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摘要:
对于软管式空中加油系统，由于受到加油机尾流、大气紊流、受油机艏波、飞行员操作水平、燃油压力脉动等各种因素干扰，加油软管难以稳定在平衡位置，在对接时常发生软管“甩鞭”现象（HWP）。软管“甩鞭”现象严重影响了空中加油任务的安全性，降低对接成功率，是空中加油过程的一种典型危险。基于系统理论事故模型和过程模型（STAMP）理论和系统理论过程分析（STPA）方法对空中加油过程的典型危险——HWP，开展了具体的致因分析，从控制模型的角度系统分析导致HWP发生的不安全行为和相应的致因场景，从系统层、不安全控制行为层和致因因素层分别提出避免空中加油软管HWP发生的一系列安全约束。根据软管HWP的危险功能控制结构，利用Simulink工具搭建仿真验证平台，以对接速度、卷盘机构控制、软管长度关键致因为模型输入，验证所提安全约束的准确性和可行性。
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关键词:
- 空中加油 /
- 软管"甩鞭"现象(HWP) /
- 航空安全 /
- 系统理论事故模型和过程模型(STAMP)理论 /
- 仿真验证
Abstract:For the hose aerial refueling system, the refueling hose is difficult to stabilize in a balance position due to interference of tanker wake, atmospheric turbulence, receiver bow wave, pilot operation, fuel pressure pulsation, etc. Thus the Hose Whipping Phenomenon (HWP) usually takes place in the docking phase of aerial refueling, which could reduce the docking success rate and the safety of refueling, and it is a typical hazard in aerial refueling process. Based on the System-Theoretic Accident Model and Processes (STAMP) and the System Theoretic Process Analysis (STPA) method, the safety analysis of HWP in aerial refueling process was carried out to systematically identify the unsafe action and causal scenes by constructing the control model, and a series of operational constraints were proposed from system level, unsafe action level and causing factors. According to the hazard function control structure of the HWP, the simulation verification platform was built by Simulink. The key causes of docking speed, reel mechanism control, and hose design length were inputted to verify the accuracy and feasibility of the proposed safety constraints.
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图 8 在速度控制-2下不同长度软管第24段张力变化
Figure 8. Tension change of the twenty-fourth section of hoses with different length under speed control-2
表 1 HWP相关的系统级危险
Table 1. HWP-related system-level hazards
编号 系统级危险 相关的系统级损失 H-1 软管过度松弛 L-2、L-3 H-2 软管剧烈甩动 L-2、L-3 H-3 插头折断 L-1、L-2、L-3 H-4 软管锥套损坏 L-2、L-3 H-5 飞机失控 L-1、L-2、L-3 
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表 2 HWP不安全控制行为分析
Table 2. HWP unsafe control action analysis
控制行为 UCA类型 未提供控制行为 提供了错误的控制行为 控制行为过早、过晚或顺序错误 控制行为结束太早或太晚 CA-1：速度控制 UCA-1：未进行速度控制(H-1、H-3) UCA-2：对接时油门过大或过小、迎角过大或偏航角过大(H-1、H-3、H-4)
UCA-3：输送燃油过程中受油机油门、脚蹬、操作杆控制不柔和(H-1、H-2、H-3、H-4)
UCA-4：软管甩动时受油机减速(H-2、H-3、H-4)UCA-5：对接成功后未及时控制油门、操纵杆使飞机减速(H-1、H-3)
UCA-6：输送燃油过程中飞行员滥用控制行为(H-2、H-3、H-4、H-5)UCA-7：未加油结束并停止速度保持(H-1、H-3、H-4、H-5) CA-2：位置控制 UCA-8：未进行位置控制(H-1、H-5) UCA-9：未按照先水平距离再垂直间隔的顺序接近锥套(H-1、H-2、H-5)
UCA-10：对接成功后未及时保持在安全加油区域(H-1、H-2、H-3、H-4、H-5)UCA-11：加油未结束便停止位置控制(H-1、H-2、H-3、H-4、H-5) CA-3：空空通话 UCA-12：两飞行员未进行空空通话(H-1、H-2、H-3、H-4) UCA-13：空空通话用语不规范(H-1、H-2、H-3、H-4) UCA-14：软管甩动幅度增大未及时通告加油机(H-3、H-4、H-5) UCA-15：加油未结束便停止空空通话(H-1、H-2、H-3、H-4)
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表 3 HWP致因因素
Table 3. HWP causal factors
