CN105043775B - 一种航空发动机关键系统危险分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航空发动机关键系统危险分析系统及方法，包括以下步骤：构建控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图；设定所有子功能的工作状态；模拟每个子功能在自身工作状态下的执行状态，确定所有潜在危险；对各项潜在危险进行危险等级划分，判断潜在危险的危险等级是否高于阈值；针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因并将高于阈值的潜在危险以及产生的原因发送至客户控制端；客户控制端根据接收的信息确定危险消除和控制措施，并依据所述危险消除和控制措施进行航空发动机关键系统的修正。本发明能够对航空发动机的危险消除和控制措施进行验证，并根据结果完善航空器发动机的危险消除和控制措施，保证航空器的安全。

Description

一种航空发动机关键系统危险分析系统及方法

技术领域

本发明涉及航空安全领域，具体的涉及一种航空发动机关键系统危险分析系统及方法。

背景技术

航空发动机是高速高温燃烧气体在高负荷下工作的动力机械。这种复杂的热力旋转机械是综合运用了气动热力学、燃烧学、结构力学、自动控制技术以及材料、工艺、测试等方面的科技成果而研制出来的，由数以万计精密零部件组合在一个尺寸受到严格限制的空间内。航空发动机工作在压力、温度、转速和应力变化范围很大的严酷条件下，不仅要满足性能、作战适用性、环境等方面的许多特殊要求，而且作为飞行器的动力装置，它直接影响飞行器的性能，对飞行器的安全性乃至效能起到至关重要的作用。因此对航空发动机的安全性要求比一般机械产品的要求更高，难度更大。

由于航空发动机复杂的技术和结构、严酷的工作环境以及对飞行器安全的重要作用，航空发动机的研制工作受到人们的高度重视，为保证发动机的质量各个国家和组织相继出台和修订了一系列标准以规范发动机的研制(和使用)过程。

虽然各类标准和规范从设计、制造和使用等角度对航空发动机做出了规定，以提高使用时的可靠性和安全性，但在实际外场使用时发动机的故障和事故依旧不断发生。据美国军方数据，从1989年至1999年10年间，美国空军因飞机发动机事故损失各类型军用飞机27架，并一共导致600多架军用飞机停飞。2006年6月2日一架美国航空公司的波音767客机正在进行引擎常规地面试车时发生严重发动机故障。2008年8月20日由于发动机起火西班牙航空公司的一架麦道-82型客机在马德里机场失事，客机上153人遇难、19人受伤。

航空器之所以故障和事故依旧不断发生，主要原因如下：

航空发动机技术需要综合气动、热力、燃烧、结构强度、控制技术、材料和工艺等多种学科，且发动机的工作条件恶劣，技术结构复杂、寿命可靠性等要求严格，而且这些要求还在随着人们对飞行器性能需求的不断提高而日益苛刻；

虽然有MIL-STD-882E[15]、GJB 900-90[16]、GJB/Z 99-97[17]等有关安全性的标准和手册对航空发动机的研制和使用提出要求和指导，但由于其并非专门以航空发动机为对象，因此与发动机研制特点结合不够紧密，针对性不强，缺乏具体指导方法，可操作性有待提高；

目前来自航空发动机通用规范和飞行器整机规范的发动机安全性要求多是从提高发动机单个功能部件的可靠性的角度来保证发动机的安全性，缺乏从发动机关键系统的安全角度对航空发动机安全性的研究，对人为差错、设计缺陷等非故障的事故致因考虑不充分，导致不能充分的对航空器发动机进行功能分析，不能完全保证航空器的安全。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有的航空器存在的危险性以及航空器发动机存在的安全性问题，具体地提供一种航空器发动机危险性分析系统，其通过对航空器发动机关键系统特性的研究、航空器发动机关键系统功能与整体危险关系的研究以及航空器发动机关键系统危险内涵的确定对航空器发动机进行功能危险分析，降低人为因素的影响，充分考虑发动机各个部件之间的关联性，大幅度提高航空器发动机关键系统的设计安全和可靠性。

具体地，本发明提供一种航空发动机关键系统的危险分析系统，其中所述航空发动机关键系统包括控制组件、滑油组件以及点火起动组件，其特征在于：所述危险分析系统包括便携式危险分析装置以及客户控制端，所述便携式危险分析装置与所述客户控制端通讯连接，

