飞机风挡裂纹/破裂类事件统计及Bow-tie模型分析

刘俊杰, 张晴

(中国民航大学安全科学与工程学院, 天津 300300)

飞机风挡可以为飞行员提供清晰的视野,隔离飞机内外,保障机内环境。飞行中一旦发生风挡破裂损坏,可能会导致座舱失压、舱内设备失效、飞行员受伤、失能甚至飞机失控等风险。典型的案例有2018年5月14日川航8633航班英雄机长刘传健经历的“5·14”风挡破裂事件,1990年6月10日英航5390航班风挡脱落机长被吸出驾驶舱外冻僵但幸运生还的事件。高空中一旦发生风挡裂纹飞行员可能面临低温、缺氧、巨大气动压力,进而导致失能,飞机失控甚至坠机的可能性将大大增加。

基于此,国内外学者对飞机风挡结构及涉及故障情况进行了研究分析。李峰[1]对驾驶舱风挡进行介绍,并对 2 号风挡更换和调节进行分析,对调节的方法进行梳理,通过系统原理来确认故障并对基础知识进行分析;李杉[2]根据中国民用航空局相关数据,阐述了 2020 年国内民航运输机队运行和故障情况,重点分析了波音 B737、空客 A320及A330 飞机风挡加温层裂纹等几类典型的故障及其解决措施;张鑫[3]为解决某型飞机风挡玻璃脱胶故障,从原材料的质量、飞机设计、制造环节等方面进行故障原因排查,利用有限元分析数据确定了飞机故障原因;高翔等[4]通过飞机风挡的生产调查以及对相关故障的分析,搜索出了导致风挡侧窗有机玻璃出现腐蚀裂纹的主要因素,并对设计进行了相关优化;白建坤[5-6]分别以波音737NG 和空客A320 飞机为研究对象,对其风挡玻璃破裂、划痕等损伤进行了相关分析,为飞机的维护和安全放行提供依据;陈佳慧等[7]采用ANSYS/LS-DYNA分析软件进行了飞机风挡鸟撞过程的仿真模拟,改进了民用客机风挡鸟撞适航验证的方法;刘信超等[8]基于瞬态动力学软件 PAM-CRASH 建立碰撞数值仿真模型,对运输类飞机风挡鸟撞位置的影响进行了参数化研究;郭亚周等[9]通过飞机风挡撞击的对比性实验来对比微型无人机和鸟体撞击对飞机风挡玻璃的损坏程度;陈贺贺等[10]运用光滑粒子流体动力学方法模拟了鸟撞飞机风挡的过程,鸟体以三种不同的速度撞击风挡,得出了鸟体撞击风挡的应变、应力曲线等特征量;白杰等[11]针对适航条款中的相关要求,通过与美国的咨询通告(advisory circular, AC)等对比,从三个不同的角度对有关驾驶舱视界的适航符合性验证评估指标进行了总结,得出适当的驾驶舱视界适航符合性验证评估结果并给出相应的改进意见。

Doubrava等[12]探讨了厚度不同的风挡,在特定鸟击状态下碰撞后的动态响应,并认为风挡的临界击穿速率和风挡厚度成正比; Dar等[13]进行了鸟体的体态形状、重量、撞击角度、速度等不同特征对有机玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA )材质风挡影响的研究;Wang 等[14]对 PMMA 材质的风挡进行了环境温度、撞击位置以及撞击速度的影响研究;Mohagheghian 等[15]对离子性中间膜 (sentryglas®plus, SGP)、聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral, PVB)、热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane, TPU) 层合风挡进行了构型、温度以及厚度等参数的分析研究;Lu等[16]在PAM-CRASH软件环境下探究了运输机挡风玻璃与五种轻型无人飞行器在不同飞行条件下的空中碰撞安全性,发现无人机的构型、重量等都对飞机挡风玻璃的冲击损伤有显著影响。

在其他民航事件类型的研究方面,赵礼强等[17]采用Reason模型对45起民航空难事故及征候进行分析,结果表明机组人为差错是重大空难发生的核心因素;潘丹等[18]采用N-K 模型对飞机运行安全风险耦合进行研究,将飞机运行安全风险系统划分为机组、机务等6 个风险子系统,以及三种风险耦合类型,认为地面保障和天气因素影响的次数较多,表明二者对飞机运行安全有较大的影响;Liu等[19]提出了结合关联规则挖掘方法和系统动力学模型的混合方法来挖掘历史数据、预测和预警飞行员的不安全行为,最终挖掘出48个影响飞行员不安全行为的危险因素,以及142个关键关联规则。

