郑友胜，李泰安

(中航工业洪都《江西南昌330024)

军用飞机飞行安全影响因素研究综述

郑友胜，李泰安

(中航工业洪都《江西南昌330024)

摘要：军用飞机技术性能越来越先进，飞行员需要掌握的飞行内容越来越多，飞行实施过程越来越复杂和精确，飞行难度越来越大，因此对其安全性也提出了更高的要求。本文主要从飞机本体、人、环境、任务和组织管理等几个方面来探讨对飞行安全的影响，以及分享国内外有关安全理论的研究成果，希望能够为国内从事飞行安全研究工作的人员提供一点帮助。

关键词：军用飞机；安全性；飞行训练；飞行员

0　引言

影响飞机飞行安全的因素非常多，在进行安全性理论研究时，我们首先需要研究影响飞机安全的主要因素，再进行具体的研究并给出相应的解决方案。本人对近十几年来国外就飞机安全性理论方面的资料进行了研究，发现国外在安全性方面的研究主要集中在：安全管理、空中交通管理、跑道入侵、人机界面、人系统整合、安全分析、人为差错、飞机故障、容错控制、安全监控、内部组件布局优化、着陆和起飞等方面展开研究。

影响飞机安全的因素可以概括为几大类：人机交互、飞机和外界环境，相关因素的影响如图1所示。

这些有关飞机的安全因素是相互影响的，很多情况下是由于一个因素引起的连锁反应而导致飞机发生事故的。

1　人机交互

1.1驾驶技术与经验

飞行员、机组和外界信息可统称为人机交互，近年来很多飞行事故都和人机交互有关，统计数据表明，人机交互因素引起飞机发生飞行事故的比例不断升高，而其它因素对飞行事故的影响不断降低。人机交互因素主要有：驾驶技术与经验、专业知识、疲劳驾驶、驾驶态度、生理心理与身体素质、人机界面和组织管理等。

一名优秀的飞机驾驶员必须具备过硬的驾驶技术，才能应对各种不同的飞行情况包括起飞着陆，保证人员安全和财产安全。如何有效地提高飞行员的飞行技能，尤其是起飞着陆时段，一项统计数据表明，80%的事故都发生在起飞着陆阶段，这两个时段虽然只有11分钟，但是是最危险的11分钟。因此，如何让驾驶员驾驶飞机更加安全地离开地面和返回地面，是一个非常值得研究的课题。文献[1]基于模糊神经网络算法开发的智能控制系统，改善传统的自动着陆系统的性能，扩大了飞机的安全边界。文献[2]提出了小脑关节控制器模型(CMAC)改善自动着陆系统的性能，PID控制自适应模糊控制CMAC构建智能着陆系统，解决严重风切变环境下的安全降落问题。对于正常环境下，基于线性逆模型的神经网络控制方法能够控制飞机在安全包线范围平稳着陆，当条件超过包线范围时，如干扰和风切变等，这种控制方法就不再适用，文献[3]针对这些问题，给出了几种不同的神经网络控制器，改进后的控制系统能够适应线性逆飞机模型的控制，使这些系统更加智能，改善了飞机在恶劣环境下的着陆性能，提高飞机的安全性。接近飞机性能极限的起飞阶段，是一个比较危险的飞行阶段，已经出台严格的控制程序，以防止各种危害发生，但是这些程序，由于一些缺点，未能提供完整的保护，文献 [4]通过起飞性能监视器来弥补飞机性能相关的缺点，保证飞机起飞安全。文献[5]通过增加视觉引导系统（EVGS）增加飞行员的态势感知能力，有助于降低飞行撞地、进场和着陆事故发生的概率。

图1　影响飞行安全的因素

经验不仅指飞行员自身积累的经验，还包括其他飞行员积累的经验。经验对一名驾驶员来说非常重要。在有些关键时刻，经验可能会挽救自己的性命，但是有的时候也会让一些飞行员丢掉性命。文献[6]提出处境意识的高低与安全裕度有着正比的关系，重视对处境意识的研究、开发、教育和管理，能最大限度地避免和减少人为因素造成的失误。如何将前人积累的成功经验有效地继承下来，让新学员能够尽快接收这些宝贵的经验，扬长避短、为我所用，这也是值得研究的。另外，还有一些飞行情况是经验所不能解决的，可以借助高科技手段提高飞机的飞行安全。飞机降落带来的跑道入侵事件不断发生，造成财产损失和人员伤亡，可以通过软件进行多传感器数据融合，提供了一个完整的跟踪和识别机场活动区的图片，来辅助驾驶员着陆时的地面识别能力。文献[7]介绍了这个监控系统的性能，以及对系统的影响，目前该功能已经应用于美国联邦航空局机场。

