-
0 引言
-
民用飞机维修性主要是指在特定地点（如机库、停机坪等）、条件、时间、维护程序等要求下完成飞机预防性或修复性维修的能力。民用飞机维修性的固有特征（复杂度高、反应速度快、软硬件综合保障要求高、可靠性高等），使得设计人员在民用飞机设计初期就应考虑飞机级、系统级的维修性设计。综合采用模块化、防差错、人因工程等先进的设计方法或理念[1-2]，以降低飞机维修任务次数、因频繁维修而增加的停飞时间、维修复杂性，进而确保飞机在全部生命周期内均可满足局方和用户的要求，最终提高运营效率、降低维护成本。
-
1 维修性研究现状
-
维修性作为大型设备设计的必要考虑因素，近年来，国内外多位学者对此开展了大量的研究。李乃鑫等[3]深入分析民用飞机维修性并行设计团队人员组成和工作模式并基于微循环等理念完成某型飞机前起落架的并行维修性设计；闫旭东[4]对维修性定量、定性设计目标和设计准则等开展研究并给出部分系统设备平均更换时间的参考值；冯蕴雯等[5]基于S5000F《在役数据反馈国际规范》梳理的民机数据收集流程，为民机可靠性分析框架建立和产品的全寿命周期管理做出了有益探索；周雅兰等[6]使用维修障碍分析法构建基于神经网络和定性评价的维修性验证标准，并通过使用贝叶斯验证方法降低了样本数量，节省验证成本；韩远馨等[7]使用问卷调查方法对行业专家意见进行收集汇总，然后利用层次分析法对影响民机维修性的5个指标进行分析计算并排序，建立了民机维修性评价体系；余芬等[8]基于飞行机队风险评估和部件故障预测模型，构建蒙特卡罗民用飞机维修间隔评估方法并使用实例进行验证，对降低民用飞机飞行事故概率具有一定意义；王栋[9]使用维修性仿真软件基于辅助动力系统设备的两种布置方案的数字样机开展维护可达分析；李信良等[10]对油箱内部的转子爆破、鸟撞、管路泄露、闪电、轮胎爆破等特殊风险开展分析，为布置方案提供了对应解决措施，对维修性的设计具有一定的参考意义；田瑞娜[11]对吊挂管线路布置、间隙和隔离设计、支架设计、维修性、高振区变形分析等开展研究，得出吊挂良好的维修性设计是吊挂系统最优布置的重要影响因素；赵海涛[12]对吊挂和机翼对接通道开展研究，将维修性、安全性评估作为吊挂布置方案达标的前提条件，并通过打分方式量化维修性设计在吊挂内部系统布置方案中的优劣。综上，吊挂布置方案良好的维修性直接影响全机重量、安全性、维护成本等，本文将通过优化吊挂维修流程、减少维护时间、虚拟维修验证等工作，完成吊挂维修性设计。
-
2 维修性设计
-
经济性和安全性是民用飞机重要指标，本章基于主流机型吊挂布置方案、适航规章、航司运营数据等总结分析开展吊挂维修流程和时间设计，通过较好的吊挂维修性设计满足民用飞机安全性并提升市场竞争力。
-
2.1 吊挂维修性设计流程
-
本节基于多年行业设计经验及业内研究成果[13]确定吊挂维修性设计流程。首先，将飞机设计研究目标、适航规章（FAR25、CS25、CCAR25）、现有机型运行经验总结、航空公司或维修公司要求等作为输入，经研究分析形成吊挂维修要求并转换为吊挂维修性设计要求。
-
然后，将要求传递给飞机总体方案，经全机总体方案和飞机维修性反复迭代分析形成标准规范文件，指导飞机初步设计、详细设计、全面试制、试飞取证、批生产与运营等各个阶段的吊挂维修性设计，维修性设计结果通过实物或仿真验证的方式证明是否符合各利益攸关方的要求。如符合各方要求，冻结吊挂维修性设计方案；如不符合各方要求，组织吊挂相关专业完成设计方案更改，吊挂维修性具体设计流程如图1所示。
-
2.2 吊挂串并行维修模型设计
-
串行维修作业模型是指维修任务按顺序开展，如图2所示，维修分解任务1完成后，才可开展维修分解任务2，串行维修任务的优势是操作逻辑简单，维修工人学习和执行相对容易，缺点是维修任务时间相对较长，具体如公式（1）所示：
-
图1 维修性设计流程（原则）
-
图2 串行维修任务
-
并行维修作业模型是指各作业任务同步开展，具体如图3所示，维修分解任务1、维修分解任务2、维修分解任务3等多个维修分解任务可以同步开展，节省维修任务时间，全部任务耗时为用时最长的维修分解任务，具体如公式（2）所示：
-
图3 并行维修任务
-
随着飞机电气化、智能化的不断发展，吊挂内部设备和管线路维修要求的精细化程度越来越高。仅使用串行维修任务模型或并行任务模型无法满足航司减少停机维护时间的要求，故本文综合使用串并行维修任务模型，针对维护要求，开展吊挂维修任务设计，主要流程按拆吊挂整流罩、拆发动机风扇罩、拆发动机反推罩、断开吊挂垂直防火墙管线路、断开吊挂下部防火墙管线路、吊挂内部无损检测的顺序进行。
-
其中，考虑到下发过程中发动机本体的拆卸任务较多，本文主要开展吊挂的维护任务研究，故在开展吊挂的维护任务中，仅将拆发动机风扇罩、拆发动机反推罩两项为吊挂维护前置的任务进行考虑，其他发动机维护任务在本文中暂不考虑；断开吊挂垂直防火墙管线路和断开吊挂下部防火墙管线路这两项维护任务作为下发中吊挂维护任务较多的项目，根据现场经验或虚拟场景维护等，可开展并行维护任务；在断开吊挂垂直防火墙管线路维护任务中，液、气体管路和EWIS线缆一般根据适航要求和设计规范，分两侧布置，可根据需要在吊挂两侧开展并行维护任务，图4中的虚线矩形框表示维护任务可并行开展，双向箭头表示可根据实际情况优先选择某维修子任务开展工作。
