EWIS设计中的PRA分析

李鹏昌，刘岩东，吕 明，刘 洋

(中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心，沈阳 110000)

EWIS设计中的PRA分析

李鹏昌，刘岩东，吕 明，刘 洋

(中航沈飞民用飞机有限责任公司 工程研发中心，沈阳 110000)

根据PRA在EWIS安全性分析中的地位和作用，对PRA的原则、内容及步骤进行了分析和说明，阐述了在EWIS设计初期PRA对EWIS主通道布局的影响；并结合故障树中对割级、最小割级的分析，说明在初步设计中后期应用PRA验证故障树底事件之间相互独立性的必要性。最后结合APU非包容性转子爆破，对飞机尾段EWIS主通道布局和线路布置进行了举例说明，详细分析了APU非包容性转子爆破对尾段平尾EWIS线束敷设的影响。

PRA；EWIS；安全性分析；主通道

系统安全性评估在飞机设计中具有相当重要的地位，直接影响飞机是否能顺利适航取证。飞机的任何一个系统都应进行包括FHA(功能危害性评估)、PSSA(初步系统安全性评估)和SSA(系统安全性评估)3个阶段的安全性评估，以保证系统能够在整个服役期间满足安全性要求[1]。PRA(特定风险分析)是安全性分析中所采用的重要方法，与ZSA(区域安全性分析)、CMA(共模分析)都属于CCA(共因分析)[2]，贯穿于整个飞机的研制过程，而且如果飞机有重要更改，也应进行PRA分析。

EWIS作为一个复杂的独立系统，于2007年被FAA单独列入H分部，要求其安全性单独进行评估，来判断EWIS失效对飞机安全运营产生的影响[3]。新增的内容不但将以前版本中所有有关EWIS内容纳入其中，而且做出了更加详细的特殊规定[4]，详细阐述了EWIS对安全性评估的要求，即必须使EWIS设计和安装满足“(a)灾难性失效状态是极不可能的，且不会因单个失效而引起；(b)每个危险失效状况是极微小的”[5]。PRA针对各种特定风险导致的物理失效后果能否将EWIS冗余线路同时切断，以至于造成灾难性或危险的失效做出有效分析，从而评估各系统以及与之相连的EWIS是否满足安全性要求。

1 EWIS设计中的PRA

1.1 EWIS安全性分析概述

在FAR25的H分部中，EWIS定义为任何导线、线路装置，或其组合，包括端点装置，安装于飞机的任何部位用于两个或多个端点之间传输电能(包括数据和信号)[5]。所谓PRA是指处于所讨论的系统或产品之外，但是可能破坏原来对故障的独立性认定的事件或影响[2]，这些特定风险可能同时对若干个区域造成影响[6]。EWIS特殊风险分析项包括高能转子(包括发动机转子和APU转子)爆破、轮胎爆破/轮缘脱落、鸟撞、风车等[7-8]。FTA是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素进行分析，画出逻辑框图，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式并计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法[9]。

根据EWIS的整体性和潜在的失效特点，AC25.1701对EWIS安全性分析提出了建议流程(如图1[10])，对系统安全性分析中用到的各类方法在EWIS安全性分析中的作用进行了简单说明。

1.2 EWIS设计的PRA分析原则

飞机上重要功能的电气线路通常具有2余度甚至3、4余度，分别敷设在不同的线束主通道，当一条线路或主通道发生故障时，其它冗余线路仍然能够保证功能的正常运行，不至于发生重大影响[11]。PRA通过对某特定风险发生的结果分析，验证评估相关EWIS零组件是否会被破坏，根据得出的相关FTA割级或最小割级，评估同一功能的不同系统的线束，保证该功能的所有余度不会同时失效，造成灾难或危险的失效情况。

1.3 EWIS设计的PRA内容

与EWIS相关的PRA主要包括发动机、APU、RAT等高能转子的转子爆破、轮胎爆破、鸟撞、炸弹爆炸、高压瓶、高压管、摆动轴、大风车等可能对线路、关键系统余度线路和设备布局产生影响的项目[7-8]。在飞机EWIS不同研制阶段，PRA对象和侧重点有所不同。