1.2驾驶舱资源管理

驾驶舱资源管理(CRM)也称机组资源管理，其概念是美国于1978年提出的，它通过有效地利用各种资源(硬件、软件、设施和人)，从而安全和有效地完成任务（图2）。驾驶舱资源管理的提出是为了鼓励团队精神，使作为领导者的机长能够依赖其他机组成员完成与安全飞行的重要任务，以便能够共同分担职责并且能够从其他机组成员那里获取信息和帮助。美国著名的飞行教育专家托尼·科恩对驾驶舱资源管理的定义如下：“CRM是指通过有效利用所有可用资源而最大限度地提高运行效率并保证飞行安全。”通过驾驶舱资源管理有效避免因驾驶员精神涣散、通信联络和理解各种职责的障碍、疲劳、驾驶态度和各种风险等因素，导致飞行事故的发生。

1.2.1疲劳驾驶

在很多情况下，“疲劳”一词被用来指代困倦。本课题所谈到的疲劳是指一系列的症状[8]。它的情形可能只有驾驶员本人知晓(隐性疲劳)；这些症状还极大程度地取决于手头的工作(目标化疲劳)和觉醒时间的长短。疲劳产生各种不舒适的感觉并伴有行为拖沓现象。疲劳研究人员布朗将疲劳描述为：“疲劳的概念可以被解释为个体被迫超出其确信能有效完成任务能力界限而继续进行工作的主观体验。文献[9]结合人体工学研究驾驶舱的显示界面、驾驶舱内的发光环境与视觉效果的影响，设计能获得座舱界面的最佳视觉效果，从而缓和飞行员的视觉疲劳，提高飞行员的驾驶效率。文献[10]从心理学和人体工程学的角度考虑，设计座舱界面，以满足飞行员的安全、情感和精神的需要，从而缓解疲劳提高驾驶效率。文献[11]通过建立一个标准的评价模型数据库，结合模型的需求程度以及信息显示系统的就近原则，给出一种飞机座舱显示系统设计评价的新方法，该方法也可以应用于人机界面显示系统工效学评价等领域。文献[12]综合考虑信息的重要性、信息的可视化编码、信息处理的程度和人为错误，建立基于模糊理论的飞行员注意力分配模型，从而对飞机、人机界面优化设计和试验飞行性能评估进行定量研究。文献[13]结合飞行试验将2D/3D和常规系统进行了对比分析，装有2D/3D系统的飞行员飞行情况不但没有恶化，而且有更稳定的180°度转弯和更强的位置意识。文献[14]对周边合成视景的人为因素进行评估研究，最大限度地减少空间定向障碍，降低航空意外的发生。座舱的显示系统和人机界面的应用程序是相当复杂的，这种复杂的环境可能会导致驾驶员心理负荷过度和错误而出现灾难性的后果，为了防止任何人为错误，拥有一个用户友好的显示面板是有必要的，文献[15]从人为因素的角度给出了定量和定性的评估显示面板优劣的方法。如何设计适当的人机界面，是防止人为错误造成显著危害的关键问题。文献[16]在模拟环境中的人机界面之间的相互作用的透彻分析和信息内容的人机界面设计的定性评价方面进行研究，为实现更可靠的人机界面设计提供支持。1.2.2沟通与协调

人为因素已被确认为事故的主要来源之一，对于过程控制系统，传统的安全分析方法通常不考虑人类行为的自由决策因素，文献[17]提出了一种过程控制系统的人机接口设计的安全验证的标准做法，加强驾驶员与飞机之间的沟通，减小认为错误，有助于提高飞行安全。在实际飞行过程中，驾驶员与飞机系统是不断交互的过程，在这样一个集成环境中，如何实现人与系统的有效交互，减少人为因素造成的失误就显得非常有必要，文献 [18]提出一个人们在同一环境相互作用的综合系统架构，使驾驶员能在不同系统间进行交互，让集成系统尽可能快地与驾驶员进行交互，从而及时处理快速多变的情况。

另外，一些飞行事故是因为机长没有听机组人员的提醒，或机组人员因为机长的权威在报告一次后因机长忽视而不敢再报告，还有些事故是因为机组与空地人员沟通不到位或通讯信号差导致的。因此，驾驶员、机组与空地人员需要及时沟通以及保证通讯设备的稳定性，对于提高飞行安全都是很有必要的。文献[18]针对基于人的空中交通管理服务中的效率低和安全性不高等问题，提出建立自动化的空中交通管理服务系统，可以降低费用、提高效率和安全性。随着科技的不断发展，电子产品已经成为人们生活的一部分，飞机也同样离不开电子通讯，未来高效、安全、舒适、便利的飞行环境更离不开飞机的通信及网络安全，文献[19]研究飞机数据通信、网络以及安全性，以满足航空运输系统未来20年及以后的航空需求。

