2.2.3 飞机设计目标

飞机设计目标是指为确保使用安全飞机设计特别是飞机结构设计所要达到的最终指标，它是保证飞机设计能达到预期的“飞行安全水平”的一个定量指标。飞机设计目标是由飞机设计要求特别是由飞机结构设计总要求决定的。飞机设计目标与结构失效及结构破坏概率直接相关，与飞机可靠性设计密切相关。飞机设计目标一般是由飞机每飞行小时或每次飞行的灾难性破坏概率来表征。

对于现代飞机设计来说，不管是否有意识地按照飞机结构可靠性设计思想去设计飞机，总是存在或者要规定以结构破坏概率（失效概率）形式表示的飞机（结构）设计目标。

民用飞机和军用飞机由于飞机用途不同和使用条件（载荷和环境）不同，其飞机设计目标特别是飞机结构设计目标是不完全相同的。从适航要求来说，民用飞机设计目标一般指适航目标，按每飞行小时破坏概率表示，有时也可按每次飞行破坏概率表示；军用飞机设计目标一般指可靠性目标，按每次飞行破坏概率表示。因民用飞机比军用飞机更强调“安全飞行水平”，因此，民用飞机适航目标比军用飞机可靠性目标要求更高更严一些。

1.飞机结构失效

1）结构失效的定义

结构失效的定义：“在规定的使用条件下，结构丧失其规定的功能”。结构的使用条件是载荷和环境。在飞机结构强度规范中，将“由于结构某些元件分离、断裂、失稳、过度变形和异常畸变而导致降低其承受规定载荷能力的现象”称为结构失效。

2）结构失效模式

（1）有关文献定义失效模式就是“失效的表现形式”。结构失效的最终表现形式主要是断裂、产生过度变形和皱损。由于结构承受各种不同的载荷和环境以及它们的组合，加之结构本身的不同特点，具体的失效模式十分复杂。表2-1给出了不同载荷、环境下结构可能的具体失效模式。

（2）按照结构失效对应的载荷/环境特点，可将结构失效模式大体分为静强度（静力）失效、疲劳/断裂失效、动强度失效、环境（强度）失效和热（强度）失效。热也可作为一种环境，将热失效并入环境（强度）失效。

2.飞机结构可靠性

1）飞机结构可靠性的定义

（1）产品（装备）可靠性的定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

（2）对于飞机结构而言，其规定的条件应为承受的载荷和环境（使用条件），规定的时间为结构的使用寿命，而其规定功能则为规定的飞机结构使用功能。

（3）飞机结构可靠性的定义：飞机结构在给定的使用条件下和给定的使用寿命内不产生破坏或功能失效的能力。

2）飞机结构失效概率和结构可靠度

（1）飞机结构失效概率是指在给定使用条件（载荷和环境）下飞机结构发生结构功能失效或（和）结构破坏的概率，结构失效概率通常也称为结构破坏概率。

（2）结构可靠度是结构可靠性的概率度量。飞机结构可靠度是指在给定的合适条件下，给定的使用时间内结构不失效的概率，有时也称为结构的存活率。由于在给定的使用条件下、给定的使用时间内结构以一定的概率不发生失效仍然是一个随机事件，这个事件发生的概率是上述结论可信程度的度量，称为置信水平。因此，在结构可靠度要求的同时还需包括置信水平的要求。

（3）结构可靠度随着使用时间的增加而下降，使用不同时间的结构可能具有不同的可靠度，对结构的可靠度要求通常是指在规定的使用寿命终结时结构仍然具有的可靠度。

3.民用飞机适航目标

1）民用飞机不可靠性成本

民用飞机不可靠性成本指造成民用飞机所有延迟的各种原因及其所占的比例。这里的飞机延迟是指飞机的不可靠性。这种飞机不可靠性包括环境、人为因素及结构失效等。图2-2给出1980年国外民用飞机不可靠性成本。

由图2-2看出，在飞机所有延迟原因中，因政府管理当局管理不当（空中管制等）所造成的飞机延迟所占比例最大，占33%，而技术原因占第二位，占20%。在技术原因延迟中，动力装置系统延迟所占比例最大，占38.6%，而因结构原因所占比例最小，只占5.7%。因结构原因造成飞机延迟比重低可以这样来解释：飞机结构设计得合理，基本上满足了飞机适航性要求。

2）民用飞机结构破坏（失效）概率分级

民用飞机结构破坏（失效）概率可按影响的严重程度分为如下几级。

（1）一般影响。一般影响是指飞机使用中经常可能遇到的情况，如强加的使用限制，对一些意外情况的应急程序等，这些情况经常会在飞机使用寿命期内发生，其发生概率通常大于10-3/飞行小时。

（2）重要影响。重要影响是指飞机安全余量明显降低，乘客的可能伤害，机组人员难以操纵飞机，这些情况在飞机使用寿命期内发生若干次，其发生概率通常为（10-5～10-3）/飞行小时。

（3）严重影响。严重影响是指飞机安全余量大大降低，乘客可能的死亡，机组人员过度的超高工作负荷，这类发生概率又分两种情况：

① 任何给定的飞机似乎不会发生，但在飞机机队中可能会发生几次，其发生概率一般为（10-7～10-5）/飞行小时。

② 任何飞机似乎都不会发生，但必须考虑，其发生概率一般为（10-9～10-7）/飞行小时。

（4）灾难性影响。灾难性影响是指造成机毁人亡（飞机失事），这是极其不可能的，在分析中一般可不考虑，除非超出适航目标而要增加其安全性，其发生概率大于10-9/飞行小时。

3）民用飞机适航目标

（1）目前，民用飞机所有原因导致的灾难性（机毁人亡）破坏概率是10-6/飞行小时。其中1/4是适航故障，3/4是人为因素（如空中管制等）、环境因素和恐怖行为等。

（2）基于上述情况，有关权威建议因适航所引起的灾难性破坏概率是10-7/飞行小时，这就是民用飞机适航目标。

（3）民用飞机结构的单独适航目标应比飞机总的适航目标要高，建议结构的单独适航目标是10-9/飞行小时。

4.军用飞机结构可靠性目标

军用飞机设计目标一般是以每次飞行发生灾难性破坏概率或结构有害变形概率表示。

（1）GJB67.1A—2008《军用飞机结构强度规范 第1部分 总则》规定了结构可靠性设计准则的结构设计目标：按本规范规定的结构设计要求，在每次飞行中，机体发生结构有害变形的概率应小于1×10-5，机体发生结构破坏，导致飞机损毁的概率应小于1×10-7。

（2）美国最新的军用标准MIL-STD-1530C 《飞机结构完整性大纲》规定了飞机结构灾难性破坏概率P的数字指标：

① 当P≤10-7/每次飞行，飞机长期使用安全；

② 当P＞10-5/每次飞行，飞机不安全；

③ 当10-7/每次飞行＜P≤10-5/每次飞行，飞机处于不安全状态，应考虑通过检测、修理、限制使用、更改或替换来降低风险。

美国规定的这一军用飞机结构可靠性目标与GJB67.1A—2008的规定是一致的，并且已纳入新国军标《军用飞机结构完整性大纲》中，该国军标已通过专家评审，预计2012年颁布。