PRA分析首先应根据相关特定风险项的特点分析EWIS主通道布置。主通道是根据导线隔离代码和隔离距离的要求，大量敷设导线的通路，如机翼前、后缘，机身地板下左右两侧和客舱顶部左右两侧的通道等(如图2、图3所示)，通常将完成同一功能的系统冗余线束敷设在不同的主通道内。在此阶段进行分析时，应结合已有主通道的敷设方案数模，模拟在发生某个单一特定风险时的系统故障情况，如转子爆破时产生的碎片是否能够损坏多个主通道线束，导致互为余度线束主通道同时被破坏，如果可能，则必须对已有主通道中的线束位置进行调整。其次根据系统相关部门给出的FHA中失效等级为“灾难”和“危险”的功能中包含EWIS的底事件和外部事件，结合PRA中的风险项和数字样机，分析系统的某一重要功能是否会在同一PRA风险中失去所有EWIS冗余布置，如果会，需要对EWIS布置进行调整，来满足PRA分析要求。

1.4 EWIS设计中的PRA流程

在进行EWIS初步设计前期的PRA分析时，首先应由总体及安全性等部门发放安全性分析及PRA分析总体要求给各相关部门，同时给出各项特定风险的具体数据，比如转子爆破的角度和预估的碎片尺寸等。此时，EWIS设计部门应已经完成原始主通道布置方案。EWIS部门根据总体要求和各特定风险项数据，在EWIS主通道数模上进行所有相关的PRA分析，根据分析结果对不符合余度设计(在同一特定风险情况下，EWIS失效导致某一功能所有余度同时失效，造成灾难或危险的飞机级故障的情况)的通道进行位置调整，以便达到避免特定风险的设计目标。在初步设计后期，根据系统级故障树中引发顶事件的割级，捕获同一割级中所有包含EWIS因素的事件。割级是FTA中的一个关键输出，定义了故障树中引发顶事件的与/或门的失效事件集合[12]。根据以上分析得出的结论，在三维数模中找到与上述事件对应线路的布置路径，结合PRA中给出的分析模型，对每个特定风险项的影响进行分析，找出单个PRA可能引发的顶事件的失效。这些失效就是薄弱环节，需要升级和采取预防措施[13]。从而得出PRA对同一顶事件下所有割级的影响，验证同一割级下所有包含EWIS因素事件的独立性，避免单点失效造成顶事件的发生。

图2 机身线束主通道示意图

最后根据影响EWIS的风险项逐个提交分析报告，该报告需满足总体、安全性等部门提出的对PRA分析要求，内容包括每个PRA风险对EWIS

图3 左机翼线束主通道示意图

部件所产生的影响、这些EWIS产品的安装区域、每个风险所引起的EWIS失效模式以及这些失效模式对飞机的最终影响和该影响的关键性等级，最终确定特定风险将对哪些通道和哪些线束造成影响，是否会导致灾难或危险的后果，是否需调整设计(简要流程如图4所示)。

图4 PRA简要分析流程

2 EWIS设计的PRA举例

由于每个机型采用的APU不尽相同，所给出的转子爆破的相关数值也不完全相同，本文仅以某大型客机APU转子爆破进行PRA分析举例。

EWIS根据APU非包容转子碎片大小、飞散角以及转子能量确定需要进行分析的区域。根据AC20-128A要求，APU非包容转子碎片通常按照尺寸定义为3种[14]，如表1所示。

表1 APU非包容转子碎片尺寸定义

1/3轮盘碎片和中等碎片分析结论通常可由APU供应商提供，但在设计过程中仍需将关键元器件置于可能的碎片撞击区之外或者分离/隔开/冗余和遮护飞机关键元器件和/或系统[15]，避免将互为余度的线束距离布置在小于1/3轮盘碎片和中等碎片尺寸的范围内。本文仅以小碎片情况在设计初期对主通道的布置影响举例进行分析，如表2所示。

表2 小碎片的信息

根据APU非包容转子爆破分析，APU的四个转子部件的重心点均在APU 轴线上。转子爆破产生的小碎片的飞散角为±15°，能量有限，通常可被增压舱蒙皮等铝制结构阻挡。以各转子重心±15°的扇形绕APU 轴线旋转360°，可以得到四个转子部件爆破时小碎片的影响区域(如图5)，包括机身尾段、垂尾、平尾、升降舵、方向舵等。

