航空可靠性发展综述

航空可靠性研究的发展范中允1引言可靠性又称生存概率，用于衡量产品性能指标。可靠性是产品的基本属性，随着产品的存在而存在，但是可靠性却作为一个独立工程科学却只有30年历史。随着科学技术的发展，产品的可靠性逐渐体现出它的重要性，可靠性不仅影响产品的性能，还会影响国家经济和安全等重大问题，也成为了工程和科研的重点问题。由于社会需求的强大推动力，可靠性工程从概率统计、系统工程、质量控制、生产管理等科学的基础上建立起来，成为一门独立学科。2可靠性的发展阶段纵观可靠性工程的发展过程，可以将可靠性工程的发展分为准备和萌芽阶段、兴起和独立阶段、全面发展阶段、深入发展阶段。2.1可靠性的准备和萌芽阶段（上世纪30-40年代）在这一阶段，与可靠性相关的数学理论逐渐发展完全。可靠性的最主要理论是概率论，在17世纪初开始逐步确立；数理统计的理论在上世纪30年代开始也开始迅速发展。这些数学理论的逐渐成熟使得一些工程实际问题开始与数学理论相结合，开始产生可靠性的概念。2.2可靠性的兴起和独立阶段（上世纪50年代）上世纪50年代初，美国军用电子设备的失效率问题得到国防部的注意，，于是国防部成立了由军方、工业界、学术界组成了“电子设备可靠性顾问组”（AGREE）。1957年6月14号，AGREE发行了著名的《军用电子设备可靠性》，改报告对如何解决产品可靠性问题进行了广泛、系统、深入的研究并提出了一系列办法，成为美国一系列军标的基础。这份报告也在国际上提供了制定有关可靠性技术指标的依据。因此，AGREE可以被看作可靠性工程成为一门独立学科的里程碑。2.3可靠性的全面发展阶段（上世纪60年代）在这一阶段，世界各个国家受经济发展的带动，纷纷效仿美国制定、修订了一系列有关可靠性的军标、国标和国际标准，或是成立可靠性研究中心。这一时期的可靠性理论和成果如雨后春笋般显现：开发了加速寿命试验和快速筛选试验这两套更有效的试验方法；开发了按系统功能和参数预计可靠性的蒙特卡洛模拟法等新的可靠性预测技术；开拓了研究失效机理的可靠性物理这门新学科；发展了故障模式、影响及致命度分析（FMECA）和故障树分析（FTA）这两种有效的系统可靠性分析技术；发展了维修性、人的可靠性和安全性的研究；建立了有效的数据系统等。2.4可靠性的深入发展阶段（上世纪70年代至今）上世纪70年代以来，更严格、更符合实际、更有效的设计和试验方法得到了发展和应用，比如：更严格的简化和降额设计，这使得产品零件数大大减少，从而使其可靠性大为提高；发展了计算机负责的可靠性设计，包括复杂电子系统的可靠性预测及精确的热分析和热设计；研究了非电子设备（机械和机电设备）的可靠性设计和可靠性试验；采用组合环境应力试验，如温度-湿度-振动试验，以便更真实地模拟环境；加速环境应力筛选试验；可靠性增长试验，以及加速寿命试验等。此外，维修工程也由以预防为主的维修思想转变为以可靠性为中心的维修思想。3.可靠性在民用航空业的发展概况3.1国外的发展状况飞机可靠性是飞机质量的重要特性，是决定飞机效能和寿命周期费用的重要因素。在国际上，以波音和空客为代表的美国和欧洲飞机制造商，都有50年以上的大型民用飞机设计生产经验，其对可靠性、维修性的研究已经具有相当高的水平。美欧也是最早推行民用飞机可靠性研究的国家，对各种型号飞机的使用数据的收集、处理都有一套相对完备的程序，从而积累了大量民用飞机可靠性数据，在此基础上不断对可靠性理论进行完善和创新，并将各种可靠性的新理论、新方法应用到最新的民用飞机研究设计、制造、保障和客户支援上，这使得欧美国家在民用飞机可靠性的研究、应用、推广和发展上处于领先地位，为他们进行整机、系统、设备的创新性设计和可靠性评估提供了基本保证。在飞机设计公司，可靠性不仅贯穿了其整个飞机设计、飞机定型试验、飞机制造、合作方选择、分包生产、保障支援等各个生产环节，而且还被广泛地应用到企业管理、营销管理、市场开发、客户服务等多种管理和商务活动中。