1、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
2、（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、
3、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（
4、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
5、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、
6、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，
7、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
8、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
9、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、
10、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
11、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
12、，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。Winterb
13、ottom 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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、数十年中,飞机系统设计任务的重点有了重大转变，从最初飞机机体的设计演变为飞机的电子设计上。航空电子系统作为一个整体,需要统筹考虑,进行系统集成,使各种系统资源有机地结合起来,协调工作,共同完成系统的使命任务,任何一个分系统或设备的失效将影响整个航空电子系统的功能。在这种情况下,如何提高航空电子系统的可靠性显得尤为重要。2016 年 7 月，上海交通大学的周涛针对电子系统，对系统的可靠性设计方法进行了研究，论述了系统网络构型的选择方法、如何改进系统的容错能力，并分析了不同荣誉结构和典型系统的可靠性建模和分析方法，最后以某型机航电系统改装后的任务可靠性分析验证了可靠性分析思路的有效性。试飞阶段是发
19、现飞机设计、制造、工艺和材料等方面的问题并不断改进，且机务维修人员的技术水平持续提高的过程，飞机的可靠性将主要受这些因素的影响而逐步增长。然而，目前试飞阶段可靠性评估采用单侧置信下限法，这种方法考虑了生产方风险，给出了产品的可靠性以多大的可能性不小于统计计算值，但没有回答经过试飞阶段的持续改进，产品在试飞结束时达到的瞬时可靠性水平。要得到产品的瞬时可靠性，应考虑试飞阶段的特点，研究适用的评估方法，以提高评估结论的权威性和科学性。针对试飞阶段可靠性评估的问题，2017 年 1 月中国飞行试验研究院的徐小芳、吕宝、冯凯等人认为试飞阶段的因素复杂，在研究中假设飞机发生的所有故障相互独立、飞机是串联系
20、统、发生的故障均会导致飞机故障、采取改进措施不会引入新故障等。然后对比了 Duane 模型和 AMSAA 模型这2 种广泛使用的成熟的可靠性模型。Duane 模型适用于发现故障即时改进的可靠性增长过程，不能用于延缓改进或含延缓改进，而使产品可靠性突然大幅提高的过程。Duane 模型未考虑数据的随机特性，不是数理统计模型，故不能给出可靠性增长的数理统计结果。AMSAA模型引入了随机过程，给出了 Duane 模型的概率解释，能够提供依据数理统计的评估结果。AMSAA 模型不仅适用于研制试验中改进设计、工艺的产品可靠性增长，而且也适用于维修人员技术水平提高、维修工具/设备及其运行状况改善后的可靠性增
21、长。经综合分析选定AMASAA 模型作为飞机试飞阶段可靠性评估基本模型。一方面，该模型符合飞机试飞阶段可靠性数据的随机特性；另一方面，该模型可以计算瞬时可靠性指标，能够满足人们及时掌握飞机当前可靠性水平的需要，且用 AMSAA 模型进行可靠性估计比 Duane 模型好。作者还对试验查找问题试验评估模型和试验改进查找问题试验评估模型两种试飞阶段可靠性评估模型进行了分析对比。作者利用提出的考虑故障处理策略的试飞阶段可靠性增长评估模型，研究了某型飞机定型试飞阶段的数据。结果表明其模型对飞机的可靠性进行评估，能更好地接近飞机实际的可靠性水平，能较好地满足工程上的需要。民用飞机 F&R 试飞是为确保航空
22、器及其零部件和设备是可靠的且功能是正常的所必须进行的飞行试验。鉴于之前我国还没有一款国产飞机完整地走完运输类飞机合格审定全过程，缺乏相关技术储备和工程实践经验积累，因此 2017 年 5 月徐小芳等人通过探索和研究，形成了功能和可靠性试飞设计技术，并在 ARJ21-700 飞机功能和可靠性试飞中进行了应用验证，为该型号取得型号合格证提供了技术支撑。6.总结虽然我国的飞机可靠性工程仍处于比较粗浅的阶段，但是当前我国的大飞机和商用运输类飞机事业蓬勃发展，如 MA60、MA600、运 12、ARJ21 等飞机的出现为我国飞机的可靠性工程研究提供了良好的研究对象和研究材料，随后的 C919 和 AG6
23、00 等新型号的出现，还需继续对相关领域进行深入研究，进一步提升我国飞机的可靠性分析和设计能力。参考文献1孙小宇. 可靠性在民用飞机维修工程中的应用研究D. 昆明理工大学, 2006.2余国林. 小子样飞机系统使用可靠性评估方法研究与应用D. 南京航空航天大学, 2005.3张利国, 王琦, 岳玉梅,等. 小子样评估方法在飞机可靠性中的应用研究C/ 大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会 2007 年学术年会论文集. 2007.4郭强. 一种小子样商用飞机系统可靠性评估方法J. 噪声与振动控制, 2010, 30(1):114-117.5Kvam P H, Miller J G. Common
24、 cause failure prediction using data mappingJ. Reliability Engineering & System Safety, 2002, 76(3):273-278.6Minehane S, Duane R, OSullivan P, et al. Design for reliabilityJ. Microelectronics Reliability, 2000, 40(810):1285-1294.7林伟贤. 民机可靠性设计与评价系统的设计实现J. 航空标准化与质量, 2016(5):44-48.8闫旭东. 民用飞机设备可靠性设计J. 民用飞机设计与研究, 2016(3):49-51.9周涛. 航空电子系统的可靠性分析J. 科技创新导报, 2016, 13(7):19-22.10徐小芳,吕宝,冯凯. 飞机试飞阶段可靠性评估技术应用研究J. 航空标准化与质量,2017,(01):41-44.11徐小芳,郭毓文. 民用飞机功能和可靠性试飞设计技术研究J. 航空维修与工程,2017,(05):52-54.12Hickey S J J. FLIGHT TEST GUIDE TO CERTIFICATION OF TRANSPORT CATEGORY AIRPLANESJ. 1986, 6(June):142-144.
