科普｜航空安全与事故调查技术
航空安全与事故调查技术介绍（上） 作者：任和 中国商飞营销中心
在第六个全国科技工作者日来临之际，上海市航空学会将连续推出数篇航空科技系列稿件，积极促进航空科学技术交流，向所有默默奉献的科技工作者致敬。
对于航空安全，我们一直有着必须万无一失的要求,这不是苛求,而是因为航空事故率在各类交通工具中极低,但往往伤亡率较高,又在短时间内发生,缺乏充裕的应急处理窗口。加强航空安全管理，提升航空安全技术成为社会共识。本推文将着重介绍飞行安全和事故调查技术相关的部分知识。
一、航空安全概述
从人类选择实现航空旅行的那一刻起，就不可避免的选择了与飞行事故同行。在一战结束后，航空业得到初步发展，但飞行事故频繁发生。20世纪初期美国第一批从事航空邮政服务的40名飞行员，31人已死于飞行事故，每位飞行员的平均飞行寿命仅有3年。
然而航空安全一直受到人们的重视。1927年，飞机上开始安装地平仪、陀螺方向仪等飞行仪表；1930年，地空无线通信设备、中长波导航设备开始被装置在飞机上；1935年世界上第一个交通塔台建立。1945年，第二次世界大战结束。战争的需求促使航空制造水平大幅进步，民用航空得到了巨大发展。先进的电子技术被广泛地应用于民用航空飞行和管理领域：全向信标/测距机（VOR/DME）、空中交通管制（ATC）自动化系统、仪表着陆系统（ILS）、气象雷达、航管雷达、奥米加导航系统、惯性导航系统等分别在飞机、机场和航管安装和使用，飞行员在飞行过程中可以获得更多的信息和辅助。同时地面能够对航空器的飞行情况进行有效监控，进一步保障了飞行过程中的安全。国际民航组织统计显示，20世纪40年代世界民航定期航班每亿客公里旅客死亡率约为3人，50年代降低到0.9人，60~70年代降到0.4人，到目前降到0.14人以下。民用航空已成为最为安全的运输方式。
随着人类对飞行事故的不断研究，对适航规章的不断完善，飞机设计和制造水平不断提升。从早期的机械仪表显示，到飞机驾驶飞行管理，再到电传操纵，综合自动辅助飞行，商用飞机经历了四代更替。到了2020年，由技术因素引发的飞行事故的占比已经从早期的80%下降到20%，而人为因素的事故比例则从20%上升到80%。空客的一份报告中分别按照致死事故（Fatalaccident）、报废事故（Hullloss）进行了统计。图1给出了1958年到2021年全球商业运营飞机的百万飞行架次致死飞行事故的数据。
本世纪以来，随着技术和管理手段的进步，航空运输量增加了近一倍，而航空致命事故数和遇难人数并没有明显的变化，如图3所示。2003年总共有27起致命事故造成702人遇难，2008年34起事故583人遇难。全球致命事故数量和遇难人数的变化趋势基本持平。
二、飞机的安全性设计理念与方法概述
现代飞机设计是以可靠性为中心的设计。可靠性工程不仅关注飞机（含系统及机载设备）故障发生频率，还关注故障发生后对飞机、对人的生命以及对环境造成的危害程度即安全性，同时关注故障后如何恢复，以什么速度、以什么代价恢复飞机功能的能力，即飞机的维修性问题。
航空安全通常划分为飞行安全、地面安全和空防安全。而飞机的安全性是飞机本身的固有设计和制造特性，贯穿于飞机研制、生产、运营、退役全生命周期，是飞机研发和运营的关注焦点。它通常由国家代表公众利益在飞行器进入市场前和市场后进行严格的审查和监管，也就是通常所说的适航（Airworthiness)审查和监管。民用飞机高度复杂，其安全性在研发过程中进行设计与控制，是大幅度降低事故发生概率的有效手段。较早的民用航空器安全性分析与设计理念是“单故障”标准、或失效安全设计概念。而后，随着民用航空器的发展，航空器安全性要求更加严格，航空器设计也越来越复杂，这就催生了安全性分析的发展。
民用飞机安全性分析方法及标准大致经历了以下演变过程：从“安全性试验”到“故障模式及其影响分析”，之后到“功能危险性分析、故障模式及其影响分析、故障树分析”，并提出了对软件的审查。FAA/EASA又建议采用包括“功能危险性分析、初步系统安全性分析、系统安全性分析、故障模式及影响以及共因故障分析”等工具，进行系统安全性分析。目前工业界和适航当局基本都按这一最新要求进行安全性分析和评估。