所述便携式危险分析装置包括壳体、触摸操作屏以及设置在所述壳体内部的数据处理单元和第一通讯模块，所述客户控制端包括第二通讯模块以及控制主机，所述第一通讯模块与所述第二通讯模块相互通讯；

所述数据处理单元包括功能构建单元、单一功能分析单元、功能深入分析单元、危险消除及控制措施验证单元以及航空发动机关键系统危险分析表生成单元；

所述功能构建单元包括控制组件构建单元、滑油组件构建单元以及点火起动组件构建单元，

所述单一功能分析单元包括控制组件分析单元、滑油组件分析单元以及点火起动组件分析单元，

所述功能深入分析单元针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因，并通过第一通讯单元将多个高于阈值的潜在危险以及产生的原因发送至客户控制端，

所述危险消除及控制措施验证单元对各个潜在危险的危险消除和控制措施进行验证，判断各个潜在危险的危险消除和控制措施的可行性，

以及所述航空发动机关键系统危险分析表生成单元根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，所述第一通讯单元将航空发动机关键系统危险分析表上传至客户控制端。

优选地，一种根据上述的危险分析系统进行航空发动机关键系统危险分析的方法，其包括以下步骤：

S1、针对航空发动机关键系统的控制组件、滑油组件和点火起动组件划分子功能，分别构建控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图；

S2、分析控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图中所有子功能的自身工作状态；

S3、模拟计算每个子功能在自身工作状态下的执行状态，确定每个子功能在自身工作状态下的所有潜在危险；

S4、针对各项潜在危险进行危险等级划分，调取危险等级阈值，判断潜在危险的危险等级是否高于预先设定的危险等级阈值；

S5、针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因，并通过第一通讯单元将多个高于阈值的潜在危险以及产生的原因发送至客户控制端；

S6、根据接收的信息确定危险消除和控制措施，并依据所述危险消除和控制措施进行航空发动机关键系统的修正；

S7、通过第二通讯单元以及第一通讯单元的通讯将所述危险消除和控制措施反馈至数据处理单元；

S8、对各个危险消除和控制措施进行验证，判断各个危险消除和控制措施的有效性；

S9、如果有效，保存S6中对航空发动机关键系统的修正，否则重复S3-S9。

优选地，步骤S5中确定潜在危险产生原因的方法具体包括以下步骤：

分析潜在危险涉及的动作部件及其促动装置之间的联系以获取潜在危险的特征，根据潜在危险的特征分析危险产生的原因。

优选地，步骤S5还包括根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，并将航空发动机关键系统危险分析表上传并保存至客户控制端。

优选地，步骤S1中根据所有子功能，由功能构建单元分别构建控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图。

优选地，控制组件分析单元、滑油组件分析单元以及点火起动组件分析单元分别设定控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图中所有子功能的工作状态，模拟计算每个子功能在自身工作状态下的执行状态，确定每个子功能在自身工作状态下的所有潜在危险，并针对各项潜在危险进行危险等级划分，判断潜在危险的危险等级是否高于预先设定的危险等级的阈值。

优选地，S5中，由功能深入分析单元针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因。

优选地，S6中由客户控制端根据接收的信息确定危险消除和控制措施，并依据所述危险消除和控制措施进行航空发动机关键系统的修正。

优选地，S8中由危险消除及控制措施验证单元对各个危险消除和控制措施进行验证，判断各个危险消除和控制措施的有效性。

优选地，还包括步骤S10，由航空发动机关键系统危险分析表生成单元根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，所述第一通讯单元将航空发动机关键系统危险分析表上传至客户控制端。

本发明的优点：

本发明通过将航空器发动机关键系统各个功能模块进行梳理与分析，获得各个功能模块在所有工作状态下的潜在危险，并对危险等级较高的潜在危险进行分析，得到航空发动机关键系统危险分析表，并应用到航空器发动机关键系统的设计中，使航空器发动机的危险消除和控制措施满足安全需要。本发明提供的方法能够对航空器发动机的危险消除和控制措施进行验证，并根据结果完善航空器发动机的危险消除和控制措施，保证航空器发动机的安全。

附图说明

图1为本发明的危险分析系统的结构示意框图；

图2为本发明的数据处理单元的结构示意框图；

图3为本发明的航空发动机危险性分析方法的流程示意图；

图4为本发明实施例的控制组件层次结构示意图；

图5为本发明实施例的滑油组件层次结构示意图；

图6为本发明实施例的点火起动组件层次结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明的工作原理进行进一步解释：

