民用飞机事故分析与管理

民用飞机事故分析与管理

随着经济的快速发展，由于其独特的低可见速度、垂直沉降和悬停等飞行特性，机枪广泛应用于军事和民用地区。全球直升机数量一直呈剧增势头。资料表明全世界讫今已生产了6万多架各类直升机，目前约有4万架正在150多个国家使用。与此同时，直升机飞行事故和事故征候也越来越多，直升机的安全问题一直是人们密切关注和研究的内容。在飞行器家族中，直升机独特的构型及近地飞行特性使其事故率比固定翼飞机高。根据文献报道，西方国家的直升机事故率约为固定翼飞机的5倍。在20世纪末，美国在10年间的直升机事故率约为13.21次/10万飞行小时，这一数据大约为固定翼飞机事故率的2～3倍。不管是在军用还是在民用方面，较高的事故率限制了直升机的进一步发展。因为不能保证飞行安全，就不会被公众所接受，所以降低事故率是直升机技术发展所面临的急需解决的重要任务。一、民机病毒方面的事故率较高直升机事故率高的原因，一方面来自直升机本身的结构特点，如旋转部件多、载荷复杂、旋翼和尾桨的交变载荷易导致直升机振动并产生疲劳破坏等；另一方面，相当多的飞行事故是由于直升机的使用条件和使用环境恶劣引起的。直升机多在野外起降，在山区、林区、城镇上空飞行，受地形地物及低空复杂多变的气象条件的影响大。加之所承担的运输、救生、吊挂、巡逻等任务的复杂性和高难度，造成了较高的事故率。舰载直升机还受到舰船摆动及风浪的影响，并且在海上飞行时缺乏地标参照物，海天难分，因而事故率更高。表1为民用直升机事故模式和原因等的百分比统计分析。事故原因类别严格来说没有明显界限，因为航空灾难很少是由单个因素引起的。许多事故是由于维修不当，在空中产生机械故障，而飞行员又不够沉着冷静，或经验不足等多方面的复杂原因造成的。虽然不同组织对事故原因的具体归类不同，但相差不多。二、提高安全对策和技术1.直升机操纵系统在直升机事故中，人为因素是主要的。为保证飞行安全，减少事故率，应该加强对空勤人员、地勤人员、指挥管理人员的培训，提高其责任心和技术水平；加强事故分析工作，及时将分析结果及采取的相应措施通报有关人员，作为前车之鉴；追踪世界先进技术，对现有机种进行加、改装。另外，还应建立和健全飞行、维修规章制度，改进飞行驾驶训练方法，加强对飞行员和飞行器及其他涉及安全人员与设备的管理等等。根据墨菲定理，由于人的能力限制，即使要求再严、管理再完善，也不能消除使用和维护时所造成的人为差错事故。只有从设计上采取防错设计，才能从根本上解决问题。由于越来越多的飞行器进入航空领域，相撞事件呈上升趋势，直升机撞到建筑物、输电线、树木的事故也不少，防撞任务是直升机设计中必需考虑的要求。美国空军在部分UH-1N“休伊”直升机上安装了安全增强系统———交通报警和防撞系统（TACAS）。当飞行中与其他飞机过于接近时，TACAS可以向飞行员报警，并提供显示和语音建议来帮助避免碰撞。欧洲航空防务航天公司(EADS)研制了一种基于安全型激光雷达的告警系统（HELLAS），在贝尔206直升机上使用。加拿大国防部门采用另一种使用毫米波雷达的障碍告警系统,这种系统能探测2km以内的障碍。这些设备装置都可以提高直升机防撞的安全系数。另外，根据统计，直升机被撞部位及撞击次数比例最大的是旋翼桨叶，约50%；其次是尾桨，约占12%。假如对建筑物、输电线、树木等防撞预警不成功，还要采取各种技术措施，以提高直升机的残存性，降低损失。如在桨叶前缘沿展向安装绳状炸药，当撞击到障碍物时，炸药产生定向熔化铜液可将该障碍物摧毁；采用受撞易变形的桨尖罩（大部分桨叶撞树是发生在离桨尖250～270mm部位处）；采用涵道式尾桨或加装尾桨保护环，或导线导引和切断装置；采用避免被导线挂住的橇式起落装置，等等。直升机的操纵相对来讲比较复杂，往往一个飞行动作需要一系列的操作。飞行员操纵负荷大，因此飞行时间不宜过长，否则容易因为疲劳而出事。因此，可以设计一种加装探测器的头盔，通过监测飞行员视网膜的充血情况，随时反映出飞行员的精神状态，有疲劳等情况时发出警告。而最根本的方案，是改善、优化飞控系统和操纵系统，减少飞行员的操纵负荷量。目前直升机操纵系统普遍都是机械-液压助力式，比较复杂、沉重，今后将逐步被电传操纵取代。