某型飛機(jī)航姿系統(tǒng)試飛故障分析

呂宏銳，拜　斌

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

某型飛機(jī)航姿系統(tǒng)試飛故障分析

呂宏銳，拜斌

(海軍裝備部，陜西 西安 710089)

摘要：針對(duì)某架機(jī)空中飛行時(shí)，航向姿態(tài)系統(tǒng)中航向位置指示器上的無線電羅盤一臺(tái)指針卡滯這一罕見故障現(xiàn)象，從系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系和輸入輸出邏輯上進(jìn)行詳細(xì)分析，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，為以后系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：航向姿態(tài)系統(tǒng)；偏流轉(zhuǎn)接器；無線電羅盤；同步器

某型飛機(jī)出廠試飛時(shí)發(fā)現(xiàn)，航向姿態(tài)系統(tǒng)中航向位置指示器上的無線電羅盤一臺(tái)指針卡滯。在飛行中，將“偏流回中/工作”開關(guān)置于“工作”位置，航向位置指示器能夠正確指示GPS輸出的偏流信號(hào)，而無線電羅盤指針卻卡滯在某一方位上不動(dòng)。在地面進(jìn)行通電檢查時(shí)，故障卻不能復(fù)現(xiàn)?？罩酗w行時(shí)測(cè)量無線電羅盤方位指針的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到輸出44mA(理論值為3～5mA)，其它電源輸入?yún)?shù)均滿足要求。故障出現(xiàn)后，及時(shí)組織技術(shù)人員采用換件、導(dǎo)通、絕緣檢查等方法排故后，在地面通電檢查時(shí)正常，但空中故障現(xiàn)象依舊，經(jīng)過反復(fù)多次排故都未能解決。對(duì)這一故障產(chǎn)生的原因從原理上進(jìn)行了分析，查出故障隱患，提出解決措施并排除故障。

1飛機(jī)交聯(lián)分析

無線電羅盤與航向姿態(tài)系統(tǒng)的航向位置指示器交聯(lián)采用了國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)同步器，偏流轉(zhuǎn)接器與2101 I/O GPS交聯(lián)采用了ARINC 407標(biāo)準(zhǔn)同步器，偏流轉(zhuǎn)接器與航向姿態(tài)系統(tǒng)的航向位置指示器交聯(lián)采用了國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)同步器。交聯(lián)關(guān)系原理如圖1所示。

圖1系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系原理

無線電羅盤將無線電羅盤方位通過國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)同步器輸入給航向位置指示器，航向位置指示器接收到無線電羅盤信號(hào)后，通過信號(hào)放大帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)，再帶動(dòng)無線電羅盤指針指示無線電羅盤方位[1-2]。

偏流轉(zhuǎn)接器中的同步接收器通過接收2101 I/O GPS輸出的偏流信號(hào)，將信號(hào)放大后帶動(dòng)減速器、帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)同步發(fā)送器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同步器定子輸出轉(zhuǎn)角放大5倍后的偏流角信號(hào)給航向位置指示器，再通過一整套隨動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)偏流針指示偏流角。當(dāng)2101 I/O GPS的偏流輸入信號(hào)超過30°時(shí)，偏流轉(zhuǎn)接器內(nèi)部的隨動(dòng)系統(tǒng)將被設(shè)置的擋塊制動(dòng)而有可能損壞偏流轉(zhuǎn)接器。偏流轉(zhuǎn)接器的13、14孔為基準(zhǔn)電源36V、400Hz的輸入端。

從交聯(lián)原理圖上可以看出，無線電羅盤方位指示隨動(dòng)系統(tǒng)和偏流指示隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)互不影響，各自按自己的系統(tǒng)工作。

2同步器控制自整角機(jī)角度傳輸電磁特性分析

自整角機(jī)是一種感應(yīng)式系統(tǒng)控制電機(jī)，它通過定子與轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)作用，將輸入轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)角變換為與此轉(zhuǎn)角成一定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)，使遠(yuǎn)距離的機(jī)械轉(zhuǎn)軸精確地保持相同的轉(zhuǎn)角同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)角度位置的遠(yuǎn)距離傳輸、變換和指示[3]。控制式自整角機(jī)的工作原理如圖2所示。

