失速保護系統迎角零向跳變研究

張兆亮，吳 訊，傅璟裔，劉艷濤

上海飛機設計研究院航電部，上海 201210

0 引言

飛機機動迎角過大或遇到紊流的情況下，流過機翼表面的氣流出現分離，導致飛機出現失速現象，嚴重失速將導致機毀人亡。為滿足飛機適航要求，必須對飛機進行失速保護。失速保護系統必須工作正常，才能對飛機提供有效保護，如果失速保護系統出現故障，如迎角傳感器故障，可能導致系統喪失失速保護作用，進而對飛機產生不利的影響。本文對某型飛機失速保護系統的迎角零向跳變故障進行了研究，利用故障樹分析了故障原因。

1 迎角零向跳變現象及影響

某型飛機采用左右對稱的失速保護系統配置對飛機提供失速保護。在失速保護系統研發試飛中，發現在大迎角情況下，右側局部迎角接近失速迎角閾值時，右側局部迎角出現零向跳變。

飛機迎角達到失速告警迎角后，繼續增大并達到失速迎角時，失速保護系統將產生推桿指令給推桿保護裝置，使飛機低頭增速，從而改出失速狀態。在兩側失速保護系統均發出推桿信號后，推桿保護裝置才能驅動駕駛桿使飛機低頭。如果迎角零向跳變出現在兩側均產生推桿信號的過程中，則推桿告警信號將中斷，導致推桿保護裝置暫停工作，飛機迎角有可能繼續增大，極端情況下，飛機將進入深失速。

2 迎角跳變故障分析與定位

失速保護計算機將迎角傳感器原始角度輸出，經過濾波修正等計算后得到局部迎角，再通過校線轉換得到機身迎角。迎角傳感器出現硬件故障或失速保護計算機軟件存在缺陷均有可能導致失速保護系統迎角出現跳變，在對失速保護系統硬件和軟件深入分析后，建立簡化故障樹圖，如圖1 所示。

圖1 迎角跳零故障樹簡圖

根據故障樹簡圖，通過排除法對迎角跳變故障進行以下定性分析：

1）飛機機動

飛行迎角隨著飛機機動情況而變化，劇烈的機動使得采集迎角出現相應劇烈變化。根據圖1 分析，迎角出現跳變時，飛機的側向加速度和法向加速度比較平穩，沒有瞬間劇烈的機動動作。飛行過程中，飛行迎角變化是一個連續漸變的過程，但圖1 中迎角跳變比較突然，不符合正常飛行時迎角變化規律，可以排除飛機機動引起的迎角傳感器跳變。

2）迎角傳感器硬件故障

迎角傳感器風標測量部分出現機械故障，如電位計接觸不可靠，或迎角信號數字采集接口存在虛焊等硬件故障，均有可能引起迎角信號不穩定，出現跳變現象。經分析，迎角傳感器硬件故障可歸為設備故障，當更換新的迎角傳感器后，故障應該消失；但對風標傳感器更換后，通過轉動風標模擬飛行試驗時，故障依然存在，因此迎角傳感器存在硬件故障的可能性被排除。

3）迎角數據處理缺陷

根據試驗數據分析，局部迎角存在迎角零向跳變現象，但轉換得到的機身迎角并沒有相應的跳變。可以判斷得到：原始迎角信號從采集前端傳輸到迎角數據處理模塊之間一直是正常的，至此排除數據處理模塊存在軟件缺陷的可能性。

4）輸出接口程序缺陷

失速保護系統輸出接口程序包含三個通道的數據傳輸：SPC-1、Cross Side 和SPC-2 通道。SPC-1 通道用于將局部迎角、機身迎角和失速告警等數據輸出給機上系統；Cross Side實現左右兩套失速保護系統之間的數據傳輸備份，提高系統安全性；SPC-2 通道主要輸出失速推桿信號給推桿保護裝置。由迎角零向跳變均在局部迎角快接近失速迎角才出現的試驗分析結果，可以判定失速保護計算機輸出接口程序存在一定的缺陷，如接口程序在處理3 個通道的數據傳輸請求時可能發生了時序紊亂，從而導致了迎角跳變故障的發生。

3 迎角零向跳變機理

ARINC 429 通信總線標準具有很強的抗干擾能力、數據傳輸效率高等優點，在民用飛機和軍機中得到了廣泛應用。

為了提高資源利用率，輸出接口程序通過共享4 個8 bit 寄存器來處理3 個通道數據輸出請求。當處理SPC-1 和Cross Side 兩個通道數據傳輸請求時，采用軟件定時方法實現；為了給飛機提供實時失速保護功能，接口處理程序采用硬件定時中斷來處理SPC-2 通道數據傳輸請求。當飛機迎角接近失速保護迎角時，SPC-2 通道激活，并啟動硬件定時器每10ms 發送一次數據。研究發現，當出現迎角零向跳變現象時，接口處理程序在響應硬件定時器中斷請求，正在將SPC-2 通道待發送數據寫入共享寄存器。當寫入完成并啟動ARINC 429 發送模塊將數據傳輸至429 輸出總線后，輸出接口處理程序繼續響應SPC-1 或Cross Side 通道被定時器中斷打斷前未執行完的數據發送請求，但此時共享寄存器中的數據已經發生變化，SPC-1 或Cross Side 通道之前寫入到寄存器中的數據被SPC-2通道數據覆蓋，數據完整性丟失，從而導致SPC-1 或Cross Side 通道局部迎角發生零向跳變。

4 解決方案

在準確捕捉迎角零向跳變機理的基礎上，本文提出了一種基于響應優先的故障解決方案，即當接口處理程序在響應SPC-1 或Cross Side 通道請求前，關閉硬件定時器中斷，響應完SPC-1或Cross Side通道請求后，再打開硬件定時器中斷。經實驗室測試，以及實際試飛驗證，本文提出的解決方案是切實可靠的。

5 結論

本文針對某機型失速保護系統研發工程實踐中出現的迎角輸出跳變故障，建立了故障樹；依據故障樹，采用排除法，定位故障原因，并捕捉故障點；進而提出了一種基于響應優先權的故障解決方案。系統測試和研發試飛結果表明該方案正確可行。本文提出的基于故障樹的故障定位及捕捉方法在工程實踐中具有一定的參考價值。

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