如美国波音公司上世纪90年代设计的波音737NG系列商用飞机在设计时，全面应用可靠性、维修性的最新成果，使该飞机的使用维修费用减少了15%以上，对于飞机维修占运营成本很大比重的航空公司来说，波音公司提供了一种更加节约成本、更加经济飞机，可靠性为波音公司赢得了更多用户，帮助它占领市场。波音飞机也因此在行业内因其经济实用、质量好而耐用、有优良的维护性以及极佳的安全记录而在民用航空业内得到了极高的认同和广泛的赞誉，波音公司在民用航空领域的地位和成就、美国在航空领域的霸主地位，很大程度上要归功于其可靠性的发展和应用。3.2我国的民航可靠性发展概况我国的民用航空可靠性、维修性、保障性工程始于上世纪70年代，成长于80年代，自90年代进入了全面发展阶段。最具有代表意义的是运七直线飞机和运十干线飞机的研制。运10飞机是从1970年开始研制的，1980年首飞成功，1985年由于多种原因停止了研制。该飞机由上海飞机研究所和上海飞机制造厂共同研制。虽然运7、运10在研制过程中也考虑了部分可靠性的因素，但是其研制的目的都是解决有和无的问题，在方案设计阶段，更多的要考虑的是飞机性能，许多方面还谈不上可靠性设计。我国实行改革开放政策后，民用飞机工业走上了对外合作的道路。从1985年开始，上航公司与美国麦道公司签订了合作生产MD82飞机的协议，后又续签了继续生产10架MD83飞机的协议，直到1994年生产了35架MD82、83飞机。与此同时，在MD82改型项目中，进行了飞机的可靠性设计、分析；在适航技术课题研究中，进行了CCAR25.1309符合性验证的研究。从1995年开始，中航工业又开始与麦道公司合作生产干线飞机MD90，虽然我国成飞、沈飞、西飞和上航公司都参与了生产，机体的国产化率也达到了70%以上，但由于我国不具有麦道飞机设计的知识产权，因此也很难有真正的可靠性设计和维修性设计。1996年，我国的民用航空领域想与欧洲空客公司联合研制AE-100飞机项目，当时在北京集中了我国的一大批航空工业人才，成立了中航工业下属的民用飞机总体设计部，在国家有关部门的支持下开展了大量论证工作，民用飞机的可靠性工作也在过去积累的经验基础上上了一个新台阶。在国内航空界可靠性、维修性专业领域有关专家、学者的共同努力下，根据国际民航组织标准、中国民用航空条例、美军标、国标等有关标准及规定，在总结国内外民用飞机研制的经验基础上，反复论证编写了《民用飞机可靠性、维修性技术指南》，为我国民用飞机的可靠性的管理、设计、分析、评估、试验、验证及产品支援等工作提供了一套规范的工程指导性文件，其内容涉及可靠性、维修性等参数指标的选择和确定，可靠性、维修性工程，和可靠性、维修性管理等领域。近年来随着国内C919新型干线民航客机的研制项，可靠性研究有了一个稳定的民用飞机型号作为研究背景，可靠性研究也更加透彻。但是可靠性研究依赖数据和经验，国外民用飞机制造商将飞机的设计数据和全球机队的使用数据列为高度商业秘密，不可能从国外继承和学习太多，而国内航空公司的数据收集能力从管理上也存在诸多不足，使得目前我国民用飞机可靠性的研究尚处在一个较为粗浅的水平上，尤其缺乏飞机的使用数据。由于上述原因，我国在进行可靠性评估分析时，在数据收集和整理方面存在着很大的困难，其主要表现为：（1）我国航空公司的机队规模偏小，特别是同一机型、同一使用情况下的飞机非常之少，在统计学中称为小子样问题。在进行整机、系统、设备、发动机的可靠性评估时往往遇到的是数据样本量不足的问题。（2）可靠性数据收集不足。国内航空公司在数据收集上存在不少数据流失的情况，而且各个航空公司之间不会互相交流，而是将数据当做商业机密，导致可靠性数据极为匮乏。4.国内外小子样问题的研究现状在我国民用航空领域，由于前文所述的原因，国内在对待飞机可靠性问题时，只能当做小子样分析问题来处理。另外对于新研制的机型，用于试飞的飞机一般架数较少，因此对于新研制的飞机可靠性评估也是一个小子样问题。然而，对于新研制的机型，可靠性评估显得尤为重要。