具体地，本发明提供一种航空发动机关键系统危险分析系统，如图1所示，其包括便携式危险分析装置1以及客户控制端2，便携式危险分析装置1与客户控制端2通讯连接，用于将其分析得到的航空发动机关键系统的危险分析结果表上传至客户控制端2。

便携式危险分析装置1包括壳体、触摸操作屏12以及设置在壳体内部的数据处理单元13和第一通讯模块14，客户控制端2包括第二通讯模块21以及控制主机22，第一通讯模块14与第二通讯模块21相互通讯。触摸操作屏12用于输入控制组件、滑油组件以及点火起动组件的各个功能模块以及各个功能模块的所有的工作状态。控制主机22用于输入各个功能的危险等级阈值。

如图2所示，数据处理单元13包括功能构建单元131、单一功能分析单元132、功能深入分析单元133、危险消除及控制措施验证单元134以及航空发动机关键系统危险分析表输出单元135，功能构建单元131、单一功能分析单元132、功能深入分析单元133、危险消除及控制措施验证单元134以及航空发动机关键系统危险分析表输出单元135依次通讯连接。

功能构建单元131包括控制组件构建单元、滑油组件构建单元以及点火起动组件构建单元，分别用于将航空发动机关键系统的控制组件、滑油组件以及点火起动组件的所有子功能进行构建，并根据构建后的功能分别得到控制组件、滑油组件以及点火起动组件的功能层次结构图和功能流程图，本实施例中，具体示意图如图4至图6所示。

单一功能分析单元132包括控制组件分析单元、滑油组件分析单元以及点火起动组件分析单元，控制组件分析单元根据控制组件的功能层次结构图和功能流程图对控制组件的所有功能模块在自身工作状态下的功能执行状态进行判定，找出控制组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，

滑油组件分析单元根据滑油组件的功能层次结构图和功能流程图对滑油组件的所有功能模块在自身状态下的功能执行状态进行判定，找出滑油组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，

点火起动组件分析单元根据点火起动组件的功能层次结构图和功能流程图对点火起动组件的所有功能模块在自身工作状态下的功能执行状态进行判定，例如判定打火功能在打火工作状态下的功能执行状态，找出点火起动组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险。在针对各项潜在危险进行危险等级划分，判断潜在危险的危险等级是否高于预先设定的危险等级的阈值时，一般设定危险等级阈值为3，并根据潜在危险在可能发生时会导致的危险的危险性进行等级评定，当潜在危险的危险等级高于等级阈值3时，对该潜在危险进行深入分析。

功能深入分析单元133用于根据单一功能分析单元132得到的控制组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险、滑油组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险以及点火起动组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，找出潜在危险的产生原因，并通过第一通讯单元将多个潜在危险以及潜在危险的产生原因发送至客户控制端，客户控制端根据接收的数据对航空发动机关键系统进行修正，消除潜在危险发生的可能性，并获取各个潜在危险的危险消除和控制措施，通过第二通讯单元将各个潜在危险的危险消除和控制措施反馈至数据处理单元。

危险消除及控制措施验证单元134对各个潜在危险的危险消除和控制措施进行验证，判断各个潜在危险的危险消除和控制措施的可行性以及是否会引入新的潜在危险。

航空发动机关键系统危险分析表输出单元135根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施输出航空发动机关键系统危险分析表，所述第一通讯单元将航空发动机关键系统危险分析表上传至客户控制端。

航空发动机关键系统危险分析表包括所有功能模块、各个功能模块的所有工作状态、各个功能模块在所有工作状态下的功能执行状态、各个功能模块在所有工作状态下的潜在危险、潜在危险的危险等级、高于危险等级阈值的潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施。

优选地，基于上述的航空发动机关键系统危险分析系统的分析方法，如图3所示，其包括以下步骤：

S1、通过触摸操作屏12输入航空发动机关键系统的控制组件、滑油组件以及点火起动组件的所有的子功能模块，例如在本实施例中，控制组件包括控制动力输出功能、发动机状态监视功能、信息交互功能、系统供电控制组件、控制系统管理功能、控制系统检测功能以及数据记录和软件维护。

