到故障A，在维修间隔结束前发生故障B。当AB组合故障为禁止放行，则需要在t1时刻之前维修，否则在t2时刻维修故障A，在t3时刻维修故障B。

当tB≤tLT2时，即监测到故障B，并且在定时检查间隔检测到故障A。当AB组合故障为禁止放行，則在t1（t1=tLT2）时刻维修故障A和故障B，否则在t2时刻维修故障A，在t3时刻维修故障B。

3）基于PIR的维修策略

维修策略4：LT故障和ST故障对应的维修检查间隔分别为tLT1-tLT2和tST1-tST2，维修截止时期分别为t2和t1，对于禁止放行构型，在所有检查时间点都进行检查。如图3所示，假设AB组合故障为禁止放行构型，则在tST2时刻修复所有故障，否则在t1时刻维修故障B，在t2时刻维修故障A。

2 针对实际FADEC系统进行建模及TLD分析

LEAP发动机与CFM56系列发动机相比，具有更低燃油消耗率、更低碳氮排放量、低噪声、高可靠性等突出优点，因此本文选择LEAP发动机的FADEC系统进行TLD分析。FADEC系统的工作任务是通过飞机传来的指令实现对发动机的控制，并将发动机信息传递给飞机用于状态监控和维修维护[10]。

LEAP发动机控制系统部件包括电子发动机控制单元（EEC A和EEC B）、压力子系统（PSS）、DMS、燃油计量装置（FMU）、分离控制单元/伺服阀组件（SCU）、PMA、若干发动机传感器、可调静子叶片作动机构（VSV）、可变引气阀门作动机构（VBV）、过渡态放气阀门作动机构、可调涡轮冷却控制阀门、启动引气控制阀门、高压间隙控制作动机构（HPTACC）、低压间隙控制作动机构（LPTACC）、2个点火激励器、短舱防冰控制系统、反推控制系统（T/R和TLA）、振动监测系统、EEC冷却控制系统等，如图4所示。建立的FADEC系统可靠性模型如图5所示。

3 影响TLD批准因素

3.1 维修策略对TLD分析结果的影响

针对实际LEAP发动机的FADEC系统，采用蒙特卡罗仿真方法分别对上述4种维修策略进行建模仿真分析。如图6所示，在满足平均可靠性要求条件下，维修策略2带故障运行长时放行间隔更长，说明该维修策略可靠性更高，系统LOTC率更低。同时，在实际的FADEC系统所有故障中，长时故障比短时故障所占比重更高。因此，实际FADEC系统的LOTC率增涨幅值随着长时放行间隔延长而增加。

3.2 控制规律对TLD分析结果的影响

发动机的控制规律也称为发动机的调节规律，主要指被调参数随着油门杆位置变化和外部干扰因素而产生相应变化的规律[11]。控制规律的研究影响到FADEC系统的运行性能、经济性能和安全性能等[12]。

1）地面慢车状态

3）TLD分析结果对比

如图8所示，在维修策略2下，基础构型的FADEC系统平均故障率大于地面慢车构型，也大于空中巡航构型。其中满足系统平均可靠性要求的最大LTD间隔分别为1175.65FH、1181.95FH和1187.91FH。同一维修策略下不同控制规律构型的LOTC率不同，这是因为不同控制规律的系统构型存在差异，地面慢车状态系统构型比基础构型少了N1单元，空中巡航状态系统构型比基础构型少了推力位置信号单元，因此，降低串联单元可以提高系统可靠性，提高长时放行间隔。

3.3 电子控制系统成熟度对TLD分析结果的影响

局方批准的入门级系统的最大短时降级放行间隔为125h，最大长时降级放行间隔为250h，而成熟级系统的最大降级放行时间要根据系统、分析和服务经验而定，因此以短时放行间隔125h和250h作为对比进行讨论。如图9所示，在满足平均可靠性要求下，长时放行间隔分别为920.4h和1187.9h，可见对于成熟级越高的系统，长时放行间隔越长，系统可靠性越高。

4 结论

本文针对LEAP发动机的FADEC系统建立了模型单元数达110个的可靠性模型，总结了4种复杂维修策略，由于不同维修策略对多故障状态的处理方式不同，对系统带故障运行时间有较大影响，较为严格的维修策略系统带故障运行的时间更短，系统平均LOTC率更小，相应的放行间隔时间可以增长；分析了控制规律对TLD分析结果的影响，由于控制规律会影响系统构型，不同系统构型具有不同冗余单元，降低串联单元和增添冗余单元都是提高系统可靠性的方法；分析了电子控制系统的成熟程度的影响，系统越成熟，长时放行间隔越长，系统可靠性越高。FADEC系统的可靠性越高，进而可以在满足适航规定的可靠性要求下进一步提高长时故障降级放行间隔。

参考文献

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[3] SAE International Group. ARP5107B Guidelines for Time- LimitedDispatch（TLD）Analysis for Electronic Engine Control Systems [S]. Washington D C：Society of Automotive Engineers，2006.

[4] 蔡景，胡維，陈曦.全修复策略下FADEC系统多故障TLD仿真分析[J].航空动力学报，2020，35（04）：823-831.

[5] 陆中，戎翔，周伽，等. 基于蒙特卡罗仿真的 FADEC 系统多故障 TLD分析方法[J]. 航空学报，2015，36（12）：3970-3979.

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[7] 康崇禄. 蒙特卡罗方法理论和应用[M]. 北京：科学出版社，2015.

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[10] 杨晓军，赵洪利. 民用航空发动机控制系统[M].北京：中国民航出版社，2017.

[11] 袁小川. 涡扇发动机控制规律及主控系统仿真研究[D].西北工业大学，2007.

[12] 吴幸星. 发动机电子控制系统限时降级放行建模方法研究[D].中国民航大学，2018.

作者简介

杨晓军，教授，研究方向：航空发动机适航与维修。

陈羽，硕士研究生，研究方向：航空器持续适航与维修。

吴幸星，硕士，研究方向：发动机电子控制系统适航审定。