某型飞机氧气系统动态故障树分析

某型飞机氧气系统动态故障树分析

李金柱,詹岳

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710000

摘要：对某型航空器氧系统的运行状况进行了分析，以飞行员无法吸入氧为顶点，选择了顺序相关门作为逻辑门的动态故障树，并对故障树进行了定量分析；利用马尔科夫传输链概率的方法，求出了顶点事件的发生概率；采用减支法进行底部事故的概率重要性分析，确定了系统的弱点，并给出了相应的改进措施。该方法能对复杂的系统进行正确的故障类型分析，其定量的计算结果具有较高的精度，为飞机维修、生产和大修等生产厂家提供了第一手的资料。

关键词：氧气系统；动态故障树；顶事件发生概率；底事件概率重要度

引言

某型客机在飞行训练时，发生了正常氧气不足的情况，系统会自动开启后备氧气供应，保障飞行员的正常生理需要。氧系统是飞机驾驶室中的一个子系统，它对飞行员的生命保护起着至关重要的作用。本文采用故障树方法，对其进行了失效概率分析，找出了氧系统的薄弱环节，为机组的维修和设备的技术改造提供了依据。

1氧气系统的故障树分析

故障树方法是将系统不想要的事件（失效状态）当作故障树的顶部事件（TOP事件），并以指定的逻辑符号来表达。通过相应的计算和分析，本文提出了一种基于逻辑框图的故障树模型，通过对故障的定性和定量的分析，找到故障的根源，并针对这些问题提出了相应的对策，以提高系统运行的可靠性。

1.1故障树的建立

在评价和分析飞机氧系统的可靠性时，发现飞机氧供应系统发生故障。通过对氧气系统的简要分析，发现氧气系统失效的主要原因有：氧气系统失效、客舱氧气系统失效、便携式氧气系统失效。

每个编号与底部事件的对应关系如下：X1表示氧气罐总成发生故障，X2表示氧面罩发生故障，X3表示人工抛出功能失败，X4表示便携式氧装置发生故障。

1.2故障树分析

在失效树分析中，以基础事件的发生概率为基础。假定 M是一个具有 YM可靠性的顶部事件，其基础事件为1至 n，对应的可信性为x1、x2、...、 xn，失效效率为q1、q2、...、 qn，如果所有的故障树都是与门，则该失效树的连接均为“与”。

2氧气系统失效动态故障树

从氧系统运行过程中可以看出，主、备用和应急氧的工作具有先后次序，而传统的静态故障树（SFT）则主要采用“与门”、“或门”等静态逻辑门，不能用于氧的分析。动态失效树是根据系统运行时的动态特征来定义系统发生顺序、时间关系的动态逻辑门，例如顺序与门、冷备件门、温备件门等；基于这里的分析要求，下文将只描述一种动态的逻辑门，即序列相关闭（SEQ）。序列相闭合代表它的多个输入事件A1、A2、...、 An必须按从左边向右边的顺序进行，如果没有，则没有。采用连续闭合作为顶部事件的逻辑门，以飞行员无法吸入氧气为顶点，建立了一棵动态失效树。

3 氧气系统动态故障树定量分析

对于动态故障树进行定量分析，仅需要对故障树中的动态组件采用马尔可夫链传递的复杂表达式进行计算，其他静态模型仍采用布尔模型。氧系统故障树可以看成是一个具有顶事件、G1、G2、G3为底部事件的动态故障树。其中，G1、G2、G3为静态子模组失效树；经过对氧系统故障树的分析，将其转换成一个链长为3的马尔可夫转移链。