S2、控制组件构建单元根据所有子功能得到控制组件的功能层次结构图和功能流程图，

滑油组件构建单元根据所有子功能得到滑油组件的功能层次结构图和功能流程图，

点火起动组件构建单元根据所有子功能得到点火起动组件的功能层次结构图和功能流程图；

在本实施例中，以某发动机全权限数字电子控制器为例，FADEC系统功能层次结构图的顶层功能是控制发动机按需求可靠地提供动力，按照不同的工作内容可进一步构建为控制动力输出功能、发动机状态监视功能、信息交互功能、系统供电控制组件、控制系统管理功能、控制系统检测功能以及数据记录和软件维护功能，其中，控制动力输出功能是FADEC系统的基本控制组件。它直接关系到发动机的顺利起动、按整机需要产生适当的推力或功率，并对涉及发动机安全极限参数进行限制保护，以及使发动机安全停车。并在此基础上，从发挥发动机性能效益的角度，尽量提供良好的动态特性，并力求达到性能最优。FADEC系统的其他功能基本上均是为保障控制动力输出功能的正常执行而设计的。在本实施例中，控制动力输出功能根据被控部件划分为以下几个方面：

1)压气机控制组件

对于具有高增压比的压气机，当发动机在偏离设计点较远的状态工作时或在发动机的加速过程中，压气机容易发生因气流分离导致的失速或喘振等稳定性问题。压气机的控制目的就是使气流保持气动稳定要求的攻角流向压气机叶片，防止气流在叶背上分离。压气机具体的控制方法有：中间级放气、旋转导流叶片和使导流叶片后缘转动。

2)燃烧室控制组件

燃烧室控制是发动机最主要的控制组件。在起动阶段需要进行点火控制、起动供油量控制。在发动机起动成功后，则通过供油量的调节使发动机产生期望的推力或功率，并保证发动机不出现喘振、超温、超转、超压等不安全工作状态。

3)涡轮控制组件

对涡轮部件的控制主要是为了提高发动机的工作效率，这是通过主动控制涡轮叶尖隙实现的。涡轮叶尖隙的控制方法是利用热胀冷缩原理，通过控制从压气机引来的冷却空气流量控制叶尖处部件温度，进而控制涡轮叶尖隙。

4)其他控制组件

除以上几个方面之外，控制动力输出功能还包括起动机控制、防冰放气控制、电液伺服阀转换控制、扭振陷波控制等。

在其余实施例中，根据发动机各个组件在设计时的所有子功能，即能够构建出所有组件的功能层次结构图和功能流程图，并能够获得各个子功能的所有功能模块在自身工作状态下的所有功能执行状态，并能够获得其余需要获得的信息。

S3、控制组件分析单元根据控制组件的功能层次结构图和功能流程图对控制组件的所有功能模块在自身工作状态下的功能执行状态进行判定，找出控制组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，

滑油组件分析单元根据滑油组件的功能层次结构图和功能流程图对滑油组件的所有功能模块在自身工作状态下的功能执行状态进行判定，找出滑油组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，

点火起动组件分析单元根据点火起动组件的功能层次结构图和功能流程图对点火起动组件的所有功能模块在自身工作状态下的功能执行状态进行判定，找出点火起动组件的所有功能模块在自身工作状态下的所有潜在危险并针对各项潜在危险进行危险等级划分，找出危险等级高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，一般情况下，危险等级阈值为3，而在找出的潜在危险的危险等级高于3时，需要对这些潜在危险进行进一步分析。

S4、功能深入分析单元133根据单一功能分析单元132得到的控制组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险、滑油组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险以及点火起动组件存在的高于预先设定的危险等级阈值的潜在危险，找出潜在危险的产生原因，具体步骤如下：

分析潜在危险涉及的动作部件及其促动装置之间的联系以获取潜在危险的特征，根据潜在危险的特征分析危险产生的原因。并通过第一通讯单元将多个潜在危险以及潜在危险的产生原因发送至客户控制端2。

S5、客户控制端2根据接收的数据对航空发动机关键系统进行修正，消除潜在危险发生的可能性，并获取各个潜在危险的危险消除和控制措施，通过第二通讯单元将各个潜在危险的危险消除和控制措施反馈至数据处理单元13。

