航空装备高原寒区保障资源配置研究

刘 钊，焦 毅（中国飞行试验研究院，西安 710089）

航空装备高原寒区保障资源配置研究

刘 钊，焦 毅
（中国飞行试验研究院，西安 710089）

针对试飞阶段航空装备在高原寒区使用环境条件下发生的故障，对发生故障机理、失效模式进行分析，通过对故障机理、故障模式的分析，总结分析高原寒区极限使用情况下易引起故障的原因；并分析典型高原寒区环境因素对航空装备各分系统、设备影响程度，提出高原寒区适应性改进建议和措施，为装备的保障资源配置提供指导性意见，有效地提高装备在特殊使用环境下使用效能。

航空装备；高原寒区环境；损坏模式分析；保障资源配置

引言

航空装备在高原寒区极限使用环境条件下飞行，经常出现电子设备单元失效故障[1]、液压系统故障等诸多问题，航空装备战斗力的发挥受环境的影响越来越大。通过多场战争无不证明环境对装备的影响，如日俄、越南战争等，通过分析发现：风砂、低温、高湿、高热和高寒等环境，航空装备受到严重腐蚀，伴随砂石堵塞、长霉等，从而导致机械设备故障、弹药失效等严重故障。航空装备在研制、试验阶段若不重视极限使用环境，严重时均可直接影响战争的成败。在特殊恶虐的使用环境下，故障失效数将大幅度提高。航空装备可靠性与使用环境息息相关，因此研究航空装备在高原寒区的故障机理，综合分析航空装备高原寒区保障资源的配置情况，根据维修体制和环境等因素科学的预测保障资源配置种类和需求量和数量，提高航空装备在特殊环境下的出动架次率，对使用效能的发挥显得十分重要。

1 高原寒区环境影响因素分析

高原寒区航空装备不仅作战任务艰巨，而且受到特殊环境影响，航空装备的使用效能将受到巨大的影响。高原寒区特殊的地理环境，空气稀薄，温度较低，单位体积中氧气含量大大低于平原低海拔地区，气温低，多风沙，多雷暴，低温期长，昼夜温差大，紫外线照射强度高，这些种种的极限使用环境大大削减了航空装备的发挥，战争状态下严重影响军用飞机的出勤率。研究资料表明[1]：高原环境下，大气密度低并且稀薄，并且日照时间长、太阳辐射强度远远高于平原使用环境。高原寒区环境对航空装备的影响如表1。

表1 高原寒区环境对航空装备的影响

2 高原寒区航空装备主要故障模式

2.1 低气压、低温对机械系统影响

高原寒区环境条件下，气压低，空气密度小，含氧量少，航空发动机启动困难，过热及输出功率下降，严重影响发动机的动力性、经济性和可靠性；易导致轮胎气压增高等故障模式，同时燃油的蒸发性、燃烧性和低温流动性降低,使航空发动机的功率消耗较大，工作效率降低。

低温条件下的使用环境可降低电机产生的温度，但对电机的启动影响巨大。在低温环境下，航空装备液压系统中的液压油、润滑脂受低温影响，粘度增大，在冷机启动时润滑油膜不能够起到作用，引起静态阻力增加，导致磨损加剧；相关设备中的泵壳体回油堵塞，压力升高，严重时导致机械系统损坏。

高寒环境下相应材质的产品会发生冷脆，如液压材质的软管、橡胶材质的密封件及金属材料的产品在此种环境下易发生冷脆性断裂，同时低温环境加剧了机械件的磨损，使装备的安全性能降低，给装备的日常使用带来困难，影响航空装备使用效能的发挥。

2.2 低气压、低温对电气设备的影响

高原环境下，空气气压低、空气密度小，电子产品的空气绝缘耐压性能变弱[2]，一般情况下，海拔在0～5 000 m范围内[2]，气压数值降低12 %（海拔每增高1 km），电晕电压以及外绝缘强度的性能可降低8 %～13 %。环境气压值与空气抗电强度的关系见表2。

高寒环境条件下电子元器件在高低温环境的剧烈变化影响下[3]，元器件内部电流密度提高造成电热效应。温度升高可使器件的电参数发生飘移，使双极性器件的反向漏电流和电流增益上升，高低温可使化学变化加速，缩短元器件的寿命或使器件烧毁，使电迁移、引起开路或短路失效等。高原寒区环境导致的多发故障模式如下图1所示。

表2 环境气压值与空气抗电强度的关系

图1 高原寒区极限环下故障模式

表3 高原寒区环境损坏模式及影响分析

3 航空装备高原寒区DMEA分析

航空装备在极端的气候环境下使用，由于海拔高、风沙大、气压低、空气稀薄等综合原因会导致飞机损坏，根据损坏模式及影响分析（Damage Mode and Effects Analysis，DMEA)可以对装备的损伤情况进行适当的分析和研究[3]，DEMA指的是分析确定航空装备系统或其部件由于损伤造成的损坏形式和过程的技术。进行DEMA的目的是提供与特定环境机理所引起损伤的有关数据，通过分析发现设计缺陷，确定改进措施，提高装备的环境适应性。某型飞机在高原寒区试飞过程中出现的故障模式及严酷度分析如表3所示。

通过对损坏模式及影响分析发现，液压系统、动力系统在高原寒区环境下的损坏重要度等级较高，因此在航空装备的设计阶段应充分考虑关键系统的环适应能力及相应的维修和保障措施，减少故障的发生，缩短航空装备的平均修复时间。