组件 原因分析 导致UCA 受油机飞行员 在加油过程中对飞行姿态的掌握技术经验不足 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 在加油过程中对飞行姿态的调整操作不够柔和 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 在加油过程中精神高度紧张导致人员疲劳 所有 受油机飞行员在加油期间受其他因素干扰注意力分配不当 所有 在加油时突遇侧风和尾涡等特情处置不当 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 在工作过程中与加油机飞行员未及时保持空空通话 所有 在加油时未使用标准通话用语 所有 飞行控制系统 受油机操作机构老化 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 受油机电传机构延迟 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 传感系统 受油机传感器安装位置不合理 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 受油机传感系统抗干扰能力差 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11 软管锥套 加油软管长度、质量设计不合理 1、7、8、11 加油软管弹性系数过小 1、7、8、11 软管在加油机上的安装差错导致收放卡滞 1、7、8、11 卷盘控制机构工作异常 1、7、8、11 加油过程中对软管张力控制延迟 1、7、8、11 受油插头 受油插头在受油机上安装位置不合理加剧艏波效应 2、3、10 受油插头长度、刚度设计不合理 3、6 加油机 在加油过程中飞行不稳定 所有 人机系统 掌握飞行姿态和油量的人机界面不合理 所有 加油机飞行员 在加油过程中与受油机飞行员未及时保持空空通话 所有 在加油时未使用标准通话用语 所有
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表 4 HWP系统级安全约束
Table 4. HWP system-level safety constraints
编号 系统级危险 安全约束 H-1 软管过度松弛 SC-1：在设计生产时保证软管生产质量，以及在使用过程中避免过度拉伸 H-2 软管剧烈甩动 SC-2：保证甩动控制在合理范围以内，保持稳定飞行姿态 H-3 插头折断 SC-3：在设计生产时保证插头生产质量以及安装时确保牢固程度 H-4 软管锥套损坏 SC-4：在设计生产时保证软管锥套的质量，以及在飞行时严格遵循加油步骤，保证不会出现剧烈碰撞 H-5 飞机失控 SC-5：保证飞机姿态的正确稳定，且在允许的范围内及时纠正不合适的姿态
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表 5 HWP不安全控制行为安全约束
Table 5. HWP unsafe control action's safety constraints
编号 不安全控制行为 安全约束 UCA-1 未进行速度控制 SC-6：飞行员必须进行速度控制 UCA-2 对接时油门过大或过小、迎角过大或偏航角过大 SC-7：飞行员必须在规定的速度、俯仰角、偏航角范围内进行对接 UCA-3 输送燃油过程中受油机油门、脚蹬、操作杆控制不柔和 SC-8：飞行员必须柔和操作 UCA-4 软管甩动时受油机减速 SC-9：HWP发生时受油机禁止后退 UCA-5 对接成功后未及时控制油门、操纵杆使飞机减速 SC-10：对接成功后，飞行员必须控制飞机速度 UCA-6 输送燃油过程中飞行员滥用控制行为 SC-11：飞行员必须按照规定的操作方法操纵飞机 UCA-7 未加油结束并停止速度保持 SC-12：速度控制必须作用于HWP可能发生的全过程 UCA-8 未进行位置控制 SC-13：飞行员必须进行位置控制 UCA-9 未按照先水平距离再垂直间隔的顺序接近锥套 SC-14：飞行员必须按照先水平距离再垂直间隔的顺序接近锥套 UCA-10 对接成功后未及时保持在安全加油区域 SC-15：飞行员必须保持在安全加油区域飞行 UCA-11 加油未结束便停止位置控制 SC-16：位置控制必须作用于HWP可能发生的全过程 UCA-12 两飞行员未进行空空通话 SC-17：两机飞行员必须保持空空通话 UCA-13 空空通话用语不规范 SC-18：两机飞行员必须用规范用语进行空空通话 UCA-14 软管甩动幅度增大未及时通告加油机 SC-19：受油机飞行员必须及时通告加油机危险状态 UCA-15 加油未结束便停止空空通话 SC-20：空空通话必须作用于HWP可能发生的全过程
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表 6 HWP致因因素安全约束
Table 6. HWP causal factors' safety constraints
致因因素 安全约束 受油机飞行员在加油过程中对飞行姿态的掌握技术经验不足 SC-21：减小任务压力 受油机飞行员在加油过程中对飞行姿态的调整操作不够柔和 SC-22：提高模拟系统真实性 受油机飞行员在加油过程中精神高度紧张导致人员疲劳 SC-23：重新设计加油设备，增大输油速率 受油机飞行员在加油期间受其他因素干扰注意力分配不当 SC-24：任务规划系统提高机群加油效率 受油机飞行员在加油时突遇侧风和尾涡等特情处置不当 SC-25：增加针对HWP的应急操作训练 受油机飞行员在工作过程中与加油机飞行员未及时保持空空通话 SC-26：必要时空管系统提醒两机进行通话 受油机飞行员在加油时未使用标准通话用语 SC-27：加大对空空通话用语监督力度 受油机操作机构老化 SC-28：机务人员及时更换老旧部件 受油机电传机构延迟 SC-29：降低飞控系统延迟性 受油机传感器安装位置不合理 SC-30：优化传感设备布局 受油机传感系统抗干扰能力差 SC-31：提高传感系统的环境适应性 加油软管长度、质量设计不合理加油软管弹性系数过小 SC-32：优化软管锥套设计 软管在加油机上的安装差错导致收放卡滞 SC-33：安装软管后要进行收放检验 卷盘控制机构工作异常 SC-34：任务前重点检查卷盘机构工作状态 加油过程中对软管张力控制延迟 受油插头在受油机上安装位置不合理加剧艏波效应受油插头长度、刚度设计不合理 SC-35：重新设计受油插头安装位置、长度和刚度 在加油过程中飞行不稳定 SC-36：任务规划系统尽量选择良好天气状态作为加油区域 掌握飞行姿态和油量的人机界面不合理 SC-37：优化人机界面设计 加油机飞行员在加油过程中与受油机飞行员未及时保持空空通话 SC-38：必要时空管系统提醒两机进行通话 加油机飞行员在加油时未使用标准通话用语 SC-39：加大对空空通话用语监督力度
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[1] MAIERSPERGER W P.General design aspects of flight refueling[J].Aeronautical Engineering Review, 1954, 13(3):52-61. [2] AHMAD M, PONTIGGIA M.Modified Swiss cheese model to analyse the accidents[J].Chemical Engineering Transactions, 2015, 43:1237-1242. https://www.mendeley.com/catalogue/37b8a1d5-c6ea-3d4a-9182-007f946fbb47/ [3] 黄海燕, 李健, 江田汉, 等.基于贝叶斯网络的事故多级多米诺效应计算方法研究[J].中国安全生产科学技术, 2019, 15(6):157-161. