极端气候下民机机构的典型失效模式

张 惠，吴敬涛，田培强，邓文亮

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710029）

1 研究背景

高温、高寒、湿热、结冰等极端气候条件极易造成民机舱门变形卡滞、起落架卡滞或收放不同步、活动翼面结冰等典型机构的环境适应性问题。舱门、起落架、襟缝翼等典型机构中活动部件会由于极端气候条件的影响产生一定的变形量，若变形量过大，可能导致舱门的开关功能、起落架及襟缝翼收放功能受到影响，引起部件不能运动到位，严重时造成卡滞，对民机飞行性能或安全性产生较大影响。

适航规章要求民机在研制和适航取证阶段采用分析和试验的方法表明舱门、起落架、活动翼面等典型结构或机构在极端气候条件下功能和性能的符合性。国外民机制造商通常在试飞前期使用全状态飞机在模拟的极端气候条件下进行整机气候试验，提前暴露民机结构与机构潜在的环境适应性问题，并进行设计改进或制定解决策略，以保障民机极端气候适航取证顺利进行。国内民机极端气候研究起步较晚，与国外差距较大，尤其缺乏对极端气候下的民机机构典型故障失效模式的分析与研究[1-3]。

为了研究民机机构在极端温度环境下的失效机理与典型故障模式，有必要开展极端气候下的民机机构典型故障失效模式分析研究[4-7]。

2 民机典型机构概述

2.1 起落架系统

起落架系统是整个飞机系统中一个重要的部分，主要用于保证飞机的起飞、降落、滑行和停放。起落架系统对于飞机的总体布局、气动性能、结构布置，特别是飞机的安全性，有着重大且直接的影响。由于现代运输机空地循环周期缩短，寿命期内地面运动距离增长，系统工作处于复杂环境，因此使用故障较多，使起落架设计涉及的工程学科领域日益广泛，且难度日益加大，必须保证起落架系统的安全性达到适航的要求[8]。

起落架是供飞机起飞、着陆时在地面上滑跑、滑行和移动、停放用的，是飞机的主要部件之一，其工作性能以及可靠性直接影响飞机的使用和安全。起落架质量约占全机质量的3.7%～5%，占飞机结构质量的10%～15%。起落架常见的形式如下。

简单支柱式起落架：主要受力构件是减震支柱，它上连机体结构，下连机轮，本身作为梁柱受力。

撑杆支柱式起落架：简单支柱式由于上端2个支点很靠近，减震支柱接近于一悬臂梁柱，撑杆支柱式则常在支柱中部附近加一撑杆，它是目前常用的一种形式。

摇臂支柱式起落架：摇臂支柱式起落架有2种形式。一是将减震器与受力支柱分开；另一种是将减震器和支柱合二为一，这种形式宜在前轮使用，以便于前轮转弯。

外伸式起落架：其安装在机身侧面，放下时向侧下方伸出。多用于中单翼或上单翼的战斗机。

多轮式起落架：多轮式起落架有用撑杆支柱式，也有用摇臂支柱式。大型运输机和重型轰炸机的质量很大，为了减小机轮对地面的压力，提高飞机的漂浮性，同时为避免机轮过大难于收藏等原因，一般都采用多轮式起落架。

2.2 舱门结构

典型的舱门机构布置如图1所示。为实现适航条款规定的功能如开启、关闭及增压预防等，设计了锁闩机构、提升机构、手柄机构和铰链臂机构等典型舱门机构。为保证舱门在开启过程中与机身保持平行，设计了由2根连杆组成的平行机构；止动机构使舱门在增压载荷的作用下固定在舱门门框上；导向轮和门框上的导向轮槽配合以保证舱门提升过程顺利进行；锁闩机构用以锁定舱门，防止其在飞行过程中意外开启；内手柄机构则提供舱门开启所需的操纵力，一般由机组成员完成操纵；增压预防门用以防止舱门在未完全关闭上闩锁定的情况下增压到一个不安全的水平。除了以上典型机构外，根据舱门要求的不同，还可布置其他典型机构，如开启姿态保持机构、外手柄机构、助力机构、飞行锁机构等。