而用光缆、编码光脉冲传输信号的光导操纵，及在电传、光导操纵基础上发展的侧杆操纵器、智能操纵系统（SCS），都是直升机操纵系统的发展方向。美国AH-64、RAH-66采用的侧杆操纵器，不仅使飞行员负荷大大减小，而且还减小了20%～30%的驾驶舱工位空间，解放出飞行员一手两脚去执行其他任务。这种装置同时也有适坠性结构设计，因为在坠落状态，位于飞行员正前方的周期变距杆可能对乘员造成伤害。随着神经网络技术的迅速发展，直升机飞控系统也将得到很大改善。直升机事故分析资料表明，约20%的事故报告中涉及旋翼桨叶、桨毂、动力传动系统等动部件。从事故数据统计上看，直升机本身造成的飞行安全问题是严重的、比例相当大。这要求直升机设计人员在设计过程中对飞机零部件及对所使用环境状况必须考虑周详，像防沙、防冰，应在设计中就加以解决。早在海湾战争中，许多直升机就配备了美国SPS公司开发的DADS旋翼故障诊断系统。美国休斯公司研制了先进的旋翼轨迹跟踪和故障诊断系统（RADS）与状态及使用监视系统（HUMS）。前者是利用安装在机身上的红外传感器在飞行中追踪桨叶，后者是利用传感器和信号处理器工作。HUMS和飞行数据记录仪（FDR）相结合，成为一套直升机机载故障诊断系统，可以完成对关键系统及部件的故障诊断。英国于1989年就首次在民用直升机上试用了FDR和HUMS。目前世界上已有相当数量的直升机安装了功能和复杂程度不一的此类系统。例如，意大利A-129“国际型”多用途攻击直升机的机载综合管理系统，可提供监控、隔离和维修数据，实现快速自检诊断和简易处理。美国V-22倾转旋翼机采用了多种监视技术，包括功能保证监视技术、定量屑末监视器和发动机寿命监视技术。在下降过程中,如果前飞速度小而下降速度过大，直升机则很容易进入涡环状态。多年来,与涡环有关的直升机飞行事故在国内外屡有发生。在进入涡环状态初期采用前推杆和在中后期采用放总距这两种改出涡环的方法虽然是有效手段，但均存在一定的难度和风险，属于被动预防措施，需要加强飞行员相关科目的飞行训练。采用涡环告警装置，则可主动预防涡环的产生。该装置的涡环边界曲线是根据进入涡环状态时，直升机拉力平均值、扭矩平均值、拉力脉动幅度、扭矩脉动幅度发生的异常变化计算得出。由于V-22“鱼鹰”倾转旋翼机对涡环状态的敏感性,美国目前正在积极研制多功能涡环告警装置。2.直升机救生舱保障方案出现事故时首先应保证人员的安全。安全离机是乘员的首要程序。由于直升机带有旋翼，这使得安全离机比固定翼飞机要棘手的多。目前许多设计就是配合离机方案而进行，这些方法有：自动下滑落地或落水、空中跳伞、海上逃生。针对落水提供水下逃生装置，并对机身加以技术改造，以提供充裕的逃离时间。空中跳伞包括人工跳伞和上、下、侧向的弹射、牵引跳伞等不同方案。俄罗斯的米-28装备的逃生装置，只要拉动飞行员两腿之间的一个D型手柄，该装置即用火药自动炸脱短翼和舱门，两侧舱门下侧各有一气囊盒自动打开并迅速充气形成滑梯，飞行员可以从两侧滑下，避开起落架实施跳伞。卡-50武装直升机使用的是先进主动救生技术，它靠火药炸脱旋翼、清除障碍，然后座椅连同飞行员向上方弹射。美国的直升机救生舱方案为：先切断桨叶和多余的机身部分，然后用降落伞使座舱平稳降落，并通过UH-1、UH-25C等直升机的地面试验验证了直升机救生舱方案的可行性。德国布朗思威DFVIR研究中心采用火药螺栓拔出系统对直升机旋翼桨叶分离、再根据杨基系统原理牵引乘员向上救生（IRIS）的设计，代表一体化飞行救生系统的发展方向。在探求解决各种脱险方案的同时，为避免或减少事故伤害，改善乘员的防护救生装备和提高机场应急救护的水平，也是安全技术的重要一环。统计表明，直升机事故中平均伤亡率和平均死亡率分别为66.1%和59.0%。其中头部伤占总伤的25%，死亡率占31.5%。在事故中引起燃烧约占总事故的25%～40%。应对的主要措施做法有抗坠毁安全设计（如轻型复合材料结构、分离式座舱盖、抗坠毁座椅、抗坠毁机头结构、跪式吸能起落架、旋翼支撑结构、防弹自封抗坠毁油箱设计等）、安装阻尼装置（通常主要由特制的肩带、肩式马甲、裙兜腰带等组成）、防护头盔（常用皮革、紫铜、金属制品和现代多层能量吸收器相结合而制成）、阻燃服装等。直升机一般具有自转下滑着陆能力，即使发动机空中停车，直升机也能通过旋翼自转来减缓落地速度。