4 保障资源配置分析

4.1 高原寒区环境下保障资源分析

针对高原寒区极限环境下发生的故障，进行充分分析，同时利用维修性预计方法根据高原寒区期间发生的故障模式特点，对高原寒区使用环境下故障率较高的系统和产品进行维修性改进分析，同时确定出保障资源配置规划[4]。根据相关设计准则和要求、转化为产品高原寒区设计指导准则。本文考虑的高原寒区航空装备分析原则如下：

1）航空产品在满足功能要求和使用要求前提下，应该采用简易结构和外形。方便高原寒区外场维修人员的日常维护工作，降低维修人员技术能力的要求；

2）在高原寒区特定环境下的维护工作中，所涉及的零部件应具有良好的可达性，易发生故障的零部件和损耗件应能够容易找到，方便外场维护人员的拆卸和更换；

3）高原寒区备件的供应难度较大，应尽可能按照标准化、互换性、通用化、模块化的设计原则，选用标准件，提高航空装备的互换性，简化特定环境下的外场维修作业，实现快速的更换修理；

4）高原环境下人员劳动强度大，维护人员要求较高，要从产品结构上采取措施消除发生差错的可能性；

5）在特定的高原寒区环境下，故障的检测应方便可靠。优先采用自动化检测装置，提高故障的分析、诊断和隔离时间，以提高出动架次率。

4.2 高原寒区保障性分析及建议

高原寒区保障性分析主要从保障设备、人力人员、维修规划、保障设施、供应保障、包装、装卸、贮存和运输保障等方面[4]，分析高原寒区试飞过程中主要发生的问题并提出相应的改进建议主要如表4所示。

4.3 高原寒区保障资源配置

4.3.1 备件保障资源配置

装备在高原寒区环境下，故障率的变化势必会较平原使用地区增加，影响高原地区飞机备件的供应计划，因此需充分考虑故障率变化，为备件需求提供依据。可以采用平均拆卸间隔时间MTBR 参数（mean time between removal）进行备件需求量的确定[5]，通过统计一段时间内高原寒区环境下各设备MTBR参数，根据备件计算模型对备件需求量做出规划。航空装备器件的寿命分布假设服从指数分布。

表4 高原寒区装备保障性分析和建议

并且航空装备的使用可靠度只与备件的供应保障能力相关。因此航空装备的备件需求量S包括计划下的拆换备件量S1和是非计划拆换的备件量S2。 S2是满足下式的最小整数，

式中：n为机群的数量；u为安装设备的件数；th为年平均工作运行小时数（h）；TAT为备件平均维修周转时间（d）； p指运行比； L1为寿命期限-有寿件（h）（当L1未知时，用维修期、设备维修间隔期限的均值来代替）；MTBR为设备平均拆换间隔时间（h）。结果取整即S = [S1+S2]。

4.3.2 保障设施配置

高原地区太阳辐射条件对维修人员健康影响较大，长时间暴露在太阳辐射下，维修人员防护衣物会加速劣化，强烈的紫外线对人的皮肤、免疫系统等会造成严重过的伤害，严重时会造成日光性皮炎或晒伤。

可采用缩短定期维护周期，应优化维修人员配置，缩短常暴露在太阳辐射下以及寒冷环境下的外场保障人员工时；充分考虑太阳辐射强度的季节性变化，适当减少维护次数，延长维护周期。通过上述分析，配备紫外线防护、抗冻保护装备和高原加压氧气车，完善医疗保障配套设备，并加强高原寒区机场基础设施的建设，搭建太阳辐射和抗寒遮蔽保障设施等相关保障资源。

5 总结

本文对高原寒区作战装备维修性和保障性进行了分析和总结，较为深刻地反映了在高原高寒这一特殊作战环境下对航空装备的影响，对未来高原高寒地区作战装备保障能力建设提供参考，对航空装备高原寒区的影响及使用及维护保养中的经验、方法进行总结，提高高原寒区航空装备的作战保障能力。同时可根据故障率等特征参数预测航空装备在高原寒区特殊环境下的需求量，对设计部门调整供应计划和部队接装意义重大，保证航空装备在高原寒区执行任务期间不应保障资源配置而导致任务不能完成。

[1] 许翔,周广猛,郑智,等.高原环境对保障装备的影响及适应性研究[J].环境工程, 2010 (5)100-103.

[2] 李德龙.高原型气候对电器设备的影响[J]. 青海大学学报（自然科学版）, 2004 (04).

[3] 姜同敏.可靠性与寿命试验[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.

[4] 俞一鸣,赵广彤. 高原环境对防空武器装备的影响及改进措施 [J].现代防御技术. 2011(4):172-175.

[5] 康锐.可靠性维修性保障性工程基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.

Research on Configuration of Support Resources of Aviation Equipment in Frigid Plateau Region

LIU Zhao, JIAO Yi (Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089)

Based on the failure of aviation equipment on flight phase in the environmental condition of frigid plateau region, this paper firstly analyzes the relative failure mechanism and failure mode. Secondly, it summarizes the reasons why aviation equipment in frigid plateau region will be easily caused failure, and analyzes the influence of environmental factors of frigid plateau region on the aeronautic systems and equipments. Finally, the improvement suggestions and measures for adaptation for frigid plateau region are put forward to provide guidance for support resources configuration of equipment, in order to improve its application performance in special service environment.

aviation equipment; frigid plateau region; failure mode analysis; support resources configuration

V37

A

1004-7204（2017）01-0044-05

刘钊(1990-) 男、工程师，硕士，中国飞行试验研究院可靠性研究中心，从事维修性保障性评估工作。

焦毅(1986-) 男、工程师，本科，中国飞行试验研究院可靠性研究中心，从事维修性保障性评估工作。