直升机人-机-环境系统可靠性设计准则的编制要求的研究

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　　摘  要：该文基于以往直升机型号可靠性设计的经验教训提出了直升机人-机-环境系统设计准则的编写要求。其目的在型号设计中，能够编制符合型号要求的直升机人—机—环境系统的可靠性设计准则，消除或减少包括直升机本身、以及人的失误和环境影响造成的故障和事件，从而提高直升机飞行的可靠性和安全性。
　　关键词：直升机;人-机-环境系统;设计准则
　　中图分类号：V21    文献标志码：A
　　0 概述
　　以往的直升机可靠性设计通常研究的是直升机本身的可靠性，为了简化研究分析工作，往往都假定人的工作是可靠的，也就是忽略空勤、地勤人员在直升机使用维护过程中对直升机的影响，但研究中发现：
　　a） 直升机的飞行事故中，由于人为操作失误引发的事故高达70%，其中有20%左右的事故是由于设计差错/缺陷引起的人的失误造成的。
　　b） 直升机的飞行事故中，也有高达20～30%是相关人员在维修中的差错造成的。
　　c） 由于人的失误引起直升机的故障时有发生，据以往型号故障统计，有约20%的故障是人的失误造成的。
　　显然，直升机飞行安全和可靠性的主宰因素—人对直升机使用维修保障的影响是不能疏忽的。
　　另外，外部环境对直升机飞行的影响，尽管设计中已广受设计人员的关注，但是统计表明，由于环境，象雷电、地面障碍物、飞鸟等造成直升机飞行事故约5%，环境变化造成的直升机故障约20%～30%。因此，直升机必须作为“人—机—环境系统”进行分析研究，这样才能完整、全面地揭示直升机可靠性安全性的相应特征。
　　作为系统工程，直升机人—机—环境系统除了进行可靠性分析和可靠性计算之外，通常应根据以往型号的设计经验和教训，建立直升机人—机—环境系统的可靠性设计准则，以便指导设计人员将可靠性要求转化为可靠性设计特征并融入方案设计中，在设计评审时，应用设计准则来检查验证和确定可靠性设计的符合性。
　　在以往的型号设计中，也都制定了相应型号的可靠性设计准则，但是这些准则存在不全面性，不能很好地指导设计。从直升机人—机—环境系统的角度来看，这些准则存在的问题是：
　　a） 以往型号的可靠性设计准则所设定的条款内容和要求，它关心的仅是直升机本身的可靠性设计要求，对于“人的可靠性设计”和“环境的可靠性设计”，它往往是泛泛而谈，没有详细具体的要求和规定。这些准则中往往是说“设计中要考虑人的因素以防人的差错影响直升机的可靠性及安全性”等，这样的要求，因为过于抽象空洞，往往会使设计人员在直升机设计中难以实施和操作，因此对于人与环境方面的约束准则也没有具体的措施。
　　b） 以往可靠性设计准则所提出的要求，有许多条款是空洞泛散的要求，没有提出量化的指标来规定，以至于在设计中也是看设计师个人理解。象“电缆与运动部件、液压管路、燃油管路、操纵线系要保持足够的距离，以防电缆与这些部件、管路发生碰撞和摩擦。”显然，“足够的距离”是一模糊的要求，设计中难以掌握，无法确定。
　　该文基于对上述问题的认识和体会，并根据以往型号可靠性设计的经验教训，提出了直升机人—机—环境系统可靠性设计准则的编写目的及编写要求，为下一步对保证性设计准则的编写奠定了夯实的基础。
　　1 可靠性设计准则的编写目的
　　可靠性设计准则是根据以往直升机型号设计的经验和教训，加以总结提高形成的可靠性设计标准和指南文件以供设计人员使用，其目的是：
　　a） 以可靠性设计准则为依据，将型号的人—机—环境系统的可靠性要求转化为图样设计措施，即把可靠性要求设计到直升机和其各个系统之中。
　　b） 以可靠性设计准则为指南，使型号的可靠性设计与直升机图样设计同步进行，即使直升机的图样设计与可靠性设计相互有机地结合，解决可靠性设计与图样设计“兩张皮”的问题。
　　c） 以可靠性设计准则为标准，在设计评审中，用以检查、验证和审定各系统及整机可靠性设计与准则的符合性。
　　总之，在型号设计中，遵循直升机人—机—环境系统的可靠性设计准则，消除或减少包括直升机本身、以及人的失误和环境影响造成的故障和事件，从而提高直升机飞行的可靠性和安全性。
　　2 可靠性设计准则的编写要求
　　为了实现可靠性设计准则的编写目的，显然，编写一份完整、全面、易于实用操作的可靠性设计准则是非常重要的，为此，编制可靠性设计准则的要求如下：
　　2.1 准则应反映直升机的特点
　　a）  旋翼和传动装置等动部件是有别于固定翼飞机的特有部件，它们的性能直接关系到飞机的飞行安全，是直升机可靠性的关键件。
　　b）  直升机通常在低于6 000 m的飞行高度飞行，高性能的武装直升机要求贴地飞行。因此其飞行环境非常严酷，它有可能遭受雷电和高强度辐射场损伤、复杂地形的不利影响以及高压电缆的飞行阻碍。这种飞行环境严重地危及飞行安全。
　　c）  直升机操纵系统控制复杂，不仅有驾驶杆、脚蹬，而且还有旋翼操纵的总距杆、变距杆，这种多方位操纵控制方式大大增加了空勤人员的工作负担，很容易因为操作不当引起人为失误，造成严重后果。
　　因此，在型号的可靠性设计准则中，应根据直升机上述的独有特征，提出相应的设计要求。