圖2　控制式自整角機(jī)的工作原理

控制式自整角機(jī)由發(fā)送機(jī)和接收機(jī)組成，發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與發(fā)送軸固定連接，發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的定子繞組按相序?qū)?yīng)連接。當(dāng)U基準(zhǔn)輸入基準(zhǔn)電壓時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)脈振交變磁通，交變磁通在定子三相繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，在接收機(jī)的轉(zhuǎn)子兩端就產(chǎn)生了與輸入角度成比倒的電信號(hào)[4-5]。將該電信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和減速器，帶動(dòng)羅盤指針復(fù)現(xiàn)輸入角度。兩者協(xié)調(diào)后，通過負(fù)反饋電路保持控制系統(tǒng)的平衡。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)掌握電壓輸出的關(guān)系式：

Uxy=Umsinθ

(1)

Uyz=Umsin(θ+120°)

(2)

Uzx=Umsin(θ-120°)

(3)

其中,θ為傳輸角度;Uxy、Uyz和Uzx為三相同步器的線電壓；Um為電壓最大幅值。Um與基準(zhǔn)電壓的大小有關(guān)，對(duì)于ARINC 407標(biāo)準(zhǔn)同步器，基準(zhǔn)電壓為26V(400Hz)，則Um=11.8V；對(duì)于國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)同步器，基準(zhǔn)電壓為36V(400Hz)，則Um=16V。

3原理分析

在飛行中，將“偏流回中/工作”開關(guān)置于“工作”位置，航向位置指示器能夠正確指示GPS輸出的偏流信號(hào)，而無線電羅盤指針卻卡滯在某一方位上不動(dòng)。在地面進(jìn)行通電檢查時(shí)，故障卻不能復(fù)現(xiàn)?？罩酗w行時(shí)測(cè)量無線電羅盤方位指針的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到輸出44mA(理論值為3～5mA)，其它電源輸入?yún)?shù)均滿足要求。理論上說當(dāng)隨動(dòng)完成后，驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)趨于零。從實(shí)測(cè)參數(shù)上看，驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論上隨動(dòng)系統(tǒng)失調(diào)后需要的驅(qū)動(dòng)電流，而且無線電羅盤方位指針被卡滯時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電流一直在增大，這是隨動(dòng)系統(tǒng)不平衡的必然現(xiàn)象。

在無線電羅盤指針被卡滯后，將“偏流回中/工作”開關(guān)置于“回中”位置，無線電羅盤指針即正確指示無線電羅盤方位。從交聯(lián)原理圖上可以看出，當(dāng)“偏流回中/工作”開關(guān)置于“回中”位置時(shí)，強(qiáng)制給航向位置指示器偏流輸入端一個(gè)同相位4.5V電壓信號(hào)，同時(shí)切斷偏流轉(zhuǎn)接器輸出的偏流信號(hào)。也就是說，只要切斷偏流轉(zhuǎn)接器與航向位置指示器的交聯(lián)并輸入一定的電壓值，則無線電羅盤方位指針即能正常指示。但從交聯(lián)原理圖上不難看出無線電羅盤方位指示隨動(dòng)系統(tǒng)和偏流指示隨動(dòng)系統(tǒng)毫無關(guān)系，為什么將偏流工作開關(guān)置于“回中”位置時(shí)，無線電羅盤方位能立即指示正確的方位呢？由此只能懷疑從偏流轉(zhuǎn)接器到航向位置指示器的偏流輸入信號(hào)品質(zhì)不好或其它原因，造成輸入信號(hào)超過航向位置指示器的輸入要求而使無線電羅盤指針被卡滯。