图5 APU转子爆破小碎片包络数模

EWIS部门根据APU非包容转子爆破分析数模和碎片数据信息作为设计输入对主通道及线束布置进行分析，受影响的EWIS线束主通道集中在APU舱区域和垂、平尾区域。

APU舱主通道和线束布置受转子爆破碎片的大小影响，分析在转子爆破影响区域内，同一碎片是否能同时损坏某一重要功能的所有余度。如果可以，需要对EWIS通道进行调整。根据上例小碎片的最大尺寸为2.37 in(碎片半径为1.67 in的1/4圆)，主通道及主要线路线束布置间隔距离应至少为2.37 in才能满足APU转子爆破小碎片分析要求。

垂尾和平尾区域的线束主通道通常布置在翼面的前缘和后缘，而且前、后缘通道通常互为冗余，因此在分析中需要确认转子爆破碎片是否能将前后缘通道同时破坏(如图6)。根据对APU转子爆破数模的分析，碎片的影响区域集中在方向舵及部分垂尾后缘和升降舵及部分平尾后缘。以左侧平尾为例，根据表2中小碎片尺寸以及图5中包含的包络面数模，在左侧平尾内，分别对四个转子对EWIS布置影响进行分析，如图6所示，由于APU转子小碎片只具有有限能量，只能破坏左侧平尾后缘主通道及相关EWIS布置，对前缘无影响，由此得出：APU转子爆破小碎片不会影响左平尾中所有EWIS余度。可使用同样方法得出右平尾及垂尾的主通道布置，保证APU转子爆破小碎片不会影响EWIS余度。

图6 APU转子爆破对左平尾EWIS主通道的影响

通过上例分析可得：APU舱内EWIS主通道及重要线路布置间距至少应大于2.37 in的碎片尺寸即可满足转子爆破设计要求；在垂尾、平尾区域，APU转子爆破时小碎片仅可能破坏一个EWIS主通道，不会造成该EWIS冗余线路同时失效。

在初步设计阶段后期，针对FHA中结论为危险或灾难性失效状态的故障，如俯仰姿态控制或偏航姿态控制，根据系统级FTA分解后的底事件独立性原则，该故障树下所有最小割级中所有能造成该故障的EWIS线路，与APU转子爆破小碎片在垂尾、平尾影响区域相对应分析，确保不会由于APU转子爆破小碎片的破坏能够导致升降舵或方向舵所有EWIS余度失效。

3 结论

EWIS设计是飞机设计的重要部分，EWIS的设计进度和质量直接影响到整个飞机的研发进度和设计质量。EWIS安全性分析作为EWIS适航取证的一个重要环节，PRA在EWIS安全性分析中扮演着极其重要的角色，关系到EWIS的主通道布局等关键方案的确定，因此，加强EWIS设计中对PRA流程、内容的研究，尽可能的在设计的各个阶段识别潜在的风险，并对风险进行有效控制，对EWIS的安全性分析乃至整个EWIS设计至关重要。

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(责任编辑：刘划 英文审校：刘敬钰)

PRAinEWISdesign

LI Peng-chang,LIU Yan-dong,LV Ming,LIU Yang

(Engineering Research & Development Center,AVIC SAC Commercial Aircraft Company Limited,Shenyang 110000,China)

In this article,according to the position and function of PRA in the EWIS safety analysis,analyzed and explained the principles,contents and processes of PRA,expatiated the effect of PRA to the EWIS main channel design at the beginning of EWIS design,and combining the analysis of cut set and minimum cut set in FTA,proved the necessary of independence among the bottom events in FTA by using PRA.At last by analyzing APU uncontained rotor burst illustrated effects to EWIS main channel and wiring layout.Analyzed the effect of EWIS layout at empennage and HTP by APU uncontained rotor burst.

PRA;EWIS;safety analysis;main channel

2014-06-16

李鹏昌(1981-)，男，天津人，主管工程师，主要研究方向：电气线路互联系统，E-mail:li.pengchang@sacc.com.cn。

2095-1248(2014)05-0023-06

V37

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.05.005