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基于改进FRAM方法的飞机着陆安全品质分析

阎奕帆 甘旭升 吴亚荣 杨丽薇

阎奕帆,甘旭升,吴亚荣,等. 基于改进FRAM方法的飞机着陆安全品质分析[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(8):1964-1973 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0574
引用本文: 阎奕帆,甘旭升,吴亚荣,等. 基于改进FRAM方法的飞机着陆安全品质分析[J]. 北京航空航天大学学报,2023,49(8):1964-1973 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0574
YAN Y F,GAN X S,WU Y R,et al. Aircraft landing safety quality analysis based on modified FRAM method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(8):1964-1973 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0574
Citation: YAN Y F,GAN X S,WU Y R,et al. Aircraft landing safety quality analysis based on modified FRAM method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2023,49(8):1964-1973 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0574

基于改进FRAM方法的飞机着陆安全品质分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0574
基金项目: 国家自然科学基金(52074309)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail:gxsh15934896556@qq.com

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

Aircraft landing safety quality analysis based on modified FRAM method

Funds: National Natural Science Foundation of China (52074309)
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  • 摘要:

    飞机着陆阶段是飞行安全事故发生频率最高的阶段,也是对飞行员技术要求最高的阶段。应当构建科学的评判体系,对其着陆操控技术水平进行准确的评价,识别其技术缺陷,制定措施提升着陆阶段的安全品质。基于功能共振事故模型(FRAM),对飞机着陆下滑和滑跑减速2个阶段分别构建功能网络模型。构建航空器着陆滑跑减速模型,以虚拟试飞的方式模拟飞行员的着陆操作过程,并对不同道面环境下的着陆控制过程实施数据采样。通过采样数据与安全包络的对比,识别功能网络中的功能共振关系与发生功能异变的功能模块。为能够持续优化飞行员着陆操控安全品质,对FRAM分析流程做出改进,建立滚动优化的数据采集与安全屏障有效性验证程序,及时剔除无效的管控措施。改进FRAM分析方法弱化了传统分析方法对分析者知识结构的依赖,分析结果更为客观科学,可为飞行学员的培养和飞行员的能力持续提升提供有效技术支撑。

     

  • 图 1  改进FRAM方法的分析流程

    Figure 1.  Analysis process of improved FRAM method

    图 2  航空器着陆阶段划分

    Figure 2.  Division of aircraft landing stage

    图 3  航空器接地航向与接地点

    Figure 3.  Aircraft landing touch point and heading

    图 4  航空器着陆阶段功能网络图

    Figure 4.  Functional network diagram of aircraft landing stage

    图 5  滑跑距离安全包络

    Figure 5.  Safety envelope of running distance

    图 6  侧偏距安全包络

    Figure 6.  Safety envelope of lateral offset

    图 7  着陆滑跑轨迹

    Figure 7.  Landing taxiing trajectory

    图 8  着陆滑跑距离

    Figure 8.  Landing taxiing distance

    图 9  着陆滑跑侧偏距

    Figure 9.  Landing taxiing lateral offset

    图 10  着陆滑跑最大偏航角

    Figure 10.  Maximum yaw angle of landing taxiing

    表  1  航空器着陆阶段功能模块

    Table  1.   Function modules of aircraft landing stage

    模块名称类别
    F1油门  M
    F2方向舵 M
    F3升降舵 M
    F4制动系统M
    F5态势感知M
    F6操作规程G
    F7道面信息M,S
    F8接地  M
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    表  2  方向舵的功能结构

    Table  2.   Function structure of rudder

    功能单位描述
    输入(I)侧偏距,航向偏角,操作规程
    输出(O)转弯率与航向
    资源(R)导航台的导引,道面标识信息
    时间(T)着陆阶段全程
    控制(C)飞行员踩脚舵
    前提(P)存在偏角和侧偏距并被感知
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    表  3  制动系统的功能结构

    Table  3.   Function structure of brake system

    功能单位描述
    输入(I)滑行速度
    输出(O)加速度
    资源(R)刹车,减速板
    时间(T)接地至滑跑结束
    控制(C)握刹车杆,打开减速板阀门
    前提(P)速度大于标准程序设定
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    表  4  接地的功能结构

    Table  4.   Function structure of landing touch

    功能单位描述
    输入(I)下降率,水平速度,航向
    输出(O)横向和纵向偏距,接地速度
    资源(R)道面标识信息
    时间(T)开始下滑至主轮接地
    控制(C)方向舵,油门,仰角
    前提(P)航行诸元符合标准,道面阻力良好,
    无风切变影响
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    表  5  油门的功能变化

    Table  5.   Functional variability of throttle

    接地速度偏离值/(m·s-1功能变化情况安全品质
    V|≤5油门控制范围良好良好
    15≥ΔV>5油门过大,但在边界内合格
    −5>ΔV≥−15油门过小,但在边界内合格
    V|>15油门控制范围超出安全边界不合格
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    表  6  方向舵的航迹偏移功能变化

    Table  6.   Track offset functional variability of rudder

    横向位置偏离值/m功能变化情况安全品质
    y|≤5滑行轨迹控制良好良好
    10≥|Δy|>5滑行轨迹有偏移,但在边界内合格
    y|>10滑行偏移显著,风险较高不合格
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    表  7  方向舵的航向偏移功能变化