按照上述的角度傳輸公式進(jìn)行偏流角輸入/輸出信號(hào)的理論計(jì)算并進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，來驗(yàn)證是否滿足理論計(jì)算要求。首先檢查2101 I/O GPS輸出到偏流轉(zhuǎn)接器的偏流信號(hào)是否滿足理論要求。在地面將偏流置于10°，理論計(jì)算的2101 I/O GPS輸出值應(yīng)為Uxy=2.05V，Uyz=9.04V，Uxz=-11.08V。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，理論值與實(shí)際值完全吻合，這就排除了2101 I/O GPS輸出的偏流信號(hào)導(dǎo)致故障的可能性。再檢查偏流轉(zhuǎn)接接收將2101 I/O GPS輸入的偏流信號(hào)，并放大5倍后的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)同步器輸出信號(hào)值。理論計(jì)算的偏流轉(zhuǎn)接器輸出值應(yīng)為Uxy=12.5V，Uyz=2.78V，Uxz=15V。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，偏流轉(zhuǎn)接器輸出的電壓值與理論計(jì)算值差異很大，但實(shí)際測(cè)量的電壓關(guān)系卻能滿足三相同步器相位差120°的要求。這就是航向位置指示器能正確指示偏流值，卻找不出無線電羅盤指針被卡滯的原因。從理論上來說，不符合要求的偏流信號(hào)輸入，航向位置指示器卻能正確指示航向位置是一種假象。

在這種情況下，偏流隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤速度將會(huì)非常慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論要求的10°/s的速度，而地面檢查中往往忽略該項(xiàng)指標(biāo)的檢查。另外，飛行中偏流角度一般小于10°，且變化量很小，因此飛行員無法正確判斷偏流指針的跟蹤速度。

偏流轉(zhuǎn)接器偏流信號(hào)輸出符合理論要求的一個(gè)先決條件，就是偏流轉(zhuǎn)接器中的同步器輸出激磁線圈應(yīng)當(dāng)輸入36V(400Hz)的基準(zhǔn)電壓，經(jīng)測(cè)量飛機(jī)線路輸入電壓值，完全滿足該條件。再分解偏流轉(zhuǎn)接器，發(fā)現(xiàn)偏流轉(zhuǎn)接器內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪被機(jī)械限動(dòng)裝置多次限動(dòng)，造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪鏈不能完全嚙合，引起偏流轉(zhuǎn)接器輸出的偏流信號(hào)不能滿足理論輸出要求，這就是該故障的癥結(jié)所在。

4深層原因分析及改進(jìn)措拖

首先，航向位置指示器內(nèi)部的偏流指示隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)部分對(duì)無線電羅盤指示隨動(dòng)系統(tǒng)存在干涉，有潛在的設(shè)計(jì)缺陷。

從電氣原理線路分析，無線電羅盤指示隨動(dòng)系統(tǒng)和偏流指示隨動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)互不影響，但航向位置指示器內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)裝置比較復(fù)雜，內(nèi)部裝有可指示飛機(jī)航向、無線電羅盤方位、偏流、下滑偏差、航道偏差、偏航距和航向給定信號(hào)等多種隨動(dòng)系統(tǒng)。每個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)都包括伺服電機(jī)、整套減速機(jī)構(gòu)、指示系統(tǒng)和負(fù)反饋測(cè)速電機(jī)等機(jī)械部件。當(dāng)各種信號(hào)滿足輸入要求時(shí)，不同的隨動(dòng)系統(tǒng)都應(yīng)正常工作，不互相干涉。通過此次故障排除，認(rèn)識(shí)到航向位置指示器至少存在當(dāng)偏流信號(hào)輸入不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，偏流隨動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械部分對(duì)無線電羅盤指示隨動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)部分存在干涉，在航向位置指示器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。