飞机风挡的现有研究大部分是针对其结构、材料等微观方面或是对鸟击风挡事件进行仿真模拟,缺少对风挡类事件的宏观统计及成因分析。针对其他民航事件类型的现有研究,重点针对风挡相关事件及原因分析较少。为对民航客机的风挡破裂或损坏类事件进行了解和统计分析,现对美国航空安全报告系统(Aviation Safety Reporting System, ASRS)及中国航安网中风挡类事件进行统计,基于该数据利用Bow-tie模型对风挡破裂事件进行原因、结果分析并提出相应的预防措施、应急措施。

1 信息来源

为对风挡相关事件有较为全面的了解,主要收集截止到2022年6月以下两类数据:美国 ASRS数据库、中国航安网数据库。

ASRS 收集飞行员、管制员和其他人自愿提交的航空安全事件/情况报告,是世界上最大的由航空一线人员(包括飞行员、管制员、机务、空乘、签派)提供的自愿保密安全信息库。1975年,美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)建立并开始运行自愿报告项目ASRP(aviation safety reporting program)。次年,FAA把该项目移交给中立的第三方美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)来运行,并随之更名为ASRS[20]。

近年来,随着中国民航事业的发展,航空安全信息的数量也有大幅度增长[21]。其中,中国民用航空安全信息系统(以下简称“航安网”)中公布了局方收集的强制报告类事件信息,它是民航办公自动化中的一个重要业务子系统。主要记录中国民航运行相关的事故、征候、一般事件等信息,收集的内容包括事件发生的时间、地点、原因、事件类型、简要描述等。

1.1 ASRS数据统计分析

因为裂纹或破裂难以检索,遂以“windshield”为关键词检索了ASRS数据库,获取涉及风挡相关自愿报告621份,其中,有关内容未标注的用空白表示。

1.1.1 主要运行规章统计

上述报告中主要与FAR 121部、135部、91部运行相关,共599份,其中,涉及目视气象条件(visual meteorological conditions, VMC)的共277起,占比46.24%;此项空白未标注内容的150份,占比25.04%;涉及仪表气象条件(instrument meteorological conditions, IMC)的共125起,占比20.87%;涉及混合条件(mixed)的共34起,占比5.68%;涉及边界(marginal)的共13起,占比2.17%。涉及运行规章和运行条件如图1所示。

图1 ASRS运行规章与运行条件分布Fig.1 Distribution of operation regulations and flight rules in ASRS

从飞行活动类型来看,ASRS中的数据以客运(passenger)飞行为主,共362份,占比为58.29%;个人(personal)飞行79份,占比12.72%;此项空白未标注内容的78份,占比12.56%,培训(training)飞行相关43份,占比6.92%;货运(cargo / freight / delivery)飞行25份,占比4.03%;调机/飞机调配(ferry / re-positioning)相关25份,占比4.03%;其他飞行类型共9份,占比1.45%。涉及的主要运行规则包括Part121、Part91、Part135,具体分布如图2所示。

图2 ASRS运行规章与飞行类型分布Fig.2 Column chart of flight mission of main operation rules in ASRS

1.1.2 涉及飞机部件及报告者位置统计

涉及报告人所在位置以位于飞机上、驾驶舱(flight deck)为主。报告人所在位置在飞机上的共585份,占比94.20%,其中报告人所在位置为驾驶舱的共581份,占比99.32%。

问题的主要发现者为飞行机组。在标注发现者的214份报告中,发现者(detector)为飞行人员的共194份,占比90.65%;其他发现者还包括自动驾驶、地面人员、维修人员、签派、空管、客舱工作人员。涉及的问题中,110份报告为“故障”(malfunctioning);94份与“失效”(failed)相关,占比分别为51.40%、43.93%。

涉及飞机部件:未标注飞机部件的242份,占比38.96%。标注涉及飞机部件的报告中,涉及驾驶舱风挡、风挡及相关系统的报告214份,占比34.46%,其中171份报告涉及驾驶舱风挡,24份报告涉及风挡防冰/雨系统,13份报告涉及风挡雨刷系统,4份涉及窗(飞机部件),2份涉及座舱盖。