1.2.3飞行安全预测

分析可能存在的一些不安全因素以及对不安全故事发生的概率预测，并将分析结果及时提醒飞行员和机组，避免不必要的事故发生，提高飞机的安全。文献[20]根据计算跑道末端溢出的速度和时间来评估飞机高速运转后不能起飞的安全边界。对于“小概率重大事故”的模型曾经建立过相应的模型，但是还存在一些不足，文献[21]针对这类事件由美国国家航空航天局（NASA）和联邦航空管理局（FAA）联合开发了一种新模型，分析航空系统风险模式，旨在降低航空事故发生的可能性或减轻事故后果。对于这些安全隐患 （如隐藏的结构腐蚀、隐藏的结构性裂缝、内部发动机叶片裂纹或复合连接处分裂等）文献 [22]给出了一种无损检测方法，及时发现这些可能存在的安全隐患，防患于未然。有时候一个事件发生的先后顺序和运作模式对飞机的功能实现和安全性有一定的影响。文献[23]讨论了“事件排序”对飞行安全的影响，对于某些事件发生在一个特定的顺序下可以实现一个理想的效果或避免不良的影响，并结合目标树分析和故障树分析，给出一种分析事件排序的技术方法。飞机失控仍然是致命的飞行事故之一。飞机失控事故是复杂的，是由单因素或多因素共同造成的。文献[24]总结了在最坏情况下失控事故前和他们的时间序列组合，一个综合性方法来分析结果防止未来的失控事故发生，并验证其关键技术。飞机安全一直是一个不可忽视的大问题。目前，大多数采用具有冗余容错系统的设计方法提高飞机的安全性，对于一个新的领域该方法还存在一些问题，文献[25]提出一个基于动态故障树分析的民用飞机的安全分析的新方法，以典型的成熟发达国家为研究对象的大型飞机和通用飞机的设计，执行安全使用动态故障树的分析，并采用模块化思想，优化故障树分析。

1.3生理、心理与身体素质

航空心理和生理训练可以使驾驶员体验和了解飞行中各种不良因素对人体的影响，熟悉防护救生设备的性能、使用方法，掌握预防、克服错觉和处置异常情况的方法，增强驾驶员的适应能力，提高耐力。这些训练包括低压舱缺氧体验训练、抗荷对抗动作训练，加压呼吸训练、飞行错觉训练、航空救生训练和离心机训练等。以增强肌力为主的体能锻炼，可以增强飞行员基础抗荷耐力，提高抗荷能力。文献 [26]是美国空军针对韩国空军的特点，给出的一份关于韩国空军筛选飞行员的研究报告，心理活动测试、双听技术任务、同时进行心理活动和双听技术测试、双手协调和综合协调等方法训练和筛选飞行员。研究一些可以提升驾驶员素质的训练仪器和训练方法，使驾驶员能更好地适应各种环境和突发情况。

2　飞机本体

从飞机自身的因素考虑，影响其安全的因素主要有系统故障和发动机故障。另外，对于军用飞机，作战生存能力设计直接关系到飞机的安全性和生存力。其中，内部组件布局设计是提高飞机作战生存能力一个关键因素之一，文献[27]提出了内部组件布局优化的概念，优化易受攻击的内部组建，达到增强飞机飞行安全的目的。

2.1系统故障

系统故障主要包括系统失效（如控制系统故障、传感器失灵、传动机构失效和通讯中断等）、飞机舵面故障和飞机机翼损坏等。一旦飞机出现诸如此类的系统故障，对飞机安全的影响都是致命的。飞机发生意外，很多时候与控制系统故障有关，如何预防这些事故的发生显得非常有必要，文献[28]提供了一定概率下单架飞机事故预防（SAAP）项目正在开发的技术，特别强调故障检测与鉴定，并改善飞行安全的容错控制方法。飞机在出现重大故障后没有更多的控制能力，非线性逆控制技术是用来设计控制律允许实现的一个基本动作序列，文献[29]给出的基于非线性逆的控制方案对飞行指挥系统有指导作用或紧急模式自动油门控制多引擎飞机的推力，使其安全返回地面。文献[30]讨论了飞机安全检测系统以及集成在飞行中飞机的安全监控系统，通过安全检测系统实时监测飞机故障，对于发现的问题及早采取相应的措施，减少事故的发生。