　　对于主旋翼脱落提出了如下的设计要求：
　　a）  双载荷通道的主旋翼毂。
　　b）  双载荷通道主旋翼桨叶紧固销。
　　c）  复合材料的主旋翼毂。
　　又如，对于尾旋翼操纵的丧失，提出了如下设计措施：
　　a）  尾伺服机构采用双液压源供压。
　　b）  尾伺服操纵运行，使用复合材料拉杆代替操纵线系。 　　c）  使用双锁定自保持螺栓进行操纵运行连接。
　　2.2 准则应反映直升机的型号特点
　　众所周知，不同的型号具有不同的功能和结构。所以，必须根据每个直升机型号的特点编写可靠性设计准则，因此不可能有一篇通用的可靠性设计准则，设计师可以根据自己型号特点任务需求更改相应条款。
　　在以往的型号设计中，不论是什么样的型号，或者说无论是教练机、武装机、搜索救护机，还是运输机等都采用相同或相似的可靠性设计准则，结果是：
　　a）  有些条款要求不适用于某一具体型号的可靠性设计。
　　b）  有些条款要求对某一具体型号的设计要求不具体，也不完整，甚至于根本没有提出相应要求。
　　总之，必须根据型号特点编制相应设计准则，这样才能有效地指导型号的可靠性设计。
　　2.3 准则应将可靠性要求转化为可靠性设计措施
　　a）  为满足任务可靠性要求，许多直升机系统都采用余度设计。有些直升机具有2个主电源系统，任一主电源故障，另一主电源仍能满足全机供电要求。
　　b）  为了满足基本可靠性要求，减少故障发生，许多电子、电气部件采用降额设计。
　　c）  新一代武装直升机为减少手动输入信息的差错，采用语音输入代替手动输入。
　　2.4 准则应将可靠性分析计算中发现的薄弱环节转化为可靠性设计要求
　　在FMEA工作中，对于所发现的滑油系统故障，在其设计准则中提出如下要求：
　　a）  必須采取双套独立的滑油系统。
　　b）  座舱中必须有滑油油面指示系统。
　　c）  减速器应具有30分钟的干运转能力。
　　d） 应无外置和易损伤的滑油管路。
　　又如通过雷电/高强度辐射场保护系统分析，提出了如下的设计要求：
　　a）  电源系统采用高频滤波器。
　　b）  采用隔离变压器;c）  采用光-电隔离器。
　　2.5 准则应归纳总结直升机可靠性设计的经验教训
　　准则编写应收集以往型号直升机可靠性设计的经验教训，经分析、提炼、归纳和总结转化为可靠性设计要求。
　　应该说，这是当前可靠性设计工作的薄弱环节，目前，多种型号的直升机都在外场使用，它们存在许多可靠性设计问题、或者经验教训。但往往缺少设计师真正的认真的沉淀、思考、分析、归纳和总结并将之转化为可靠性设计准则，在以后的型号研制中能够得到解决。象，舱门由于舱门与舱门框体的结构强度与刚度不相协调，造成直升机振动引发的两者变形不相一致，使舱门意外打开。
　　对于上面的经验和教训，新研直升机的设计准则中增加了如下要求：在结构设计时，应使舱门与舱门框体的强度、刚度和变形相一致以防它们这些性能差异造成舱门意外打开。
　　2.6 准则编写应消化提炼国外设计标准和指南的相关要求
　　准则编写应认真消化、学习国外的相关标准（如MIL-STD-1472F等），通过对比分析，提炼裁剪，将相关内容转化为可靠性设计准则。
　　在MIL-STD-1472F的“为维修人员的设计”所提出的防差错设计的措施，可以转化为直升机人-机接口的可靠性设计要求。即：
　　a）  防止外形相同或相似但功能不同且不能互换零部件被互换的结构设计措施。
　　b）  防止零部件错误安装的结构措施。
　　c）  使可互换的零部件易于识别和互换的设计措施。
　　d）  使零部件易于正确安装的设计措施。
　　2.7 准则应满足“工程化、具体化、实用化”的要求
　　可靠性设计准则是为型号可靠性设计而编写的标准和指导性文件。它不仅提出要做什么，而且提出应如何做，即对型号的可靠性设计提出具体的实施办法。这样，使设计人员在实际工作中易于掌握和操作，从而将可靠性设计要求转化为可靠性设计的具体实施措施。
　　限于篇幅，对于准则应满足“工程化、具体化、实用化”的要求，请参见参考文献“直升机人-机-环境系统可靠性工程技术研究”第七篇专题报告：可靠性设计分析评估准则的编制与应用研究。
　　3 结论
　　通过上面的研究分析可以得出：
　　a）直升机可靠性设计准则的内容，不仅包括直升机本身的要求，而且应包括“人的因素”及“外部环境条件”对直升机安全性可靠性影响的相关设计要求。
　　b）直升机可靠性设计准则编写，必须符合直升机的特点和直升机型号的特点，并满足“工程化、具体化和实用化”的三原则编写要求。
　　c）可靠性设计准则的贯彻实施，不仅要进行符合性的检查、分析，找出未能满足要求的设计缺陷/差错，最为重要的要对条款内容进行分析，找出相应的设计措施，并将设计措施转化为图样设计。
　　参考文献
　　[1]陈圣斌，郝宗敏.直升机性能与RMS综合一体化设计的研究[J].直升机技术，2006（4）：23-29.
　　[2]陈圣斌，周晓光，曾曼成.可靠性设计分析、评估准则的编制与应用研究[R].中航工业直升机所，2010.
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