政府作为公众的代表在确保飞机飞行安全方面的手段就是颁布各类适航条例和适航指令，并要求强制执行。国际上主流的适航法规体系主要是美国FAA和欧洲EASA。我国的适航法规体系主要借鉴了FAA的法规体系，内容基本相同。这些适航法规，规定了民用飞机的最低安全标准。各国适航当局及其他机构颁发的咨询通告与工业标准为飞机安全性设计与评估提供了有效的指导。关于系统安全性的条款主要是25.1309及其对应的咨询通告AC25.1309。工业实践性文件主要是SAEARP4754（关于高度综合或复杂飞机系统的合格审定考虑）、SAEARP4761（民用机载系统和设备安全性评估过程的指南和方法）、DO-178（机载系统和设备审定的软件考虑）和DO-254（机载电子硬件的设计保证指南）、DO-297（综合模块化航电研制指导和审定考虑）、DO-160（机载设备的环境条件和试验程序）和SAEARP5150/5151（运营阶段飞机安全性评估标准）。具体的分析评估与设计方法和过程如下：
系统安全性分析方法
三、飞行安全技术
1）飞行安全技术
在航空安全问题中，飞行原因造成的事故比例最高。首先飞机结冰是飞行安全的罪魁祸首。国际航空界对飞机飞行中的结冰、飞机地面除冰和飞机结冰探测进行了大量研究。在结冰保护和探测技术，形成许多的标准规范。
其次，可控飞行撞地（CFIT）是指在飞机操纵可控的条件下由于飞行员情景意识不足而撞地。CFIT是飞行安全的大敌。因此提高飞行员情景意识是改进飞行安全的重要手段，其发展的技术有平视显示（HUD）和增强视景系统（EVS）。HUD是在飞行员视线前方增加透明的平板显示飞行参数和引导信息，能显著提高飞行员的飞行操纵精度；EVS是一种红外传感器，接收外界物体的热辐射，经光电转换和图像处理后，形成外景的红外图像。HUD和EVS的结合形成增强飞行视景系统（EFVS），可以使飞行员飞得准的同时，能够“穿透”大气，看得更清。
第三，飞行安全监控技术是指加强地面对空中飞行的过程监控，以发现潜在安全隐患，改进飞行安全的手段。这里面既有已经比较成熟的基于航后QAR数据的飞行品质监控（FOQA）和飞行图形仿真技术，也有基于实时ACARS数据链的报文监控技术，还包括健康管理技术。
2）导航安全技术
随着空中飞行的飞机越来越多，飞行的范围越来越广，气象条件越来越复杂，发生事故的风险不断增大，改进空中交通管理安全技术的呼声越来越急迫。
机载防撞系统可以提前发现飞行中可能发生的飞行冲突，从而提示飞行员可能发生的危险接近，并向其建议应采取的规避措施。机载防撞系统利用机载二次雷达应答机发射无线电询问信号，再接收别的飞机的应答信号，从而确定飞机间的距离、方向、高度、速度、航向等重要信息。当两机在相遇前48秒，系统向飞行员发出警告；35秒前系统会自动协调两机的避让动作，发出“上升”、“下降”或“保持高度”的避让指令，直到两机满足安全间隔的要求。
广播式自动相关监视（ADS-B）技术的出现带来了重大变革。装有ADS-B设备的飞机依靠GPS等确定其准确的空间位置，并结合速度、高度、航向和航班号等信息，将这些信息通过卫星或甚高频及高频等数据链广播出去，装有ADS-B接收设备的空中交通管制部门和其它飞机即可接收到该机完整的航行数据。与常规的雷达数据相比，ADS-B的信息量更大、精度更高、地理限制更少、覆盖范围更广、建设与运行成本更低。利用ADS-B技术进行空中交通管制和导航，将大大提高飞机的运行安全和效率。
3）结构及系统完整性监控技术
该类技术主要运用在飞机的运行阶段，加强对飞机结构和系统的状态监控，以便及时采取维修措施，避免因为飞机结构失效或系统故障而酿成飞机事故。
保持飞机结构完整性的目标是防止飞机结构失效。多部位损伤结构（MSD）是当前国际上有关飞机结构完整性研究的一大热点。即飞机结构进入老龄后，在铝合金的铆接件上，多个疲劳小裂纹从多个铆钉处萌生、扩展、连通，最后导致机身结构出现灾难性的破坏。机械和电子系统的完整性研究的目标是减少飞机系统的故障及失效。研究热点包括：老龄飞机电路的安全性和可靠性；高强度辐射场、闪电和旅客的便携式电子设备对数字式飞行控制系统和航空电子系统的影响。
4）适坠性技术
适坠性技术研究的目标是使飞机坠毁后生存和逃离的机会最大化。通过坠落试验、碰撞试验、动力学仿真和生物力学模拟等手段研究如何设计机身结构、客舱行李架、旅客座椅，以减轻它们在碰撞情况下对人体的伤害，优化设计安全带、气囊（如有）、儿童附加座椅装置等保护装置使其发挥最大的保护功能。相关研究还有飞机撞水和漂浮性能、撞击后燃油的包容性等。
5）防火安全技术
