改裝電氣設計中的可靠性研究

張 焰 李 霞

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 保證改裝電氣設計中可靠性的重要性

改裝電氣設計的可靠性直接關系到改裝加裝系統和試驗機相關系統的工作性能，主要包括下列方面：關系到被改裝試驗飛機相關系統的工作安全；關系到改裝加裝系統工作的性能穩定；關系到改裝加裝系統的抗干擾能力；關系到改裝加裝系統設備工作的工作安全。

2 改裝電氣設計中常見可靠性問題及其原因

2.1 改裝電氣設計中缺少相關試驗驗證的問題

改裝加裝系統的電源配置及操控在設計過程中缺少地面通電驗證和原理模擬檢驗，僅在飛機改裝實施后通過全系統通電進行一次性檢驗，導致較復雜系統裝機后常出現控制邏輯不滿足系統設計需求的現象。

2.2 抽引被試系統電信號中的問題

通過直接并線或轉接等方式抽引飛機系統的各類電信號，由于設計中保護隔離措施設計不到位，常造成對飛機原系統正常功能的干擾，并影響發生故障時的隔離判斷。

2.3 設計制圖中的標識差錯問題

由于計算機制圖中屏幕尺寸和制圖方式的限制，設計中系統接線頻繁出現連接關系標識差錯（大型改裝的設計量大，其設計中出現標識差錯的數量更多）。

2.4 改裝加裝系統的各類電氣接地設計問題

承載強信號、弱信號、電源信號的電氣線路，或承載交、直流信號的電氣線路，或承載高頻、低頻信號等電氣線路中的信號地線和屏蔽地線，以及設備的電源地線和機械地線等常出現混亂接地的現象，影響系統的總體電磁兼容性能。

2.5 改裝電氣設計中的元器件選型問題

由于對加裝設備的電氣特性分析不全面等原因，導致設計中常出現控制保護器件、電氣接插件和導線等材料的選型差錯，使改裝系統電源線路的載流量、壓降等性能不符合設備工作要求或大量無謂增加改裝成本。

3 提高改裝電氣設計可靠性的方法和途徑

3.1 規范改裝加裝系統的引、配電設計

提高改裝加裝系統配電控制盒等改裝自制控制盒及其相關線路的首次通電檢驗合格率。為此，規范化的設計步驟可歸納為：

第1步 全面分析加裝設備的用電需求。

包括：設備使用電壓的上、下門限值，設備的額定工作電流、最大沖擊電流，以及耐受電源轉換的時間等指標。

第2步 全面了解和分析飛機電源系統的特性指標。

包括：分析正常狀態和應急狀態（單臺發電機故障或全機斷電等）情況下的飛機剩余電功率、各飛機配電盤的工作條件、被改裝飛機電源系統的電源種類、飛機電源系統在應急狀態下的不同轉換處理方式等。

第3步 根據分析結果選擇加裝系統的引、配電設計方案。

其中，針對較復雜引、配電控制系統的設計應繪制原理圖，并在原理圖設計階段進行必要的模擬推演，檢驗設計系統的控制邏輯和各項指標是否滿足技術要求。

第4步 通電進行功能檢測。

條件許可的情況下，在地面進行設計系統中配電控制盒等改裝自制控制盒的裝機前地面通電檢測，驗證系統的各項功能滿足設計要求。

3.2 規范抽引信號的設計

防止信號抽引干擾飛機系統正常工作，提高信號抽引施工的合格率。其具體的設計步驟可歸納為：

第1步 具體分析抽引信號的特性。

明確抽引信號與飛機系統間的接口關系、信號的電氣定義、具體接線形式等，并與設計、制造方以書面方式將信號特性確定下來，避免測試系統與飛機系統間在原理上出現匹配問題。

需要了解的信號特性主要有：

電壓特性：28VDC、5VDC、10VDC、15VDC、115V/400HzAC等；

功率特性：大功率電源類、小功率信號類、電源相關類等；

頻率特性：以50kHz為界分為高頻信號和低頻信號。

第2步 具體分析抽引信號的相關飛機系統電路，確定最優抽引方式。

在最終確定抽引方式時應以“簡單，合理，易于施工，便于維護檢查”為原則。具體要求有：

選擇適合的施工部位

應首選在開敞性良好，且易于施工、維護和檢查的部位進行具體的信號抽引施工。

選擇適合的施工方式

可供選擇的順序為：在飛機設計制造廠所預留的測試接口處抽引 → 轉接方式抽引 → 端子方式并線抽引 → 壓接死結頭方式并線抽引 → 焊接方式并線抽引。

注意：當選擇使用在飛機線路上采用并線方式抽引信號時，應在距離抽引部位20 cm～50 cm距離內設置快卸插頭座，以便實現抽引信號相關測試線路與飛機系統的隔離，便于在發生干擾時進行改裝線路的隔離檢查和故障判斷。