-
2.3 吊挂维修性分配设计
-
因民用飞机可靠性指标和设计特性在研制阶段已基本确定，本文主要使用设计指标复合加权法开展维修性分配设计[13]，计算场景为D检。首先，确定吊挂涉及的主要系统有4个，分别为ATA26防火、ATA28燃油、ATA29液压、ATA36气源系统；然后，根据现有设计标准给出的上述系统的MTBF（mean time between failures），得出4个系统的故障率Xi；最后，根据故障检测与隔离因子Qi1、可达性因子Qi2、可更换性因子Qi3、可调整性因子Qi4等系数，计算防火、燃油、液压、气源系统的设计特性加权系数Ei，其中，通过调研航空公司维修任务，现场实际维护时间受工装状态、操作人员间配合度、机库整体维护排班计划等影响，综合考虑采用放大系数δ。考虑上述情况，计算结果用矩阵A表示，具体如式（3）至式（10）所示。
-
图4 吊挂系统维修任务分解
-
最后得出防火、燃油、液压、气源分配的平均修复时间：63.927 7 min，23.196 1 min，49.415 4 min，38.456 9 min。
-
3 吊挂防火墙系统方案设计
-
根据CCAR-25部运输类飞机适航标准，发动机动力部分和附件部分为指定火区，吊挂作为连接发动机和机翼的结构件，应设置垂直和底部防火墙对火区进行隔离。其中，垂直防火墙的系统方案较为复杂，故本文主要开展垂直防火墙系统方案设计，垂直防火墙主要布置燃油、防火、气源、液压、反推、EWIS等系统，因防火墙空间较为紧张且一般有密封件等结构件遮挡，工具不可达，防火墙航向左侧均采用快卸接头并降低液体管路断开时漏液的可能性；因吊挂外形的大小直接影响全机气动性能和燃油经济性，快卸接头间隙按维修间隙适当偏离情况下保持36 mm设计，减少对吊挂展向外形的需求，按照防火排液要求，EWIS作为潜在点火源设计在液体管路一侧并避免靠近设计的结构排液孔和排液路径，具体系统方案如图5所示。
-
4 吊挂维修性验证设计和仿真分析
-
在完成吊挂数字样机、管线路布置方案后，多专业共同开展吊挂维修性验证，如图6所示。
-
使用实物制造或3D打印的方式进行维修性验证，经济成本高且耗费周期长，若等待试验飞机验证，如出现维修性不可达等较严重的设计问题，不仅设计更改代价大且会影响全机设计周期，故本文使用虚拟维修方式验证吊挂的维修性。虚拟维修动作设计硬件环境为：Intel（R）Xeon（R）W-2102 CPU @ 2.9 GHz 2.9 GHz，内存为16 GB，显卡为2 GB。本文开展的吊挂维修性虚拟验证，主要涉及ATA26、ATA28、ATA29、ATA36、ATA54、ATA88等6个章节，首先确定系统维修性验证准则，如结构系统应为吊挂内设备和管线路设计专用的维护口盖并符合目视或身体和工具可达要求，EWIS系统连接器应有显著型号标志和防差错设计并应布置在通风良好及与液体管路保持安全间隙处。明确吊挂维修性验证准则后，选择虚拟维修人的主要参数：身高178 cm，体重75 kg，手掌宽度9 cm，手部长度19 cm，单手承重最大不超过1.5 kg，双手承重最大不超过3.5 kg。维修工具主要有定制工装、各型号扳手等，将待开展的虚拟维修的吊挂数字样机、各系统设备和管线路模型导入，分别验证被维护部位是否可视和可达、维护工具是否可接近以及人机功效等。其中，开展吊挂后缘结构拆卸，使用工作平台，四个人协作配合完成吊挂后缘结构和液压管路拆卸。因吊挂后缘布置多根液压管路，仅使用串行维护，耗费时间较长且单侧维护和目视检查确认效果较差，本文在维修性设计初期，即考虑吊挂结构维护口应对称布置，两人可同时开展液压管路拆卸任务。因开展维修性仿真过程中，多次出现闪退现象，本文对部分模型进行简化，如对吊挂防火墙开展虚拟维修性仿真时，删除部分数模并使用轻量化格式，具体如图7所示。
-
图5 吊挂防火墙一侧接口设计界面
-
针对吊挂维修性验证，本文共开展6次吊挂虚拟维修性仿真验证，对飞机实际运行场景下吊挂所涉及的维护任务进行仿真，仿真结果证明吊挂总体设计方案维修性可达，部分维护任务受限于空间，虚拟维护时出现非最佳姿势接近和工具仅能以较小角度范围接近使用。通过对6次虚拟验证结果取平均值，防火、燃油、液压、气源、结构、EWIS等吊挂单侧系统拆卸或断开维修性任务时间分别为：33.72 min，21.63 min，47.51 min，35.57 min，57.56 min，29.66 min，小于本文防火、燃油、液压、气源等系统维修性任务分配时间，总体设计方案满足维修性要求。
-
图6 吊挂虚拟维修设计流程
-
图7 液压和EWIS虚拟维修
-
5 结论
-
本文通过开展民用飞机吊挂维修性设计流程分析，综合研究适航规章、客户要求、现有机型运行经验、飞机设计目标等作为总体方案定义、设计和运行阶段维修性设计依据，并通过设计经验和维修性设计及验证良性循环，达到持续改善飞机吊挂维修性的效果。随后，本文开展了吊挂串并行维修性设计和吊挂各系统平均修复时间分配分析计算。最后，基于多个机型和现有仿真验证经验，使用虚拟维修人、工具和设备及管线路等数字样机，完成吊挂虚拟维修验证任务。