防火安全的目标是减少或消除起火的可能性，增加飞机中乘客在飞行中起火和撞地后起火情况下的生存率。防火安全技术的一大热点是客舱内阻燃以及阻燃测试标准的制定，运用于隔音隔热毯、乘客座椅垫、舱内壁板、乘客用毛毯等。另外，飞机上复合材料的运用越来越多，对阻燃复合材料的开发也日趋受到重视，有望研制出热释放率为零的舱内材料，使得舱内材料不再有燃烧之虑。还有研究者在研究舱内喷水灭火技术，使之能实用化。
防火安全技术的另一热点是消除油箱内燃油蒸气与氧的混合气体爆炸的可能。一种方案是飞机上新增惰性气体系统（ATA47）利用飞机发动机引气，用机载的分离装置（空心纤维薄膜）获得氮气或富氮空气，充入油箱内，将氧气比例降低至爆炸限度（12%）以下。
四、飞机健康监控与管理技术
健康管理（PHM:PrognosticsHealthManagement）的核心基础是利用先进的传感器技术集成，借助各种算法和智能模型，来完成系统的状态监测、故障诊断/预测，然后依据诊断或预测信息，对维修活动做出适当的决策，避免“过修”和“失修”问题，提高飞机的利用率，确保安全性的条件下，使全寿命周期的成本最低。
1）健康管理系统组成
健康管理系统主要由机载实时监控、空地数据传输、地面数据监控及故障诊断4部分功能组成。如图
图5PHM系统的总体架构
在机载健康管理系统中，根据机载系统的故障模式及影响分析，布置关键特征信息检测的多传感器网络；多种传感器感知的信息通过信号处理进行特征提取，通过故障诊断算法进行异常诊断、预测推理，并将结果传输到飞机管理器。飞机管理器确认并隔离故障，将重大信息报告驾驶员，防止故障蔓延以保障飞行安全。同时，通过空地数据链系统将飞机机载系统健康状态及其维修需求传给地面维护管理系统，使地面维护系统及时调度备件和维修设备，提供维修决策依据，缩短维修时间和提高飞机服役效率。
2）空地数据传输
为了实现飞机状态监测，需要利用空地数据链将机载系统采集或者存储的飞机状态监测数据信息在航行中实时下传至地面系统。
目前实时下传主要是ACARS系统，ACARS是飞机通讯寻址与报告系统（AircraftCommunication Addressing and ReportingSystem）的英文简称，是一种可以提供飞机和地面系统之间进行数据通信的数字化的数据链系统，主要由飞机机载系统，数据服务供应商以及地面系统用户三大部分组成。
3）PHM系统的典型应用
PHM系统的典型代表是波音飞机健康管理系统（AHM）、空客飞机维修分析系统（AIRMAN）、巴西航空工业公司飞机健康分析和诊断系统（AircraftHealth Analysis and Diagnosis，AHEAD）。飞机主制造商利用其在飞机设计、参数设定及系统集成方面的技术优势和经验，在飞机实时监控与健康管理系统的开发应用方面形成得天独厚的条件。
发动机健康管理系统（EngineHealth ManagementSystem，EHMS），是利用各种传感器的集成，并借助各种算法和智能模型来监测、诊断、预测发动机性能状态的系统。利用EHM技术可以提高飞行安全和进行视情维修。目前罗·罗公司T900系列发动机EHMS系统有很成功的应用，并产生了显著效益。据统计，航线维修人力减少了50%以上，诊断时间低于过去的30%，故障正确检测率高达95%以上，大大提升了发动机的性能，保障了飞行安全，同时降低了发动机的使用和维护成本。
五、飞行数据分析与品质监控技术
1）飞行数据记录技术
为了查明飞行事故的真正原因，避免生命和财产损失，人们希望有一种设备能够记录飞机在飞行过程中，事故发生前的一段时间，乃至事故发生时刻的相关数据，以供事故调查分析时，提供科学依据。20世纪50年代，澳大利亚墨尔本航空研究实验室的戴维•沃伦（DavidWarren）博士发明了第一个飞行记录器原型，并开始在飞机上试用。也就是新闻报道中经常使用“黑匣子”。
飞行记录器，主要用于记录飞机的飞行数据以及驾驶舱声音，所记录的信息是飞行事故调查的关键数据，对判断事故原因起着至关重要的作用。飞行记录器通常包含两个：一个是飞行数据记录器（FlightDataRecorder，FDR），用于记录飞机的飞行数据，如飞行高度、速度、航向、姿态、发动机状况等；一个是驾驶舱语音记录器（CockpitVoice Recorder，CVR），用于记录驾驶舱的声音，如飞行机组通话，机组与空管通话及飞机警告音等。