涉及飞机部件中与防冰相关的报告还涉及冰/雨防护系统、皮托/静压防冰系统、翼剖面防冰、螺旋桨防冰等,合计22份报告,占比3.54%。

1.1.3 飞行阶段

ASRS报告飞行阶段以巡航阶段为主,共221起,占比35.59%;其次为爬升阶段,共103起,占比16.59%;58起涉及下降阶段,占比9.34%;52起涉及滑行阶段,占比8.37%;41起涉及停靠阶段,占比6.60%;38起涉及着陆阶段,占比6.12%;其余飞行阶段如图3所示。因此,机组及相关部门要加强对巡航阶段风挡安全的关注。

图3 ASRS飞行阶段占比分布Fig.3 Flight phase proportion distribution in ASRS

剔除风挡无损伤、损伤未超标事件后,涉及风挡损伤相关事件330起,其中,飞行阶段以巡航阶段为主(128起),占比38.79%;其次为爬升至巡航阶段和初始爬升阶段(62起),占比为18.79%。

按事发阶段为空中或地面来划分,空中运行阶段包括巡航阶段、爬升至巡航阶段、下降阶段、起始进近阶段(仪表飞行规则)、初始爬升、起飞阶段、巡航高度变化阶段、最后进近阶段(仪表飞行规则)、起落航线五边阶段(目视飞行规则)、等待阶段、机动飞行、起落航线四边阶段(目视飞行规则)等244起,占比73.94%(占总数的39.29%)。

地面运行阶段包括停放、发动机未运转阶段、滑行、中断起飞阶段、推出/牵引、着陆滑跑阶段、发动机关车阶段、发动机起动阶段、滑行至跑道阶段等共计48起,占比14.55%(占总数的7.73%)。

发现时机主要为飞行中,共510份;其次为滑行中,共45份,占比分别为82.12%、7.25%,但是也涉及飞机在登机门、飞行前以及例行检查、着陆滑行、拖出/推出等过程中。

1.1.4 损伤情况

报告描述中涉及风挡损伤情况包括裂开(shatter)、裂缝(crack)、结冰(ice)、烟雾(smoke)、划伤(scratch)等。报告数分别为71、68、46、29、6起,合计占比35.43%。此外,报告提到伴有声音的66起,占比约10.63%。如图4所示为(含摘要)词云图(风挡损伤相关)。

图4 ASRS报告描述及摘要词云Fig.4 Report description and summary word cloud in ASRS

1.2 航安网数据分析

收集航安网1 004份风挡相关事件,对事件类型、风挡损伤状况、风挡损伤的具体情形、风挡损伤后的处置情况进行统计分析。

1.2.1 航安网事件类型统计

查询航安网数据库中标题含有风挡的数据,共收集信息1 004条,其中运输航空共972起,通用航空共32起。从主要事件类型来看,运输航空中鸟击事件最多,共679起,占运输航空的69.86%;其次为零部件缺失/损坏/磨损事件,共160起,占运输航空的16.46%。通用航空中零部件缺失/损坏/磨损事件最多,共20起,占通用航空的62.50%;其次为系统失效/故障/卡阻事件,共3起,占通用航空的9.38%。如图5所示。

图5 航安网风挡事件不同事件类型数Fig.5 Number of different event types of windshields in aviation safety information system of CAAC

1.2.2 风挡损伤状况及具体情形分析

航安网中1 004份风挡相关事件涉及风挡损伤情况如下:无损伤事件392起、损伤未超标事件282起,合计占比67.13%;标明损伤、损伤超标等事件272起,占比27.09%;涉及风挡及相关部件故障的57起,占比5.68%。不同事件类型导致的风挡损伤情况如下。

(1)鸟击事件:55.36%的鸟击事件无损伤(有鸟击痕迹、血迹羽毛、撞击感等);37.59%的鸟击事件损伤未超标,即92.95%收集的鸟击事件未导致损伤或损伤超标;损伤和损伤超标事件48起,占比7.05%。这说明风挡是鸟击高发部位,但损伤较轻,其导致风挡损伤或损伤超标的事件不足十分之一。

(2)零部件缺失/损坏/磨损:95.56%的零部件缺失/损坏/磨损事件涉及损伤、裂纹、破裂、损伤超标等情形,只有3.89%的事件标明损伤未超标;20.56%的事件标注损伤超标、裂纹、破裂等较为严重的情形。这说明零部件缺失/损坏/磨损是风挡损伤的高发事件类型,且约1/5的此类事件会导致风挡损伤超标或破裂。

