2.2.3 飛機設計目標

飛機設計目標是指為確保使用安全飛機設計特別是飛機結構設計所要達到的最終指標，它是保證飛機設計能達到預期的“飛行安全水平”的一個定量指標。飛機設計目標是由飛機設計要求特別是由飛機結構設計總要求決定的。飛機設計目標與結構失效及結構破壞概率直接相關，與飛機可靠性設計密切相關。飛機設計目標一般是由飛機每飛行小時或每次飛行的災難性破壞概率來表征。

對于現代飛機設計來說，不管是否有意識地按照飛機結構可靠性設計思想去設計飛機，總是存在或者要規定以結構破壞概率（失效概率）形式表示的飛機（結構）設計目標。

民用飛機和軍用飛機由于飛機用途不同和使用條件（載荷和環境）不同，其飛機設計目標特別是飛機結構設計目標是不完全相同的。從適航要求來說，民用飛機設計目標一般指適航目標，按每飛行小時破壞概率表示，有時也可按每次飛行破壞概率表示；軍用飛機設計目標一般指可靠性目標，按每次飛行破壞概率表示。因民用飛機比軍用飛機更強調“安全飛行水平”，因此，民用飛機適航目標比軍用飛機可靠性目標要求更高更嚴一些。

1.飛機結構失效

1）結構失效的定義

結構失效的定義：“在規定的使用條件下，結構喪失其規定的功能”。結構的使用條件是載荷和環境。在飛機結構強度規范中，將“由于結構某些元件分離、斷裂、失穩、過度變形和異常畸變而導致降低其承受規定載荷能力的現象”稱為結構失效。

2）結構失效模式

（1）有關文獻定義失效模式就是“失效的表現形式”。結構失效的最終表現形式主要是斷裂、產生過度變形和皺損。由于結構承受各種不同的載荷和環境以及它們的組合，加之結構本身的不同特點，具體的失效模式十分復雜。表2-1給出了不同載荷、環境下結構可能的具體失效模式。

（2）按照結構失效對應的載荷/環境特點，可將結構失效模式大體分為靜強度（靜力）失效、疲勞/斷裂失效、動強度失效、環境（強度）失效和熱（強度）失效。熱也可作為一種環境，將熱失效并入環境（強度）失效。

2.飛機結構可靠性

1）飛機結構可靠性的定義

（1）產品（裝備）可靠性的定義：產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。

（2）對于飛機結構而言，其規定的條件應為承受的載荷和環境（使用條件），規定的時間為結構的使用壽命，而其規定功能則為規定的飛機結構使用功能。

（3）飛機結構可靠性的定義：飛機結構在給定的使用條件下和給定的使用壽命內不產生破壞或功能失效的能力。

2）飛機結構失效概率和結構可靠度

（1）飛機結構失效概率是指在給定使用條件（載荷和環境）下飛機結構發生結構功能失效或（和）結構破壞的概率，結構失效概率通常也稱為結構破壞概率。

（2）結構可靠度是結構可靠性的概率度量。飛機結構可靠度是指在給定的合適條件下，給定的使用時間內結構不失效的概率，有時也稱為結構的存活率。由于在給定的使用條件下、給定的使用時間內結構以一定的概率不發生失效仍然是一個隨機事件，這個事件發生的概率是上述結論可信程度的度量，稱為置信水平。因此，在結構可靠度要求的同時還需包括置信水平的要求。

（3）結構可靠度隨著使用時間的增加而下降，使用不同時間的結構可能具有不同的可靠度，對結構的可靠度要求通常是指在規定的使用壽命終結時結構仍然具有的可靠度。

3.民用飛機適航目標

1）民用飛機不可靠性成本

民用飛機不可靠性成本指造成民用飛機所有延遲的各種原因及其所占的比例。這里的飛機延遲是指飛機的不可靠性。這種飛機不可靠性包括環境、人為因素及結構失效等。圖2-2給出1980年國外民用飛機不可靠性成本。

由圖2-2看出，在飛機所有延遲原因中，因政府管理當局管理不當（空中管制等）所造成的飛機延遲所占比例最大，占33%，而技術原因占第二位，占20%。在技術原因延遲中，動力裝置系統延遲所占比例最大，占38.6%，而因結構原因所占比例最小，只占5.7%。因結構原因造成飛機延遲比重低可以這樣來解釋：飛機結構設計得合理，基本上滿足了飛機適航性要求。

2）民用飛機結構破壞（失效）概率分級

民用飛機結構破壞（失效）概率可按影響的嚴重程度分為如下幾級。

（1）一般影響。一般影響是指飛機使用中經常可能遇到的情況，如強加的使用限制，對一些意外情況的應急程序等，這些情況經常會在飛機使用壽命期內發生，其發生概率通常大于10-3/飛行小時。

（2）重要影響。重要影響是指飛機安全余量明顯降低，乘客的可能傷害，機組人員難以操縱飛機，這些情況在飛機使用壽命期內發生若干次，其發生概率通常為（10-5～10-3）/飛行小時。

（3）嚴重影響。嚴重影響是指飛機安全余量大大降低，乘客可能的死亡，機組人員過度的超高工作負荷，這類發生概率又分兩種情況：

① 任何給定的飛機似乎不會發生，但在飛機機隊中可能會發生幾次，其發生概率一般為（10-7～10-5）/飛行小時。

② 任何飛機似乎都不會發生，但必須考慮，其發生概率一般為（10-9～10-7）/飛行小時。

（4）災難性影響。災難性影響是指造成機毀人亡（飛機失事），這是極其不可能的，在分析中一般可不考慮，除非超出適航目標而要增加其安全性，其發生概率大于10-9/飛行小時。

3）民用飛機適航目標

（1）目前，民用飛機所有原因導致的災難性（機毀人亡）破壞概率是10-6/飛行小時。其中1/4是適航故障，3/4是人為因素（如空中管制等）、環境因素和恐怖行為等。

（2）基于上述情況，有關權威建議因適航所引起的災難性破壞概率是10-7/飛行小時，這就是民用飛機適航目標。

（3）民用飛機結構的單獨適航目標應比飛機總的適航目標要高，建議結構的單獨適航目標是10-9/飛行小時。

4.軍用飛機結構可靠性目標

軍用飛機設計目標一般是以每次飛行發生災難性破壞概率或結構有害變形概率表示。

（1）GJB67.1A—2008《軍用飛機結構強度規范 第1部分 總則》規定了結構可靠性設計準則的結構設計目標：按本規范規定的結構設計要求，在每次飛行中，機體發生結構有害變形的概率應小于1×10-5，機體發生結構破壞，導致飛機損毀的概率應小于1×10-7。

（2）美國最新的軍用標準MIL-STD-1530C 《飛機結構完整性大綱》規定了飛機結構災難性破壞概率P的數字指標：

① 當P≤10-7/每次飛行，飛機長期使用安全；

② 當P＞10-5/每次飛行，飛機不安全；

③ 當10-7/每次飛行＜P≤10-5/每次飛行，飛機處于不安全狀態，應考慮通過檢測、修理、限制使用、更改或替換來降低風險。

美國規定的這一軍用飛機結構可靠性目標與GJB67.1A—2008的規定是一致的，并且已納入新國軍標《軍用飛機結構完整性大綱》中，該國軍標已通過專家評審，預計2012年頒布。