记录器上还安装水下定位信标（ULB），以方便寻找飞机事故后掉落在水域中的飞行记录器。ULB安装在飞机飞行数据记录器（FDR）和驾驶舱语音记录器（CVR）的前缘，飞行记录器入水之后会触发水下定位信标工作，发射出频率为37.5kHz的超声波信号。可以利用声呐设备捕捉ULB的超声波信号，探测出飞行记录器及飞机所在位置。“黑匣子”的技术要求如下表1（FAR121.344法规）
2）快速转录记录器
快速转录记录器（QAR）具有记录和下载性能的高容量记录器，其记录数据很容易被提取，是对FDR的飞行数据的1个备份，更方便地从机上系统下载数据。可以用手提电脑通过小USB接口下载数据。无线快速转录记录器（WQAR）和QAR一样具有记录飞行数据的高容量记录器，但不需要人工下载数据。在飞机落地后，数据可通过无线网络自动下传地面，给飞机运行监控和飞机维修带来极大方便，现已得到了广泛的应用。
3）飞行数据译码技术
飞行数据译码是指将以二进制数据流形式记录于记录器中的飞行数据，转换为工程数据。飞行原始数据只有经过译码，转换成直观的、具有单位或确切意义的工程数据，才能方便进行数据的分析与应用，进而了解飞机实际飞行状况及系统运行情况等。ARINC429规范定义了一个数据字的单位、范围、分辨率、更新率以及有效位数值等。ARINC717数据总线协议规范规定了飞行数据的记录结构。
可以看出实现飞行记录器（FDR、QAR）记录飞行数据译码的过程，就是对记录的原始二进制数据进行翻译的过程。译码既可以手动计算单独进行，但更多的是通过计算机软件来批量处理。因此，进行译码的关键，就是在通用译码软件基础上建立相应机型的译码参数库。译码参数库实际是根据飞机参数（含ARINC429信号、模拟信号、离散信号）与ARINC717数据记录结构的映射关系建立的译码规则。因此，原始数据译码必不可少的条件有以下三条：（1）FDR或QAR记录的原始数据；（2）飞行数据译码与分析软件，即译码软件（AirFASE、AGS、FLIDRAS、GRAF、LOMS等）；（3）对应机型译码参数库。
4）飞行品质监控
飞行品质监控（FOQA，FlightOperation QualityAssurance）是指对飞行数据记录器的一系列飞行数据进行科学分析，以发现安全隐患、提高飞行操作的安全性、改善空中交通管制程序、指导机场与飞机的设计与维护。飞行品质监控的实施可及时发现飞行安全隐患，采取预防措施避免事故的发生。我国民航总局2001年1月1日颁布了《飞行品质监控工作管理规定》，其中第二章第六条规定：飞行品质监控工作应成为航空公司的一项日常性工作，监控范围至少应该包括机组飞行品质和发动机状况。根据该管理规定的要求，各航空公司必须对所有指定机型的飞机加装QAR或具有相同功能的其他设备。通过飞行品质监控，飞行员可及时发现自身问题，提高职业素质和操纵品质，减少人为差错。利用飞行品质监控提供的详细飞行数据，航空公司可对飞行员的技术进行客观、公正的评判。可帮助发现飞行员自身弱点，对存在的技术问题进行针对性的培训。
飞行品质监控一般是制定监控项目的超限阀值，用采集的飞行数据作比较，辅助发现安全隐患、识别飞行安全趋势，及早采取预防措施。飞行品质监控的自动化可借助应用的软件来实现。如AGS、AirFASE等。AirFASE作为软件平台，提供数据原码译码、数据列表、仿真再现、超限事件触发等主功能。FAP（FlightAnalysisProcess）作为飞行品质监控程序，封装了所分析机型的译码规则、超限事件逻辑定义、监控标准等。FAP必须基于AirFASE运行，不同的机型需要开发不同的FAP。
表2监控参数示例。
5）维修品质监控
维修品质监控（MaintenanceOperation Quality Assurance，MOQA）与飞行品质监控类似，建立以系统故障和维修操作为监控对象的超限事件，通过监控运行期间超限事件触发的情况，综合判断设备状况及其寿命，采取提前换件和维修等措施，保证飞行安全，提高运行效率。以规避排故与维护过程中的盲目性，达到节约维修成本的目的。
传统的机务排故主要使用飞机状态监控系统（AirplaneCondition Monitoring System，ACMS）的数据定位故障源，但维修品质监控可利用各类飞行数据对系统故障进行监控和排故。因为基于ACMS信息无法准确定位故障源，而使用QAR数据进行综合判断则能发挥其优势。
目前维修品质监控主要用于发动机性能监控（排气温度、滑油监控等）、系统故障监控（空调、液压系统故障等）、燃油监控（航线油耗技术）等，并没有形成统一的监控标准。