S6、危险消除及控制措施验证单元134对各个潜在危险的危险消除和控制措施进行验证，判断各个潜在危险的危险消除和控制措施的有效性。

S7、如果有效，航空发动机关键系统危险分析表输出单元135根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施输出航空发动机关键系统危险分析表，保存S5中对航空发动机关键系统的修正，否则重复S3和S6。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种航空发动机关键系统的危险分析系统，其中所述航空发动机关键系统包括控制组件、滑油组件以及点火起动组件，其特征在于：所述危险分析系统包括便携式危险分析装置以及客户控制端，所述便携式危险分析装置与所述客户控制端通讯连接，

所述便携式危险分析装置包括壳体、触摸操作屏以及设置在所述壳体内部的数据处理单元和第一通讯模块，所述客户控制端包括第二通讯模块以及控制主机，所述第一通讯模块与所述第二通讯模块相互通讯；

所述数据处理单元包括功能构建单元、单一功能分析单元、功能深入分析单元、危险消除及控制措施验证单元以及航空发动机关键系统危险分析表生成单元；

所述功能构建单元包括控制组件构建单元、滑油组件构建单元以及点火起动组件构建单元，

所述单一功能分析单元包括控制组件分析单元、滑油组件分析单元以及点火起动组件分析单元，

所述功能深入分析单元针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因，并通过第一通讯单元将多个高于阈值的潜在危险以及产生的原因发送至客户控制端，

所述危险消除及控制措施验证单元对各个潜在危险的危险消除和控制措施进行验证，判断各个潜在危险的危险消除和控制措施的可行性，

以及所述航空发动机关键系统危险分析表生成单元根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，所述第一通讯单元将航空发动机关键系统危险分析表上传至客户控制端。

2.一种采用权利要求1所述的危险分析系统进行航空发动机关键系统危险分析的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、针对航空发动机关键系统的控制组件、滑油组件和点火起动组件划分子功能，分别构建控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图；

S2、分析控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图中所有子功能的自身工作状态；

S3、模拟计算每个子功能在自身工作状态下的执行状态，确定每个子功能在自身工作状态下的所有潜在危险；

S4、针对各项潜在危险进行危险等级划分，调取危险等级阈值，判断潜在危险的危险等级是否高于预先设定的危险等级阈值；

S5、针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因，并通过第一通讯单元将多个高于阈值的潜在危险以及产生的原因发送至客户控制端；

S6、根据接收的信息确定危险消除和控制措施，并依据所述危险消除和控制措施进行航空发动机关键系统的修正；

S7、通过第二通讯单元以及第一通讯单元的通讯将所述危险消除和控制措施反馈至数据处理单元；

S8、对各个危险消除和控制措施进行验证，判断各个危险消除和控制措施的有效性；

S9、如果有效，保存S6中对航空发动机关键系统的修正，否则重复S3-S9。

3.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：步骤S5中确定潜在危险产生原因的方法具体包括以下步骤：

分析潜在危险涉及的动作部件及其促动装置之间的联系以获取潜在危险的特征，根据潜在危险的特征分析危险产生的原因。

4.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：步骤S5还包括根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，并将航空发动机关键系统危险分析表上传并保存至客户控制端。

5.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：步骤S1中根据所有子功能，由功能构建单元分别构建控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图。

6.根据权利要求4所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：控制组件分析单元、滑油组件分析单元以及点火起动组件分析单元分别设定控制组件、滑油组件和点火起动组件的层次结构图和流程图中所有子功能的工作状态，模拟计算每个子功能在自身工作状态下的执行状态，确定每个子功能在自身工作状态下的所有潜在危险，并针对各项潜在危险进行危险等级划分，判断潜在危险的危险等级是否高于预先设定的危险等级的阈值。

7.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：S5中，由功能深入分析单元针对高于阈值的潜在危险确定产生潜在危险的原因。

8.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：S6中由客户控制端根据接收的信息确定危险消除和控制措施，并依据所述危险消除和控制措施进行航空发动机关键系统的修正。

9.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：S8中由危险消除及控制措施验证单元对各个危险消除和控制措施进行验证，判断各个危险消除和控制措施的有效性。

10.根据权利要求2所述的航空发动机关键系统危险分析方法，其特征在于：还包括步骤S10，由航空发动机关键系统危险分析表生成单元根据分析得到的潜在危险、潜在危险的产生原因以及危险消除和控制措施生成航空发动机关键系统危险分析表，所述第一通讯单元将航空发动机关键系统危险分析表上传至客户控制端。