3.1 底事件概率重要度

底部事件的概率重要性是指由第 i个底部事件发生的概率所造成的改变导致顶部事件的概率。通过比较各底部事件的概率重要性，可以发现哪些组件能给系统带来最大的改善。采用减支方法对底部事件的概率重要性进行了分析，并将其引入马尔可夫链概率公式中，得到了全局事件的概率重要性。利用马尔可夫链的复杂传递公式求解底部事件的概率重要性，由于计算过程比较繁琐，为了节约空间，采用 Matlab程序编制了相应的公式，并将该公式代入到相应的变量中，以求出底部事件发生的概率重要性。最有可能发生的三个底部事件分别是E3 （氧气源转换器故障）、E4 （紧急把手故障）、E5 （紧急储气罐泄漏），这些都是需要维修和检修的零件。减少事件E3、E4、E5的失效几率，可以在某种程度上减少发生顶部事件的概率，使整个系统的失效几率减小。此型飞机的主要氧源是采用了先进的分子筛变压吸附技术，在可靠性上没有传统的用氧瓶子来贮存。当飞机在飞行时，当氧气的正常压力突然下降到报警值以下时，系统会从氧气转换装置中自动转换成后备氧。

这就是文章开始所提及的飞机上发生的氧系统失效的问题。因此，氧源转换装置是氧系统中的一个重要组成部分，减少它的失灵可以有效地防止驾驶员“无法呼吸”。如果将λE3的失效率从5x10-5h-1提升至1x10-5h-1，用方程式进行求解，得到了5x264×10-5的顶点事故概率，使整个系统的失效几率减少到1/5。

3.2动态故障树定量分析的特点

1)对某些静态失效树无法解决的问题进行了分析。在复杂的动态性、冗余性、相关性等复杂问题中，采用动态逻辑门可以更好地描述故障的先后次序和成因，并且逻辑清晰、精确。2)更精确地计算出了顶点事件出现的概率。若用“与门”的静态逻辑门取代了文中所说的“连续关机”，则出现顶点事故的可能性：上述结果比动态逻辑门的2.6058×10-4要大得多。3)可以精确地计算出系统的关键程度，并根据比较，准确地发现系统的弱点。在静态失效树中，根据公式计算底部事件的重要性，会导致多个计算结果一致，也就是说，不能比较分析底部事件。

结语

综上所述，飞机上的氧气系统，主要是为了保证飞机在释放压力后的氧气，便携式氧装置也可以在飞机上使用，在火灾时可以提供救命的氧气。氧系统的故障对飞机的飞行安全构成了极大的威胁。在航空史上，由于飞机氧系统失效而导致的航空意外事件屡见不鲜，所以进行氧系统可靠性的研究就显得尤为重要。通常使用故障树方法来进行飞机氧系统的可靠性分析。同时，应用此方法对飞机氧系统的失效机制及故障原因进行了深入的研究，为飞机氧系统的失效提供了一种有效的解决方案。基于故障树的结构方程，可以利用蒙特卡洛法模拟飞机的氧系统。

参考文献：

[1]张大信,郭基联.动态故障树顶事件概率计算流程[J].信息工程大学学报,2021,22(05):566-570+605.

[2]秦启森. 基于故障树的电子设备电磁兼容故障分析[D].西安电子科技大学,2020.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2020.003446.

[3]赵攀. 基于失效物理与故障树分析的典型机载电子设备的可靠性预计方法与软件实现[D].西安电子科技大学,2020.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2020.003067.

[4]毕苏艺. 运输类飞机轮胎爆破安全性分析技术研究[D].南京航空航天大学,2017.

[5]全佳. 飞机燃油箱安全监控参数实验研究[D].沈阳航空航天大学,2014.

[6]汤旭.民用飞机氧气系统故障树分析[J].民用飞机设计与研究,2012(S1):174-177.DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2012.s1.042.

[7]刘育. 现代民用飞机环境控制系统研究[D].华南理工大学,2012.

[8]姚立彬,陈红斌.因一起飞机旅客氧气系统故障所引发的反思[J].西藏科技,2011(12):19-21.

[9]张大信,郭基联.动态故障树顶事件概率计算流程[J].信息工程大学学报,2021,22(05):566-570+605.