图1 典型舱门机构示意图

2.3 活动翼面结构

现代民用飞机上机翼的前、后缘，有时沿整个展长，布置了大量活动面。除后缘的部分展长布置了横向操纵用的副翼和扰流片之外，其余部分则用来布置各类增升装置，用以延迟机翼在大迎角飞行时失速的发生，改善起飞、着陆特性，提高各种飞行状态下飞机的机动性。而增升装置要实现这些功能，其收放运动机构起到了至关重要的作用。襟、缝翼运动机构，从狭义上讲，专指与操纵飞机增升装置达到预定位置的运动机构；从广义上讲，是指整个增升装置这个运动部件的整体，该整体既包括操纵机构，又包括可动的结构部件的结构（即襟、缝翼结构本身，当然，这些结构是可动部件）。而且这里的襟翼代表后缘增升装置，缝翼代表前缘增升装置。

位于机翼后缘的襟翼，通过传动装置绕其转轴作向后直线或圆弧曲线运动，以扩大机翼的面积和弯度，达到增加升力和控制阻力的目的。飞机襟翼机构形式复杂、种类繁多，要想明确划分不太容易。目前飞行在航线的民用飞机中，襟翼运动机构大致可分为下沉式铰链机构、滑轨滑轮机构以及四连杆机构。

前缘缝翼是安装在基本机翼前缘的一段或者几段狭长小翼，主要是靠增大飞机临界迎角来获得升力增加的一种增升装置。前缘缝翼的作用主要有2个：一是延缓机翼上的气流分离，提高了飞机的临界迎角，使得飞机在更大的迎角下才会发生失速；二是增大机翼的升力系数。其中增大临界迎角的作用是主要的。这种装置在大迎角下，特别是接近或超过基本机翼的临界迎角时才使用，因为只有在这种情况下，机翼上才会产生气流分离[9]。

3 民机典型机构故障/失效模式分析

3.1 极端气候下民机起落架故障/失效模式分析

民机起落架机构的典型事故类型包括不能收起、不能放下、起飞或着陆爆胎、坍塌、液压失效、刹车失效、机轮脱落、锁失效以及转弯失效等10类事故。根据故障表现模式以及失效原因，结合民机起落架机构工作原理以及理论分析，可以得到起落架机构在极端气候条件下的潜在失效模式为不能收起、不能放下以及刹车失效。

3.1.1 起落架机构“不能收起或不能放下”故障模式分析

该故障模式是指前起落架或左主起落架或右主起落架之中，有1个或2个或全部没有放下或者放下未锁定。对于起落架不能收起或者放下故障模式，其故障可能来源于系统，也有可能来自于收放机构。起落架在收放过程中机构本身出现卡阻或者失效，而和起落架收放机构有关的结构件比如连接处的螺栓、轴销、轴承、耳片等失效也会导致起落架无法放下。在极端气候条件下高温、高寒条件可能会导致起落架收放机构变形或是上、下位锁机构出现变形卡滞，此外结冰条件也可能会导致起落架收放机构因冰冻出现卡阻，高寒条件下也可能会导致液压油结冰使液压系统不能正常工作，导致起落架机构不能正常打开或关闭。

3.1.2 起落架机构“刹车失效”故障模式分析

该故障模式是指起落架在滑行、滑跑以及起飞过程中，丧失全部或部分机轮刹车功能，非对称丧失机轮刹车功能或机轮刹车意外使用。对于起落架刹车失效故障模式，其故障可能来源于系统，也有可能来自于刹车机构。在极端气候条件下湿热、高寒以及结冰条件下可能会导致起落架刹车机构在受污染的跑道上失去正常减速以及刹车能力，尤其在高寒地区温度较低可能会导致轮胎橡胶变硬变脆甚至发生断裂，使飞机在受污染跑道上极易发生溜滑，导致起落架机构刹车失效。