2.2发动机故障

发动机故障一直是造成单发战斗攻击机灾难性事故的主要原因。以号称美国空军最安全的单发战斗机F-16为例，在1975～1996年间由于发动机故障造成飞机灾难性事故88起，约占飞机总灾难性事故的40%左右；从1992～1996年的5年中，由于发动机造成的灾难性事故几乎占F-16总灾难性事故的一半。表1列出1992年至1996年F-16飞机灾难性事故数、事故率和由于发动机造成的灾难性事故数、事故率及所占比例；表2列出F-16装备不同型别发动机造成的灾难性事故故和事故率。

为了解决发动机可靠性问题，特别是单发战斗机的发动机可靠性问题，国外采取的对策主要有：重视可靠性设计、实施部件改进计划、加强外场检查工作和加强发动机事故管理与分析工作。

表1　F-16的灾难性事故

表2　F-16发动机造成的灾难性事故

2.2.1重视可靠性设计

为了保证发动机具有所要求的可靠性，在发动机的设计中必须重视可靠性设计。首先，在设计初期，应通过权衡研究和寿命周期费用分析，对备选发动机方案的可靠性、维修性、耐久性、保障性、费用、重量和性能进行综合权衡，反复迭代，直到满足各项设计要求为止，从而避免重性能、轻可靠性的倾向。

2.2.2实施部件改进计划

对于已投入使用的现役发动机，如F-16的F100发动机，应通过改进部件来提高发动机的可靠性。从1974年开始美空军投入7亿多美元实施部件改进计划，采用了新风扇和压气机，改进了低压涡轮、加力燃烧室双点火系统，提高了核心机的寿命；改进了数字式发动机电子控制系统，使发动机在整个飞行包线内无推力衰减，并可连续监控发动机状态。

2.2.3加强外场检查工作

大量事故统计分析表明，造成灾难性事故的发动机问题仍然是发动机的设计缺陷，如涡轮叶片疲劳断裂、第1级风扇叶片故障、燃料岐管和夹紧系统设计缺陷、高温曝轮后叶片保持器断裂、可调静止叶片系统设计问题、空气密封装置故障等，在无力及时进行设计更改来消除这些设计缺陷时，可通过加强外场检查来保持机队的安全。

3　外界环境

外界环境主要是指天气和空中障碍物。其中，天气包括：雨（降雨量）、雾、霾、气温、总云量、碎云量、云底高度、风（风速、风向）、浪高、涌高、海况和特殊天气。障碍物包括空中飞行动物、高山和高楼大厦。环境对飞行安全的影响是很明显的，但是对于一个优秀的战斗飞行员，必须要克服这些困难，因为敌人不可能因为天气不好而停止作战。有关外界环境对飞行安全的影响及对策研究，本文已经在上述几点中进行了一些介绍，在此就不再做分析研究。

4　结语

本文通过对军用飞机安全性影响因素的分析、研究，认为影响飞行安全的有三个方面：人机交互、飞机本体和外界环境。其中，造成人为差错的主要因素包括驾驶员负担过重、设计缺陷、训练不足、疲劳及疾病、地面协同、错误的操作规程以及缺乏经验和知识等；另外，飞机本体的一些故障，如承载能力、使用寿命、使用极限、发动机故障、系统故障以及部件故障等都会影响飞行安全。军用飞机安全性研究是一个庞大的系统工程，不是一朝一夕能解决的，这需要我们航空人投入更多的人力、财力、物力和时间，刻苦攻关，努力使我们军用飞机的安全性能再上一个台阶。

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郑友胜，男，1980年10月出生，2009年毕业于南京理工大学，博士后，主要研究方向为飞机总体设计技术、力学与飞行控制技术和生存力设计技术等。

(收稿日期2012-10-08)

作者简介>>>

Research on Influential Factors for Military Aircraft Flight Safety

Zheng Yousheng,Li Taian
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Jiangxi Nanchang 330024)

Abstract:Advanced technical performance of military aircraft is increasing now,the pilots need to master much more,flight implementation process is more and more complex and accurate,and flying is much difficult,so their safety is also put forward with higher requirements.This paper is mainly from the aspects of aircraft body,man, environment,tasks and organizational management to investigate the impact on flight safety,as well as share the research of domestic and international safety theory,hoping to provide a bit of help for domestic personnel engaged in flight safety.

Key words:military aircraft；safety；flight training；pilot