其次，偏流轉(zhuǎn)接器內(nèi)部隨動(dòng)系統(tǒng)被機(jī)械限位裝置多次限動(dòng)的原因。

偏流轉(zhuǎn)接器在設(shè)計(jì)時(shí)限位偏流輸入信號(hào)為30°。如果信號(hào)超過30°，設(shè)置的制動(dòng)裝置對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，反復(fù)制動(dòng)將可能損壞偏流轉(zhuǎn)接器。2101 I/O GPS的偏流信號(hào)在地面通電時(shí)，可通過測(cè)試限定輸出0°、10°和30°信號(hào)。但地面飛行準(zhǔn)備時(shí)，2101 I/O GPS處于導(dǎo)航或其他狀態(tài)，因缺少空速和地速信號(hào)而使導(dǎo)航三角形未建立，偏流的輸出是隨機(jī)的且往往超過30°，多次地面試驗(yàn)和飛行準(zhǔn)備都將有可能反復(fù)對(duì)偏流轉(zhuǎn)接器內(nèi)部的隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，就可能因打壞偏流轉(zhuǎn)接器而造成輸出的偏流信號(hào)不滿足理論要求，造成無線電羅盤一臺(tái)指針被卡滯的深層次原因。雖然該典型故障發(fā)生在一架機(jī)上，但存在的隱患具有普遍性。

綜上所述，要徹底解決問題，保證故障不再發(fā)生，就應(yīng)該對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行更新設(shè)計(jì)。但若重新設(shè)計(jì)和排列，其內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)將會(huì)遇到許多不確定的因素；即使解決了兩個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)相互干涉的問題，也解決不了偏流轉(zhuǎn)接器隨動(dòng)系統(tǒng)被反復(fù)制動(dòng)的難題；而且飛機(jī)每天都在進(jìn)行飛行訓(xùn)練，時(shí)間上也不允許讓所有飛機(jī)停飛來解決潛在的故障。因此必須在不影響正常飛行訓(xùn)練的前提下，提出改動(dòng)量最小又行之有效的解決辦法。

航向姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)置“偏流回中/工作”開關(guān)的作用就是為了在地面通電時(shí)，保護(hù)航向位置指示器內(nèi)偏流信號(hào)不超過30°，因此，地面通電時(shí)應(yīng)將“偏流回中/工作”置于“回中”位置。只有在空中時(shí)，才將開關(guān)置于“工作”位置。但該“偏流回中/工作”開關(guān)卻沒有對(duì)偏流轉(zhuǎn)接器實(shí)施保護(hù)，造成當(dāng)2101 I/O GPS地面輸出超過30°時(shí)，可能將偏流轉(zhuǎn)接器打壞。因此，建議設(shè)計(jì)將“偏流回中/工作”開關(guān)由兩刀改為三刀，增加一組觸點(diǎn)用于地面飛行準(zhǔn)備時(shí)，將“偏流回中/工作”開關(guān)置于“回中”位置，在保護(hù)航向位置指示器的同對(duì)，又切斷了偏流轉(zhuǎn)接器工作電源，保護(hù)了偏流轉(zhuǎn)接器(更改后部分線路見圖3)。

圖3　改進(jìn)后的偏流信號(hào)控制線路

5結(jié)語

對(duì)所有在役和正在生產(chǎn)待交付的某型系列飛機(jī)進(jìn)行了線路設(shè)計(jì)更改后，經(jīng)過飛行驗(yàn)證，這種控制線路的更改對(duì)排除上述潛在的隱患是非常有效的，徹底解決了偏流轉(zhuǎn)接器和航向姿態(tài)系統(tǒng)的隨動(dòng)部分被反復(fù)制動(dòng)而引起的指針卡滯問題。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：梁春燕]

Analysis of AHRS Failure of An Aircraft Flight

LVHong-rui,BAIBin

(Naval Equipment Department,Xi′an 710089,China)

Abstract：For the rare phenomenon of radio compass lagfix of AHRS in air,the system logic relations and input/output are analyzed,and design improvement measures are put forward for the reference of system designers in the future.

Key words：AHRS;drift adapter;radio compass;synchronizer

收稿日期：2016-03-07

作者簡(jiǎn)介：呂宏銳(1963-)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，從事航空儀表研究。

中圖分類號(hào)：V267

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)03-0017-04