    Table  7.   Heading offset functional variability of rudder

    接地点偏航角/rad功能变化情况安全品质
    |θtd|≤5π/180航向控制范围良好良好
    15π/180≥|θtd|>5π/180航向有偏移,但在边界内合格
    |θtd|>15π/180航向偏移显著,风险较高不合格
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    表  8  升降舵的功能变化

    Table  8.   Functional variability of elevator

    接地点纵向位置偏离/m功能变化情况安全品质
    xtd|≤50下降率控制范围良好良好
    150≥Δxtd>50下降率略小,但在边界内合格
    −50>Δxtd≥−150下降率略大,但在边界内合格
    xtd|>150下滑曲线偏移显著,风险较高不合格
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    表  9  着陆滑跑模型参数设置

    Table  9.   Landing model parameter setting

    参数数值
    接地点横向偏移量Δytd/mN(0,5)
    接地点纵向偏移量Δxtd/mN(0,20)
    接地点偏航角θtd/radN(0,5π/180)
    平均滑动摩擦系数fN(µ,0.005)
    接地速度Vtd/(m·s−1)N(70.475,5)
    最大转弯率|ωmax|/(rad·s−1)5π/180
    速度修正系数K10.95
    机翼面积S/m260
    飞机着陆重量W/N180000
    空气密度ρ/(kg·m−3)1.225
    接地升力系数Cl,td0.89
    接地阻力系数CD,td0.12
    跑道接地点/m(400,0)
    跑道宽度/m40
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    表  10  飞机着陆滑跑模拟数据

    Table  10.   Simulation data of aircraft landing taxiing

    序号摩擦系数最大偏航角
    /rad
    最大侧偏距
    /m
    滑跑距离
    /m
    接地速度
    /($ {\text{m}} \cdot {{\text{s}}^{ - 1}} $)
    接地点
    /m
    接地偏航角
    /rad
    10.120.166 613.0222 54576.421(398.1,1.6)0.103 9
    20.140.153 611.8612 26074.104(370.6,10.9)−0.016 3
    30.160.111 18.6671 70163.794(435.7,8.1)0.025 7
    40.180.077 35.6532 07873.925(440.8,3.6)−0.034 9
    50.200.091 87.1022 06676.429(339.9,−0.1)0.058 3
    60.220.234 517.9411 73871.726(347.2,7.1)−0.141 1
    70.240.172 612.4921 66171.572(353.9,−10.9)0.046 1
    80.260.180 113.6631 76873.541(425.4,8.5)−0.088 2
    90.280.086 16.4411 59072.377(349.5,−0.1)−0.056 2
    100.300.131 79.5061 47368.886(454.8,−9.4)0.001 1
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    表  11  功能共振原因分析

    Table  11.   Causal analysis of functional resonance

    共振关系原因描述
    F2~F5情景意识不够敏锐,对航向与侧偏距的感知不够准确;对飞机舵面与转弯率的控制关系掌握不够熟练,不能很好地修正存在的偏差
    F1~F3下滑过程中对油门与升降舵的协同控制掌握不够熟练,下降率没控制好
    F4~F5对速度的情景意识不够准确,没有意识到减速过慢的现象,制动力施加不够。对道面摩擦阻力的影响也没有充分遇见
    F1~F2下滑过程中对油门与方向舵的协同控制不够熟练,接地点产生偏移
    F2~F4~F5滑跑过程中对方向舵与制动系统的协同控制不够熟练
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    表  12  方向舵的安全屏障

    Table  12.   Rudder safety barrier

    屏障类型屏障措施描述
    物理屏障加强机组间的协同,对显著的控制偏差,其他机组成员应当及时提醒
    功能屏障加强人员技术水平的精细化管理,做好任务机组人员的选派,注重能力互补,新老搭配
    象征屏障改进着陆航向引导系统,通过信息告警咨询或语音提示的方法辅助飞行员修正航向偏离
    无形屏障通过模拟训练与教官带教的方式,对方向舵的操控进行强化训练,提高操控熟练度
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    表  13  态势感知的安全屏障

    Table  13.   Situational awareness safety barrier

    屏障类型屏障措施描述
    功能屏障着陆阶段避免不必要的交流和操作程序,降低机组人员的精力损耗
    象征屏障优化仪表信息显示界面,提升机组人员对态势的认知效率
    无形屏障加强注意力分配方面的专项训练,提高情景感知能力
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    表  14  模型性能对比分析

    Table  14.   Comparative analysis of model performance

    不同点传统的FRAM方法改进FRAM方法
    分析流程开环单次分析流程闭环反馈回路流程,滚动分析
    分析阶段开展事故后分析贯穿系统运行全程
    专家知识依赖度高度依赖专家知识和经验提高了客观数据的影响权重,对专家知识依赖适中
    信息数据利用程度仅使用与本次事故相关数据,数据利用率低充分关联大量历史数据,信息利用率高
    分析效率每次事故后均需重新开展建模分析模型构建后始终有效,仅需定期开展模型修正
    安全屏障有效性可能存在无效的安全屏障措施能及时验证安全屏障有效性,优化防范措施
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-26
  • 录用日期:  2021-12-20
  • 网络出版日期:  2022-02-14
  • 整期出版日期:  2023-08-31

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