第3步 為電源系統相關信號的抽引選擇加裝保護隔離裝置。

電源電壓信號應注意在距離抽引部位20 cm范圍內（可根據實際情況適當調整）加裝保險裝置。

電源電流信號當采用串聯分流器方式抽引時，應注意首選在設備的電源負線上加裝分流器（圖1）。若必須在設備的電源正線上加裝分流器，則必須注意在分流器信號線的兩端同時加裝保險絲，并同時對分流器加裝機械保護罩（圖2）。

圖1 負端加裝分流器接線圖

圖2 正端加裝分流器接線圖

3.3 使用新設計方法

在設計過程中，通過建立標準化制圖流程和元器件圖庫，使用新的設計方法和設計軟件，以及加強設計后的校對工作等，可有效減少設計中的接線錯誤，提高設計效率，增加系統設計的可靠性。

對以往改裝電氣圖紙中出現接線錯誤的原因進行統計分析后發現，95%以上的接線錯誤為導線兩端的線號標識錯誤，發生錯誤的主要原因為使用計算機制圖的過程中在導線的兩端分別使用簡單的“復制→粘貼→修改”方式進行標注，此種方法極易產生人為差錯，在“修改”的過程中容易因遺忘、疏忽發生標識編寫錯誤，隨著圖紙設計量的增大，此類錯誤的絕對數量也隨之增加。

當前避免此類差錯的辦法主要有以下幾個。3.3.1 改進現有設計方法

在計算機制圖的過程中，在導線的一端使用簡單的“復制→粘貼→修改”方式進行標注，而另一端僅使用“復制→粘貼”方式進行標注，使得設計中可直接對已完成標注的導線起始端編號進行校對，保證了導線終止端與起始端標注的一致性，從技術上減少發生標識編寫錯誤的幾率；

3.3.2 加強校對工作

加強圖紙設計者自身的校對和專人校對工作，從設計人員方面減少設計中的標注差錯。

3.3.3 采用新技術

將來可采用新的電氣圖設計軟件（如CHI制圖軟件等），對圖中的導線、電氣元件等按照預先設定好的標注規則自動進行標注，避免人為標注差錯的發生。

3.4 規范設計中的元器選型

規范設計中的導線和電氣接插件等材料的選型，防止出現電氣接插件和導線等選型差錯。

3.4.1 設計中的導線選型

在設計過程中基于飛機改裝的特殊性，如：飛機上的施工空間相對狹小，對使用材料的重量要求嚴格，環境溫度、壓力變化劇烈，油污嚴重，電磁環境復雜等，因此飛機改裝中大量選擇使用耐磨、耐高溫、耐航空油料、導電性能好、柔韌性好的航空特種高溫鍍銀導線。

為避免導線的選型差錯，設計時應根據加裝設備的用電需求和使用環境仔細加以選擇。規范的導線選型步驟如下：

第1步 統計用電設備的額定工作電流和最大起動電流；

第2步 分析用電設備的最低/最高門限電壓和電源的額定電壓；

第3步 分析改裝電纜的長度和敷設路徑中的環境條件（包括：溫度、高度和集束密度等）；

第4步 分析傳輸信號的特性，如：電壓、電流、頻率、功率等；

根據上述分析結果，按照HB 5795《航空導線載流量》的相關規定或相關航空導線產品的載流量圖表選擇導線。

通常情況下，除配電盒等控制盒內部連線、導線的屏蔽連線和屏蔽接地連線可使用普通高溫導線外，其它所有改裝使用電纜均應使用高溫屏蔽導線，以最大限度地防止電磁兼容問題的發生。