3.2 极端气候下的民机舱门典型故障/失效模式分析

民机舱门机构的典型事故类型包括偶然打开、偶然关闭、不能打开或关闭、指示系统误示、密封失效、人为操作失误等6类事故。根据故障表现模式以及失效原因，结合舱门机构工作原理以及理论分析，可以得到舱门机构在极端气候条件下的潜在失效模式为不能打开或关闭[10]。

通过对“不能打开或不能关闭”故障模式进行分析可知，此故障模式引起的事故通常为Ⅲ类事故，这是因为舱门的正常打开或正常关闭过程都是在地面停放阶段完成的，相比于飞行中的舱门，其危险性较小。

极端气候条件引起舱门机构“不能打开或不能关闭”故障模式的潜在原因主要是由于高温、高寒以及结冰导致舱门机构变形发生损坏或是出现卡阻，导致舱门机构不能打开或不能关闭。舱门机构损坏会中断舱门开启和关闭的传力路径，使操纵力无法传递到锁闩机构和提升机构等机构，导致无法开启或关闭。助力系统的损坏也会引起此故障模式，如舱门助力作动器、舱门启动马达及舱门助力控制系统，在极端气候条件下温度太低可能会导致电子电气设备无法正常启动或性能下降，这些问题都有可能会影响舱门正常打开或关闭，使其在极端气候条件下发生故障。

3.3 极端气候下的民机襟、缝翼机构典型故障/失效模式分析

民机襟、缝翼机构的典型事故类型包括运动卡阻、操纵失效、强度失效、磨损失效、精度失效等5类事故。由上一节所统计的由极端气候导致的飞行事故，根据其故障表现模式以及失效原因，结合民机襟、缝翼机构工作原理以及理论分析，可以得到民机襟、缝翼机构在极端气候条件下的潜在失效模式为定位失效和卡阻失效。

3.3.1 襟、缝翼机构“定位失效”故障模式分析

极端气候条件引起民机襟、缝翼机构“定位失效”故障模式的潜在原因主要是由于襟、缝翼机构结冰会破坏机翼外形，除冰不彻底会使机翼表面变得粗糙，促使流经机翼表面的气流变成紊流，导致气流提前分离，临界迎角降低。襟、缝翼结冰会导致飞机阻力增大，升力减小，引起飞行速度减小、低头力矩增加。着陆时减小襟翼角度或收起襟翼，这是减小低头力矩的重要措施，同时也减小了襟翼下洗气流对尾翼迎角的影响，减小着陆时的襟翼角度，必然要增大着陆速度，所以驾驶员需要考虑到着陆距离的增加。但在实际飞行操作过程中，飞行员有可能没有注意到结冰现象的发生，这就可能会导致飞行员在起飞或降落阶段设置襟、缝翼偏角有误，或未及时操作修正，导致襟、缝翼定位失效。

3.3.2 襟、缝翼机构“卡阻失效”故障模式分析

极端气候条件引起襟、缝翼机构“卡阻失效”故障模式的潜在原因主要是由于高温、高寒导致襟、缝翼机构变形过大发生卡阻或是出现机械卡阻，以及结冰导致襟、缝翼机构不能正常转动或收放。在高温或高寒地带，由于气候条件等原因，襟、缝翼机构有可能出现变形过大等问题，导致机构卡阻失效；此外，襟、缝翼机构还有可能在结冰条件下由于冰冻出现机械卡阻问题，最终导致襟、缝翼机构的卡阻失效。

4 结论

高温、高寒、湿热、结冰等极端气候条件下极易造成民机舱门变形卡滞、起落架卡滞或收放不同步、活动翼面结冰等环境适应性问题。如起落架机构在极端气候条件下的潜在失效模式为不能收起、不能放下以及刹车失效；舱门机构在极端气候条件下的潜在失效模式为不能打开或关闭；而民机襟、缝翼机构在极端气候条件下的潜在失效模式为定位失效和卡阻失效。对极端气候条件下的民机机构典型故障/失效模式进行研究，分析了极端气候条件下的民机典型机构的潜在失效模式，为极端气候条件下的民机机构适应性分析研究工作提供了理论基础。