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgzyaqwsgltxrz201906029HUANG H Y, LI J, JIANG T H, et al.Study on calculation method of multi-level domino effect of accident based on Bayesian network[J].Journal of Safety Science and Technology, 2019, 15(6):157-161(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgzyaqwsgltxrz201906029 [4] WATERSON P, JENKINS D P, SALMON P M, et al.Remixing Rasmussen:The evolution of Accimaps within systemic accident analysis[J].Applied Ergonomics, 2016, 59(B):483-503. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27659766 [5] QIAO W G, LI X C, LIU Q L.Systemic approaches to incident analysis in coal mines:Comparison of the STAMP, FRAM and "2-4" models[J].Resources Policy, 2019, 63:101453. doi: 10.1016/j.resourpol.2019.101453 [6] LEVESON N G.A new accident model for engineering safer systems[J].Safety Science, 2004, 42(4):237-270. doi: 10.1016/S0925-7535(03)00047-X [7] JING L L, BAI Q G, GUO W Q, et al.Contributory factors interactions model:A new systems-based accident model[J].Systems Research and Behavioral Science, 2019, 37(11):255-276. doi: 10.1002/sres.2618 [8] 刘朝晖, 陈智, 吴志强, 等.STPA方法在数字化反应堆紧急停堆系统安全性分析中的研究与应用[J].核动力工程, 2015, 36(S2):157-161. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hdlgc2015z2039LIU Z H, CHEN Z, WU Z Q, et al.Research and application of STPA to digital reactor shutdown system in NPP for system safety analysis[J].Nuclear Power Engineering, 2015, 36(S2):157-161(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hdlgc2015z2039 [9] PLIOUTSIAS A, KARANIKAS N.Using STPA in the evaluation of fighter pilots training programs[J].Procedia Engineering, 2015, 128:25-34. doi: 10.1016/j.proeng.2015.11.501 [10] CHATZIMICHAILIDOU M M, WARD J, HORBERRY T, et al.A comparison of the bow-tie and STAMP approaches to reduce the risk of surgical instrument retention[J].Risk Analysis, 2017, 38:978-990. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=a36cf04376bd6110bb75cb56a6adfcee [11] 徐坚, 张晓非.软式空中加油头波效应建模与仿真[J].飞行力学, 2019, 37(5):40-44. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FHLX201905008.htmXU J, ZHANG X F.Dynamic modeling and simulation of bow wave effect in hose-drogue aerial refueling system[J].Flight Dynamics, 2019, 37(5):40-44(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FHLX201905008.htm [12] 王海涛, 董新民, 郭军, 等.空中加油软管锥套组合体甩鞭现象动力学建模与分析[J].航空学报, 2015, 36(9):3116-3127. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkxb201509033WANG H T, DONG X M, GUO J, et al.Dynamics modeling and analysis of hose whipping phenomenon of aerial refueling hose-drogue assembly[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(9):3116-3127(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hkxb201509033 [13] HE Q S, WANG H T, CHEN Y F.Command filtered backstepping sliding mode control for the hose whipping phenomenon in aerial refueling[J].Aerospace Science and Technology, 2017, 67:495-505. doi: 10.1016/j.ast.2017.04.020 [14] COOPER J R, ROTHHAAR P M.Dynamics and control of in-flight wing tip docking[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2018, 41(11):2327-2337. doi: 10.2514/1.G003383 [15] BURNS R S, CLARK C S, EWART R.The automated aerial refueling simulation at the AVTAS laboratory: AIAA-2005-6008[R].Reston: AIAA, 2005. -
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