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漫谈波音787可靠性


本文转载自公众号思睿咨询

波音787Boeing 787)又称梦想客机(Dreamliner)是波音民用飞机集团(BCA)研发的中型双发宽体中远程运输机,由于采用了大量先进技术和航空工业的最新研究成果,其燃油经济性、乘坐舒适性等都高于现有民航客机,波音公司宣称B787的可靠性堪比同类最佳。

首先介绍一下B787的优势:

1.     B787结构中大量应用复合材料

除了以往的蜂窝复合材料外,碳纤维强化塑料(CFRP)在B787飞机上得到了大面积的应用。B787的机身蒙皮、长桁、地板梁、龙骨梁、机翼前后、机翼蒙皮及翼肋等主要结构件全部采用CFRP。在B787的结构重量中复合材料占到了60%,铝合金为21%,钢为8%,钛合金为11%(结构重量是指机翼,机身,尾翼和起落架结构的总重),B787飞机是目前惟一的飞机结构以复合材料为主的大型民用客机。波音公司期望应用复合材料彻底解决目前金属材料的腐蚀和疲劳问题,提高飞行安全性,降低维修成本。

2.     B787优化了飞机能源的使用

B787飞机上的所有能源都来自飞机的电源系统,取消了传统的气源系统,优化了飞机能源的使用,提高了发动机的效率。由于取消了气源系统的各个部件(活门,管道等),大大降低了飞机的重量,系统的可靠性得到显著提高,飞机的维修成本也可以得到有效降低。

B787飞机的电源系统与以往的波音飞机有着很大的区别,飞机上的电源来自4个安装在发动机上的230V交流250kW变频发电机和两个安装在APU上的230V交流225kW变频发电机组成,变频系统取代了传统的恒频系统,这种变频电源系统在空中客车A380上也得到应用。电源经过变频、整流、变压分配后形成飞机的4种电源模式,即传统的115V交流、28V直流和新的230V交流、270V直流。其中230V交流和270V直流电源主要用于以往由气源系统驱动的系统部件。

3.     B787具备强大的维护保障平台

该维护保障平台由两部分功能组成,一是中央维护系统,另一个是数据管理。

  • 中央维护系统

中央维护系统的功能包括中央维护计算功能(CMCF)和飞机状态监控功能(ACMF)。中央维护计算和飞机状态监控工作在通用处理模块中,这样更有利于整个航电系统的交互测试、故障采集、状态监控报告收集,产生的报告通过隔离数据网络(IDN)传输到核心网络柜(CNC),存储于核心网络柜内的文件服务器模块(FSM)中。

  • 数据管理

数据管理主要实现将机载软件包(LSAP)从航空公司地面服务站装载到飞机相对应的每一个分系统中,为此,B787引入了核心网络柜作为一个中转平台,实现地面—核心网络柜—飞机系统安全认证,以保证正确连接、储存管理、正确装载。

 

 

以上为B787飞机设计上的亮点,从纸面分析来看,B787飞机的可靠性与维修性水平,相较于传统民航客机来讲应该是大幅提高,然而其开始实际运行的状况却不甚理想。

B787飞机于2011927日交付全日空。在201316日到16日的10天内,全日空和日航这两家日本最大的航空公司,B787飞机连续发生七起事故。发生的这七起事故原因包括电池电路起火、燃料泄漏、刹车装置故障、驾驶舱挡风玻璃出现裂痕等等。为此,2013116日,FAA(美国联邦航空局)和NTSB(美国国家运输安全委员会)宣布,美国航空公司暂时停飞所有波音787“梦幻客机,以进行相关安全检测。

调查显示,B787上采用的大容量锂离子电池内部曾发生了被称为“热失控”的连锁性异常高热现象,8个锂电池在高温下全部损坏。其中有2个严重烧焦,电极损坏或内部布线熔断。之后,波音公司提出电池设计改进方案,得到FAA与欧洲航空安全局(EASA)的批准。

2013427日,B787通过了电池测试。61日,全日空的NH905NH1255、日本航空的JL21先后抵达首都机场,揭开了复航的序幕。这次停飞事件预估预计给波音公司造成了6亿美元的损失。

20137月,一架空置的B787梦幻客机在伦敦希思罗机场起火,导致机场一度关闭了全部两条跑道,并暂停所有出发和到达航班。

201438日,波音公司表示,其正在检查42B787的机翼是否存在因制造缺陷产生的极细小裂缝。波音将上述问题归咎于供应商三菱重工制造流程上的一个变动。

2014年,B787服务与支持副总裁表示,B787的可靠性已经达到98%左右,意味着每100架次由B787执飞的航班中可能会有2架次出现因飞机机械问题而导致的延误问题相较201310月份的97%已经有所提高,但还尚未达到波音公司的要求。对比而言,B777飞机的可靠率为99.4%

另据阿拉伯半岛电视台报道,波音内部文件显示在2010年,当时B787的生产计划已滞后两年,波音为赶及进度而降低基本技术标准,有90%的瑕疵遭到刻意隐瞒。

上述资料可以看出在运行之初的一段时间内,B787可靠性安全性表现糟糕,难以令波音公司及其用户满意。其引以为傲的经过优化设计的电源系统、复合材料机翼等均出现故障,给客机安全性带来严重隐患。特别是对于复合材料飞机结构的探伤和维护技术,相较于金属结构而言要复杂得多,且技术成熟度不高,对B787飞机后期的维修保障带来难度。

B787之所以产生上述问题,笔者分析可能有以下几方面因素:

1.     大量新技术的应用降低了系统可靠性

采用成熟技术是可靠性设计的基本原则之一。B787采用大量新技术新工艺,即使是为提升可靠性维修性的技术改进,若验证不充分,势必造成系统可靠性的降低。

2.     彼时波音公司研发能力下降导致可靠性降低

波音公司于1990年启动B777计划,第一架B77719956月服役。之后,经过将近10年的时间,B787才开始研发。可以想见,经历10年时间,波音公司的人才和技术发展缓慢,没有研制经验的积累,对于B787这种多种新技术集成的新一代民航客机研发是很不利的。彼时波音公司研发能力的下降,也是导致B787可靠性不佳的原因之一。

3.     对生产质量的管理能力和供应商把控能力不足

阿拉伯半岛电视台对于B787生产瑕疵的报道,揭示了波音公司生产工厂可能存在的管理不当问题,这将严重影响B787的可靠性。而B787在运行中暴露的故障则显示出,波音公司对电池、发动机、机翼等供应商的质量把控不足,导致故障频发。


经过多年的磨合与改进,目前B787的可靠性进入了稳定期,近五年鲜有严重故障的报道,可以认为B787进入了浴盆曲线的偶然失效阶段。B787的可靠性增长历程带给我们启示,其一是要重视产品中成熟技术与新技术的比例,过多采用新技术将带来可靠性风险,其二是要注重对供应商生产质量的监督和控制,特别是对于电池系统、机翼等关键重要产品的把控是质量管理的重中之重。






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