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1、飞机鸟撞特定风险分析方法研究摘要：特定风险是指位于飞机外部或内部且位于被分析系统或项目外部的那些事件或影响，其可能破坏失效独立性声明1。鸟撞是典型的特定风险源之一，但是，目前适航文件或相关标准中并未给出鸟撞特定风险分析方法。为了充分地识别鸟撞对飞机的安全性影响，主要梳理了鸟撞安全性要求，简述了鸟撞对系统安全性的影响的分析方法，最终归纳形成了飞机鸟撞特定风险分析方法，对于保障飞机的安全飞行具有重要的意义。关键词：鸟撞；鸟撞仿真；特定风险分析；飞机安全中图分类号：V 215.7文献标志码：A文章编号：1672-5468（2020）S2-0001-03doi:10.3969/j.issn.1672-
2、5468.2020.S2.001Research on the Particular Risk Analysis Method of BirdStrike to AircraftHUANG Duojia1，2，3，ZHANG Rui1，2，3，HAN Xiaojun4，LI Quan4，WANG Wu5（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology，Guangzhou 510610，Ch
3、ina；3.National Joint Engineering Research Center of Reliability Test and Analysis for ElectronicInformation Products，Guangzhou 510610，China；4.Aircraft Industry（Group）Company LTD，Xian 710089，China；5.Sichuan Jiuzhou Electric Group Co.，Ltd.，Mianyang 621000，China；）Abstract：Particular risks are defined a
4、s those events or influences that are external to theaircraft or within the aircraft but external to the systems and items being analyzed，which mayundermine the failure independence statement 1.Bird strike is one of the classical particularrisks.However，theres no recommended method for bird strike r
5、isk analysis in airworthinessdocuments or related standards.In order to identify the safety effect of bird strike to aircraft，thesafety requirements of bird strike are summarized，and the analysis methods of the influence ofbird strike on the safety of the system are briefly described，and finally a s
6、pecific risk analysismethod for bird strike is formed，which is of great significance for ensuring the safe flight ofaircraft.Key words：bird strike；bird strike simulation；particular risk analysis；aircraft safety基金项目：民用飞机专项科研基金（MJ-2017-J-92）资助。收稿日期：2020-05-14修回日期：2020-05-27作者简介：黄铎佳（1988-），男，广东惠来人，工业和信
7、息化部电子第五研究所可靠性与环境工程中心工程师，硕士，主要从事安全性、可靠性技术等方面的研究工作。通信作者：张蕊（1979-），女，陕西西安人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程中心高级工程师，硕士，从事可靠性与安全性分析工作。电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING可靠性与环境适应性理论研究2020年8月第38卷 增刊2Vol38 S2 Aug.，2020DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN1电子产品可靠性与环境试验
8、DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2020年0引言鸟撞是飞机在运行过程中的主要安全威胁之一，据统计，在商业飞机运营中，已发生过47起致命的鸟撞事故，并导致了242人死亡2。因此，鸟撞特定风险分析是适航规定的安全性分析项目之一3-4。在飞机研制过程中，实施鸟撞特定风险分析，评估系统安装的合理性，有助于避免由鸟撞带来的共因问题，保证飞机不因单鸟撞击带来灾难性或危险性后果。目前，SAE ARP 4761等标准仅给出了特定风险分析的一般性流程4，但未提出适用的鸟撞风险分析模型，因此，为了保证飞机的安全性，应研究飞机鸟撞特定风险
9、分析方法，识别鸟撞对飞机的安全性的影响，并从防护、安装和结构等方面，提升飞机对鸟撞的适应性。当前对鸟撞风险分析主要集中于适航条款解析、鸟撞仿真分析方法等，金镭5-6等梳理了适航条款中对鸟撞的安全性要求，整理了应开展鸟撞风险分析的飞机部位，但对鸟撞特定风险分析的一般性流程与方法缺乏研究。因此，本文将从适航条款出发，梳理鸟撞安全性要求，提出鸟撞模型、鸟撞角度和鸟撞影响模型，形成鸟撞特定风险分析的一般性流程与方法，为开展飞机鸟撞特定风险分析提供方法支撑。1鸟撞相关适航要求综合EASA、CCAR25和FAR25部的适航条款，与鸟撞 相 关 的 适 航 条 款 主 要 有25.631、25.571、25