-
参考文献
-
[1] 王洁萱.基于系统工程方法的民用飞机维修性设计[J].民用飞机设计与研究,2022(3):123-127.
-
[2] 陈卉.民用飞机LRU规划的维修性因素研究[J].民用飞机设计与研究,2020(2):51-54.
-
[3] 李乃鑫,陆中,周伽.民用飞机维修性并行设计体系研究[J].机械设计与制造工程，2016,45(11):77-81.
-
[4] 闫旭东.维修性设计在民用飞机环控系统中的应用 [J].民用飞机设计与研究,2016(2):82-84.
-
[5] 冯蕴雯,路成,薛小锋,等.S5000F介绍及在民用飞机运行可靠性分析反馈中的应用[J].航空工程进展,2020,11(2):147-158,166.
-
[6] 周雅兰,郭延宁,李文龙,等.空间可修系统的维修性分析、评价与验证技术[J].系统工程与电子技术,2019,41(11):2647-2655.
-
[7] 韩远馨,刘镇承,陈洁华.基于层次分析法的维修性评价指标权重分析[J].机械设计与制造工程,2018,47(7):85-88.
-
[8] 余芬,李哲,张军,等.民用飞机维修间隔风险评估方法研究[J].计算机仿真,2018,35(1):66-69,158.
-
[9] 王栋.虚拟维修技术在民用飞机辅助动力装置可达性分析上的应用[J].航空维修与工程,2017(7):44-47.
-
[10] 李信良,夏鹤鸣,汤振宇.民用飞机机翼液压管路的布置研究[J].机械设计与制造工程,2017,46(5):68-70.
-
[11] 田瑞娜.民用飞机吊挂系统布置方法探索[J].科技视界,2017(5):320.
-
[12] 赵海涛.民用飞机吊挂机翼后缘系统布置通道设计研究[J].科技视界,2016(19):10-12.
-
[13] 郭博智,王敏芹,吴昊.民用飞机维修性工程[M].北京:航空工业出版社,2018.
-
摘要
民用飞机吊挂是连接发动机和机翼并传递载荷的重要部件，为防火、燃油、液压、气源等系统提供布置空间，是民用飞机的重要组成部分，其是否具有良好的维修性直接关系到飞机的经济性、安全性、市场竞争力等。基于维修性通用要求、适航规章、现有机型运行经验、航空公司要求等开展民用飞机吊挂维修性设计；使用串、并行维修技术，完成短舱、吊挂及其内部设备和管线路维修流程设计。最后，确定防火、燃油、液压等系统维修性验证准则，使用虚拟维修人、虚拟维修工具、设备和管线路模型、吊挂数字样机等完成吊挂全部系统的虚拟维修验证。
Abstract
The pylon of civil aircraft is an important part that connects the engine and wings, and transfers loads, providing layout space for fire prevention, fuel, hydraulic, air supply and other systems. It is an important component of civil aircraft, and its good maintainability directly affects the economy, safety and market competition of the aircraft. This article conducts maintenance design for civil aircraft pylon based on general requirements for maintainability, airworthiness regulations, existing aircraft operating experience, and airline requirements. Using serial parallel maintenance technology, complete the design of the maintenance process for the nacelle, pylon, and its internal equipment and pipeline. Finally, determining the maintenance verification criteria for fire protection, fuel, hydraulic and other systems and using virtual maintenance person, virtual maintenance tools, equipment and pipeline models, pylon digital prototypes, etc. to complete the virtual maintenance verification of all pylon systems.