此时直升机的抗坠毁能力便有特别重要的意义，其中抗坠毁座椅和智能气囊设计是非常重要的部分。抗坠毁座椅的原理是利用吸能缓冲器吸收直升机触地撞击时传递到座椅的能量，最大限度保护乘员的安全，属被动防护装置。智能气囊缓冲器的特点就在于它的缓冲特性曲线可以随外界条件的改变而变化，做到自适应缓冲，是一种主动防护装置。驾驶舱气囊系统（CABS）目前在美陆军开始使用，据称，它能减少25%～50%的死亡和重伤事故。代表着现代武装直升机机身设计水平的AH-64、米-28和A-129，在抗坠毁性设计上能达到以12.8m/s速度坠地时，乘员生存率达95%。另外，如机载救生无线电，在直升机发生事故时，通过发射电波来确定事故发生地点，在事故后的救生中也发挥着重要作用。如雷神澳大利亚公司在澳大利亚皇家海军“海王”直升机上安装的坠毁数据记录器（CDR），包括座舱录音机（CVR）、飞行数据记录仪（FDR）和坠毁地点定位指示器（由全球定位系统GPS确定，卫星传输）。其他装置有美国摩托罗拉公司研制的GSP-112个人定位系统和波音公司的CSEL救生电台等。3.对民用直升机的防越界技术措施军用直升机事故除了前述原因，还有战场上的恶劣环境及敌对攻击。统计近几次实战的数据资料表明，直升机自进入战场以来，初期在战斗中被击落击伤的数量和由飞行事故、机械故障、维护等原因造成的损失数量相差不多，但随时间的推移，战损比例呈下降趋势。安全性设计在军用直升机上主要表现为提高生存力。从直升机速度慢和易损性方面看，在战争中，直升机既容易受地面防空武器的攻击（如高射炮、高射机枪和地空导弹等），又易受空中飞行器威胁（如战斗机和武装直升机）。随着现代防空技术的不断改善，世界各国均在积极研究如反直升机智能雷（AHM）、反武装直升机激光近炸引信等对抗武装直升机的新技术，直升机生存性问题越来越突出。但从直升机的高度机动灵活性和低空特性方面看，在经过防探测和防击中等设计之后，军用直升机的生存力还是相当高的。减少事故率，提高生存力，除了前面所述的安全性设计和措施之外，军用直升机的生存力设计还包括下面三个主要方面：防探测、防击中和抗击毁。防探测包括防目视探测、防雷达探测、防噪声探测和防红外探测等；防击中包括施放干扰、机动躲避；抗击毁包括抗弹击、抗坠毁。防目视探测可以在总体设计阶段通过减小外廓尺寸、机身喷涂无反光的伪装漆、座舱安装平板玻璃等技术来减小被发现的概率。防雷达探测可以通过减小雷达散射截面积的外形设计、表面涂吸波涂料、采用复合材料、超低空贴地飞行战术及等离子隐身技术等解决。防噪声探测要求直升机采用减小外部噪声的设计，包括桨叶形状设计（如前行桨叶设计、后掠式桨尖设计）、无尾桨或涵道式尾桨与剪刀式尾桨设计、发动机共鸣消声器设计以及具有吸音功能的排气管设计等等，防噪声探测设计也是应对高灵敏音响地雷的重要手段。防红外探测一般都是在发动机设计中加装红外抑制装置来降低直升机的红外特征，采取的设计主要有在尾喷管加装红外挡板、喷涂可以吸收红外线的放射同位素、采用可改变红外辐射波长的异形尾喷管、采用使燃油充分燃烧的新型雾化喷嘴等等。现代军用直升机都装备先进的旋翼系统和动力系统，以提高机动性和灵活性，这是防击中的主要技术措施。另外，电子对抗技术也是军用直升机防击中的主动性技术措施，如装备雷达/导弹告警器、干扰物投放器（包括烟雾弹、箔条弹、红外弹）或红外/雷达干扰机等。当前通过系统集成的综合电子战设备是主流技术，如综合红外对抗设备，综合防御辅助系统等。增强抗弹击能力，提高损伤容限，采用飞行防护装甲、防弹玻璃等，是军用直升机被击中而不被击毁的直接有效设计。抗坠毁以直升机被伤害后最大保证乘员生存率为目的，包括起落架和机身结构抗坠毁设计、油箱战斗损伤设计等等。近几次现代战争数据表明，直升机在战斗中被击落前的平均飞行时间越来越长、平均飞行架次越来越多。这都是生存力设计不断提高的效果。由于各战争的特性，如交战双方的对抗能力，交战时空环境等，直升机在军事应用上生存力表现很大程度上与所采用的战术有紧密关系。在实际设计当中，并不是考虑的安全性越多越好，而必须根据直升机主要用途加以考虑。如军用直升机要提高抗坠毁能力，就要付出结构重量、尺寸、布局等多方面代价，还有研制费用及成本的增加。一般抗坠毁生存率要达95%，