10、.775和25.1309等，要求飞机在遭受单鸟以一定重量和速度的撞击后具有安全飞行的能力，确保飞机不因单鸟撞击带来灾难性或危险性后果。按照AMC 25.631的要求，应在设计早期阶段对重要系统开展鸟撞失效评估分析工作，通常这类安全关键设备不应安装在易受鸟撞击的区域，主要是飞机迎风面，包括：机头（驾驶舱地板以上区域，含雷达罩、风挡、通风窗、天窗骨架、天窗骨架上顶板、天窗骨架下顶板和左右侧壁板）、机翼前缘、襟翼、垂尾前缘和平尾前缘等5-6。在鸟撞特定风险分析中，主要从系统安装、防护等角度进行分析，保证不因单鸟撞击带来灾难性或危险性后果。2鸟撞风险分析模型在工程实践中，由于经费、进度等条件的制约，无
11、法完全通过鸟撞试验来验证对安全性要求的符合性。所以，通过仿真或分析的方法确定鸟撞的影响是必要的。在仿真和分析过程中，可采用的鸟撞模型如下所述。a）鸟体模型鸟体的尺寸可简化为如表1所示。b）鸟撞角度由于鸟撞主要发生在飞机起飞、爬升、下降与进近阶段，所以可依据这些阶段飞机飞行包线的俯仰角与偏航角来确定鸟撞的可能角度，并通过偏转鸟体撞击角度来开展仿真与分析工作，如图1所示。c）鸟撞风险模型在鸟撞分析过程中，有以下3个基本假设条件：1）鸟体为有限能量体；2）鸟体在高速过程中呈现流体特性；3）鸟体对结构的损伤有穿透和凹陷两类。基于以上假设，在鸟撞特定风险分析中，可采用以下鸟撞的风险模型。a）由于鸟体在高
12、速下呈现流体特性，若鸟的轨迹完全在设备相应投射面的覆盖范围内，则鸟体无法继续穿透，如图2轨迹1所示；若鸟的轨迹不完全在设备相应投射面的覆盖范围内，则鸟的一部分将继续向前穿透，并影响下一个撞击物体，如图2轨迹2所示。b）在鸟撞轨迹内的设备视为失效，但不产生错误信号。c）与凹陷部分结构件直接接触的设备被视为失效，如图2所示。基于以上模型，通过仿真、分析等方法确定鸟撞轨迹，梳理鸟撞轨迹上的设备、管路和电缆布置情况，可得到鸟撞对系统的影响结果。3鸟撞的安全性影响分析结合鸟撞的影响结果，开展安全性分析，具体的步骤如下所述：1）通过检查单鸟撞击轨迹上设备、管路和电缆等的安装情况，对鸟撞轨迹内的相应设备、管
13、路和电缆进行分析；2）在组件级，结合FMEA等文件，确定鸟撞下的组件失效影响；3）在系统级，结合SSA、FTA等文件检查组件失效对图2鸟撞设备的失效假设轨迹2轨迹1凹陷失效正常b鸟撞俯仰角度图1鸟撞角度表1鸟体模型尺寸7l/mmd/mm/（gm-3）形状1.8 kg（4磅）鸟2081200.95圆柱体3.6 kg（8磅）鸟2621510.95圆柱体a鸟撞偏航角度2DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN增刊2系统/飞机的影响，确定单鸟撞击下的安全性影响；4）分析与适航要求的符合性情况，具体的流程如图3所示。4某型飞机鸟撞特定风险分析实例结合某型飞机
14、尾翼开展鸟撞特定风险分析方法的应用。a）安全性要求1）飞机尾翼将能够承受3.6 kg（8 lb）飞鸟在海平面巡航速度下的撞击。尾翼前梁或前缘不被击穿。2）确保飞机不因单鸟撞击带来灾难性或危险性后果。b）鸟撞仿真针对飞机尾翼数字模型，利用显式有限元方法进行鸟体撞击飞机结构的仿真模拟研究。通过SPH单元为鸟体建模，某飞机尾翼（垂尾）前缘的仿真结果如图4-5所示。根据仿真结果，飞机尾翼前缘可被击穿，前缘隔板发生较大塑性变形，前梁发生微小塑性变形。c）鸟撞安全性影响分析依据飞机尾翼前缘到前梁间的设备电缆管路安装文件，确定尾翼前缘鸟撞相关的系统如表2所示。由于仿真结果表明尾翼前缘被击穿，某鸟撞轨迹下可同
15、时碰撞除冰导管与防撞灯电缆，导致相关失效行为，如表3所示。根据仿真与分析结果，确定飞机满足鸟撞安全性要求。5结束语本文阐述了鸟撞特定风险分析的一般性方法，如图6所示。包括了鸟撞安全性要求确定、鸟撞对系统的影响分析和鸟撞的安全性影响分析等方面，通过鸟撞特定风险分析，确定鸟撞对飞机的安全性影响，通过结构防护、系统安装更改等方式，避免由于鸟撞的共因失效带来的飞机级灾难性、危险性影响。参考文献：1 SAE.Guidelines for development of civil aircraft and sys-tems：SAE APR 4754A S.2 LLIAS Maragakis.Bird po
16、pulation trends and their impacton aviation safety 1999-2008 R.Germany：EuropeanAviation Safety Agency，2009.3 U.S.Department of Transportation.System design and anal-ysis：AC 25.1309-1A S.4 SAE.Guidelines and methods for conducting the safety as-sessment process on civil airborne systems and equipment
17、：SAE APR 4761 S.5金镭，刘友丹.运输类飞机鸟撞适航性技术研究J.航空标准化与质量，2012（6）：11-15.6张柱国，郝一鸣.运输类飞机鸟撞及符合性验证综述J.航空科学技术，2013（6）：1-4.7 WILBECK J S.Impact behavior of low strength projectilesR.Ohio：Air Force Materials Laboratory，1971.表3鸟撞安全性影响分析序号轨迹影响设备/管路/电缆安全性影响影响分类1轨迹1除冰导管、防撞灯电缆通告 的 丧 失 尾翼除冰功能；丧失防撞灯MAJ2图6鸟撞特定风险分析实施流程确定鸟撞的
18、安全性要求确定鸟撞影响范围分析鸟撞系统的影响分析鸟撞系统带来的安全性风险判定鸟撞符合性适航条款（631,1309）工业标准机头机翼/尾翼前缘襟翼试验仿真分析组件FMEA系统SSA图4某飞机尾翼某位置前缘鸟撞仿真示例图5某飞机尾翼某位置隔板、前梁鸟撞仿真示例表2尾翼前缘鸟撞相关的系统序号所属系统相关设备/部件1防除冰系统除冰导管2照明系统防撞灯电缆3（以下省略）图3安全性影响分析流程确定单鸟撞击轨迹确定轨迹内受影响的设备、管路和电缆安装、防护等设计文件组件FMEA、PSSA文件确定组件级失效系统级FTA、SSA文件确定系统/飞机级安全性影响确定安全性影响的符合性鸟撞安全性要求符合符合要求不符合形成报告加强防护、更改安检位置黄铎佳等：飞机鸟撞特定风险分析方法研究3