(3)系统失效/故障/卡阻:47.76%的系统失效/故障/卡阻事件涉及风挡损伤、裂纹或开裂;47.76%涉及风挡相关故障;只有4.48%的系统失效/故障/卡阻事件风挡无损伤;这说明系统失效/故障/卡阻事件与风挡损伤、风挡相关故障相关度较高。从整体上看,导致风挡损伤、损伤超标的高发事件类型为零部件缺失/损伤/磨损、鸟击;导致风挡故障的高发事件类型为系统失效/故障/卡阻。如图6所示。

图6 航安网风挡损伤状况事件类型Fig.6 Event types of windshield damage in Aviation Safety Information System of CAAC

涉及风挡损伤的具体情形的共360起,其中,涉及裂纹、破裂、划痕、凹坑、开裂情况的共277起,占比76 .94%;涉及加温故障的共35起,占比9.72%;涉及封胶破损、脱落、封严受损的9起,合计占比2.50%。如图7所示。其他风挡相关问题还包括风挡污染、结冰、无法关闭、外物撞击等就不一一赘述。

图7 航安网风挡损坏具体情形与损伤情况Fig.7 Specific situation and damage of windshield in aviation safety information system of CAAC

1.2.3 风挡损伤后的处置情况

发生风挡损伤后的处置情况会与所处飞行阶段以及对损伤程度的判断、外界天气条件等情形有关。

巡航阶段主要处置包括:继续飞行、备降、返航、下降高度,占比分别为41.46%、24.39%、18.70%、9.76%;爬升至巡航阶段的处置主要包括:返航、备降、继续飞行,占比分别为69.56%、19.56%、8.70%;初始爬升阶段以返航为主,占比75%。地面停放、发动机未运转阶段发现风挡损伤情况大多为航后、航前检查时,此类情况处置以更换风挡为主(占比90.62%),个别情形有涉及故障保留放行、停场修理、取消后续航班等。具体统计数据如图8所示。

图8 航安网不同飞行阶段风挡损伤处置情况Fig.8 Windshield damage disposal during different flight stages in aviation safety information system of CAAC

2 事件调查报告分析

收集整理风挡相关事故调查报告,共涉及以下4份事件调查报告。

(1)事件1。

事件经过:2011年4月1日,美国西南航空一架B737-3H4 (WL)飞机执行亚利桑那州凤凰城-天港国际机场飞往加利福尼亚州萨克拉门托国际机场,在巡航阶段该航班的风挡突然破裂,导致飞行舱内失压。飞机紧急备降亚利桑那州尤马国际机场,一名空乘人员受伤[22]。

事件原因:该事件是由于风挡玻璃的一个铝制结构件出现了疲劳裂纹,最终导致破裂。

(2)事件2。

事件经过:2011年9月17日,加拿大航空公司一架A320-200型客机执行从加拿大多伦多飞往美国洛杉矶的航班,该飞机在距离芝加哥奥黑尔机场西北90海里、飞行高度层FL340时,副驾驶侧的风挡玻璃破裂。机组人员将飞机的飞行高度层下降为FL230,改航芝加哥奥黑尔机场,25分钟后在14R跑道安全着陆[23]。

事件原因:水气渗透到风挡玻璃加热层,引起加热器系统产生电弧,进而导致风挡玻璃破裂。

(3)事件3。

事件经过:2018年5月14日,中国一架A319-133飞机执行重庆至拉萨航班,飞机驾驶舱右风挡在巡航阶段爆裂脱落,飞机失压,飞机备降成都。两人受伤,飞机损伤[24]。

事件原因:飞机右风挡封严(气象封严或封严硅胶)破损,导致外部水汽渗入并存留于风挡底部边缘。电源导线因长期浸泡持续电弧放电,进而使双层结构玻璃破裂,风挡不能承受驾驶舱内外压差从而爆裂脱落。

(4)事件4。

事件经过:2021年5月4日,中国一架B737-800飞机执行库尔勒至郑州航班。巡航过程中机组发现左侧1号风挡边缘有小电火花,并持续蔓延扩大。随后风挡发出爆裂声并出现裂纹,机组按检查单的步骤确认外层风挡破裂,内层风挡未见裂痕,最后机组认为剩余航程时间过长,不宜继续飞往目的地郑州,决定备降兰州,后续在兰州正常落地[25]。