从20世纪70年代开始，小子样产品可靠性评估的理论和方法研究开始受到国内外的普遍关注，新方法不断涌现。国外在20世纪50年代总结出了金字塔式评估方法，常用的还有经典方法、Fiducial方法和Bayes方法等。经典方法如Buechler,Johnson分别推导出了可靠性的置信下限方法：由成败型单元组成的复杂系统，其可靠性置信限求法有不少文献可以参考。Winterbottom和Abdel-Wahid则提出了采用分位点的Cornish-Fisher开展近似计算系统可靠度的后验分布点。虽然小子样的可靠性评估方法很多，但由于有些计算方法计算量太大，建模困难或者丢失信息，并不适合工程应用，因此工程上常用Bayes方法，其优点是可以充分利用历史信息。但是应用Bayes方法，其先验分布参数的不同选择会对后验分布的形状及其有关参数估值有一定影响，这种影响在小子样的条件下会变得异常显著。目前，小子样评估方法的理论发展日趋成熟，并逐步应用到国防、航空航天、电子等工业各个不同领域。三参数威布尔分布是可靠性工程中常用的分布之一，在进行小子样可靠性评估过程中具有适用性强，精度高等特点，但其分布函数中的三个参数需要在试验中进行参数估计，参数估计方法的选择是否得当对其参数估计的误差大小有非常重要的影响。目前常用的参数估计方法有：极大似然法、双线性回归法、概率权重矩法、Bayes先验分布法、相关系数优化法、秩拟合最优化法以及灰色估计法。对其中的极大似然法、双线性回归法、概率权重矩法、相关系数优化法以及灰色估计法等五种参数估计方法进行的比较研究得出如下结论：1)样本越大,各种参数估计法所得拟合结果就越精确；2)当样本量很小时，除灰色估计法仍有较高精度外，其他几种参数估计方法的拟合度都下降；特别是样本数量小于10时,用灰色估计法所得拟合结果在上述五种参数估计方法中是精度最高的。将二参数威布尔分布(三参数威布尔分布的一种特例)应用到了民用航空使用可靠性数据的参数评估中获得了成功。2010年，上海飞机设计研究所的郭强全面分析了商用飞机故障特点，提出了一种基于灰色参数估计法的三参数威布尔分布小子样商用飞机可靠性评估方法。通过算例分析显示该方法简便实效、精度高，适应范围广，有工程应用推广价值。5.民机可靠性设计与评价系统的设计实现国内在民机可靠性评价方法和体系上，也开展了一系列的研究工作。2016年，中航工业综合技术研究所的林伟贤等人从民机系统的签派可靠度入手，基于民用飞机可靠性参数体系研究、民用飞机可靠性参数指标确定与优化方法研究、民用飞机可靠性实现技术研究的各项研究成果基础上，设计开发基于签派可靠度的民用飞机可靠性设计与评价系统。通过系统建立一套完备的以签派可靠度为顶层要求的可靠性参数体系，并利用相似法、仿真法、权衡优化法等算法对飞机可靠性进行分析与评价，最终为民用飞机可靠性水平（可靠性工作）的提高提供基础服务。该民用飞机可靠性设计与评价系统主要包括的模块如下图所示。图1系统模块构成2016年3月，上海飞机设计研究院的闫旭东系统的论述了民用飞机设备可靠性设计的流程和方法，在设备研制阶段，应提出其可靠性的定性与定量要求，确定相应的方案和改进措施，提出明确的可靠性指标和考核方法，并按照计划开展可靠性设计分析和试验工作。设备的可靠性要求主要分为系统可靠性要求和系统安全性要求。设备可靠性设计分为定性和定量两大类。前者侧重于对故障进行模拟分析，采取针对性措施使得产品达到可靠的目的，而后者侧重于对零件的强度分布和应力分布做复杂的计算，建立极限函数，从而设计出满足需求的产品。由于民用飞机设备工作环境复杂，因此，在实际中常用的是定性的设计方法。可靠性设计由于产品不同构成的差异，可采用的设计方法很多，仅常用的就有十几种，对于民用飞机设备来说，常采用的可靠性设计方法有：故障预防设计、简化设计、冗余设计、安全裕度设计、成熟技术设计、耐环境设计、标准化设计、健壮设计等。随着信息工程、计算机技术、控制技术、电子技术的日益发展,在过去的数十年中,飞