在改裝中某些情況下還用到要其它類型的專用導線，其選型和使用的注意事項如下：

在連接K型熱電偶傳感器的導線設計中，應選用專用航空高溫鎳鉻-鎳硅型補償導線，且設計中應注意保持該型導線的連續；

在傳輸1553B總線和453總線信號的線路設計中，應選用專用航空高溫1553B總線，且注意該總線分為總線（白色）和子線（藍白色）兩種，設計時，應根據信號的具體抽引部位仔細選擇；

在傳輸模擬視頻信號和部分時間信號的線路設計中，應選用專用同軸電纜，該電纜分為75Ω和50Ω兩大類，其導線外徑從1.5mm到11mm又分為10多種規格，設計時，可根據傳輸信號的阻抗特性、傳輸距離和信號衰減量等因素具體選擇；

在傳輸環境振動傳感器（如：7240C型振動傳感器）信號的線路設計中，應選用專用低噪聲電纜，該電纜分為耐高溫型和普通型兩種，在設計中應根據導線的應用環境具體選擇。

3.4.2 規范設計中電氣接插件和控制保護器件等器件的選型，確保改裝選用器件的電氣指標滿足改裝系統的設計需求。

選擇的電氣接插件和控制保護器件等器件是否合適直接影響設計系統工作的穩定可靠，選型的關鍵在于其工作時間、電壓、電流和頻率與設計系統負載間的匹配。其具體設計步驟包括：

第1步 確定工作電流。

選用器件的工作電流主要由其承載的用電設備的電氣指標決定。

多數情況為n臺設備并聯工作，但由于各設備間電氣特性的差異，n臺設備不會出現最大工作電流同時疊加的現象，因此選用器件的工作電流可由下列公式確定：

當n＝1時，ID＝I1MAX；

當n＞1時，ID＝I1E＋I2E＋……＋I(n-1)E＋MAX（I1MAX，I2MAX，……， InMAX）；

公式中：ID為選用器件的工作電流；I(n-1)E為除擁有最大工作沖擊電流設備以外的其它用電設備的額定工作電流；InMAX為n臺用電設備中最大的工作沖擊電流。

第2步 確定工作電壓。

選用器件的工作電壓由其承載的用電設備的工作電壓決定。

當前的裝機設備工作電壓主要有28VDC、115V/400HzAC、220V/50HzAC等幾種，未來還會出現270VDC的電壓，而適用于各種工作電壓的控制保護器件和電氣接插件等材料的型號不盡相同，因此設計者應仔細根據需要選擇。

第3步 分析工作環境。

分析每一條電氣線路的工作環境，包括：溫度、高度、各個方向的機械載荷及設備工作時間等。

第4步 分析選用器件電氣特性。

控制保護器件、電氣接插件和導線材料的工作電壓、工作電流、工作頻率、工作方式和承受過載能力等。

第5步 選擇器件。

根據以上結果，結合經濟性、防人為差錯、可操作性和采購周期等因素，選擇適合的元器件。

3.5 嚴格規范屏蔽的設計

為了使改裝電纜的屏蔽能夠發揮最大效能，避免導線間通過屏蔽產生耦合干擾，使屏蔽可靠有效的接地，在設計過程中必須謹慎考慮。其設計的基本原則如下：

承載高頻信號和低頻信號的導線，以及大功率電源線路等的屏蔽應分別接地；

高頻信號線（信號頻率≥50kHz）應設計為至少兩端接地，低頻信號線（信號頻率＜50kHz）則應保證單端接地，且保證屏蔽連續；

屏蔽的接地點應遠離大功率用電設備電源負線的接地區域；

接地點應在便于施工的部位，對于大量使用復合材料的飛機應注意選擇合適的金屬接地部位。

4 結束語

保證飛機改裝電氣設計工作的可靠性對科研試飛工作至關重要。當前在改裝電氣設計工作中存在著諸多可靠性不足的問題，本文對影響改裝電氣設計可靠性的因素進行了分析，并有針對性地提出了提高改裝電氣設計工作可靠性的設計規范和原則（此部分內容即將納入新版的《試驗機改裝操作細則》），對今后改裝電氣設計工作具有一定的指導作用。

影響改裝電氣設計可靠性的因素很多，有設計方法的原因，也有受設計軟硬件條件限制的原因，因此要有效提高改裝電氣設計工作的可靠性，在今后的改裝電氣設計工作中必須牢固樹立“質量優先于進度”的理念，大力引進和開發使用更具智能化的電氣設計軟件，并立足自身特點，堅持走“有試飛改裝特色的標準化、規范化的道路”。