事件原因:加温控制系统失效,诱因可能包含加温控制元件失效和/或风挡防潮封严风蚀、老化和脱胶等造成的潮气入侵也可能导致加温控制异常,进而导致风挡外层玻璃破裂。

值得指出的是,第一起事件是由于飞机风挡零部件失效/故障/卡阻等问题引起;后面3起事件都与风挡维护不当导致水汽/潮气进入风挡有关。这表明水汽/潮气对于风挡加温层、电弧等重要部件具有重要影响。因此机务、机组人员在进行航后、航前检查时要加强对风挡的审查、注意日常维护,若有故障应及时进行维修或更换。

3 Bow-tie模型分析风挡破裂类事件

Bow-tie模型是一种风险管理和分析的方法,它可以分析出顶级事件的原因及其潜在后果,并针对不同原因提出预防措施,根据潜在后果提出应对方法[26]。它的实施步骤如下:选择具体的风险事件作为顶级事件;左侧为事件发生的原因,右侧为事件可能导致的后果,预防和减缓控制措施就写在两侧的连线上[27]。Bow-tie模型图包括事件发生的全部过程,并且能够清晰地显示出各部分之间的联系。

基于飞机风挡破裂所带来的严重后果,选取风挡裂纹/破裂类事件为模型的顶级事件。

对飞机风挡破裂事件的原因归结到“鸟击、零部件缺失/故障、系统失效/故障、冰击”四个方面,这样对事件进行更加全面、清晰的分析。根据风挡破裂事故调查报告分析可知,风挡破裂常常会产生非常严重的后果,造成风挡结冰、故障、损坏、损坏超标的后果。

根据事故原因制定以下预防控制措施:

(1)鸟击:加强机组、空管等人员的技能培训,增加鸟击事件专项训练以提高应对能力;加强飞行前准备,做好航前检查,采取有效的驱鸟措施,及时清理排水沟、水槽,及时清理昆虫[28]。

(2)零部件缺失/故障:机务、机组人员要加强对飞机的航前检查,对老旧零部件要及时更换,尤其对各种零部件的检查,航空公司安监部要加强监督。

(3)系统失效/故障:厂家要对发动机等动力设备严加把控,保证出厂安全,机务、机组做好航前检查,对系统、故障相关事件要做好分析,引以为鉴,防范类似事件的发生。

(4)冰击:气象部门要做好天气预报,空管部门也要及时报告天气变化,机组要提高自身针对冰雹等不利天气的应对能力,地勤人员做好除冰措施。

根据事故产生的潜在后果制定一些减缓控制措施:

(1)地勤人员要及时做好除冰措施,机务及机组人员要做好航前检查。

(2)机组要迅速做出反应并与空管部门取得联系,机长要快速做出决断,副驾驶要积极配合机长并指出错误,尽量在最近的机场备降。

(3)机组应迅速做出反应,检查是否系好安全带,及时与空管取得联系,尽快着陆,启动相关应急程序。

(4)航空公司要对损坏部件及时进行修复或更换。

根据上述分析绘制风挡类事件Bow-tie模型图,如图9所示。

图9 风挡类事件Bow-tie模型分析图Fig.9 Bow-tie model analysis diagram of windshield events

4 结论与建议

通过对ASRS及航安网中关于风挡类事件的运行条件、事件类型、报告者位置等事件特征进行统计分析,得出结论。

(1)ASRS数据分析表明:运行条件涉及VMC的比例最高,这证明对风挡破裂影响最大的运行条件为目视气象条件(是指用能见度、离云的距离和云高表示,等于或者高于规定最低标准的气象条件)(CCAR-121-R7)[29]。飞行活动类型以客运飞行为主;报告者所在位置以位于飞机上、驾驶舱为主;事发阶段以巡航阶段为主;风挡损坏情况主要是裂开。

(2)航安网数据分析表明:运输航空中风挡类事件原因以鸟击为主,通用航空以零部件缺失/损坏/磨损为主;且鸟击事件大部分为无损伤,后果较轻;而超九成的零部件缺失/损坏/磨损事件涉及损伤、裂纹、破裂、损伤超标等情形,后果较重;事发阶段主要在巡航阶段且处置情况以继续飞行为主。

针对上述分析,结合Bow-tie模型,提出如下建议。

(1)机务、机组等相关人员应做好航前、航后检查,且要加大对风挡加温、雨刷、封胶等的检查并及时进行维修维护。

(2)重点关注事件类型:零部件缺失/损坏/磨损、系统失效/故障/卡阻、鸟击等,针对上述事件,加强零部件的审查和鸟击防范力度,提高飞行员对此类突发事件的应对能力。

(3)气象、空管部门应及时密切地关注天气变化并及时通知机组,尤其是雷暴、冰雹等天气。