無人機回收系統故障分析

魏昌全

摘 要：為找到無人機回收系統故障的原因，運用故障樹分析法建立故障樹模型，為故障排查指明方向，并定位故障。根據故障排查結果，對故障部件進行故障模式、機理影響分析，確定故障模式和影響，找出故障發生的根本原因和故障機理，提出改進措施，有助于提高無人機回收系統的可靠性。

關鍵詞：無人機 回收故障 故障樹分析 故障模式機理影響分析

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0056-02

隨著無人機技術的不斷發展，無人機廣泛應用于各個領域，滿足不同需求的新型無人機不斷涌現。具有飛行高度低、飛行速度快、雷達散射截面積小、可回收等特點的無人機是新型無人機發展的重要方向。該型無人機在研制試飛回收階段發生故障，無人機回收失敗墜毀，為查明故障原因，提出改進措施，提高無人機回收可靠性，采用故障樹分析[1，2]（FTA）和故障模式、機理影響分析[3]（FMMEA）相結合的方法進行故障分析。

1 總體思路

基于FTA-FMMEA[4]進行無人機回收系統故障分析的總體思路。

首先通過對無人機回收故障現象的描述分析，確定故障樹分析的頂事件，根據頂事件形成的原因尋找中間事件和底事件，建立故障樹模型，針對故障樹模型中的各底事件逐項進行分析排查，從而定位故障。針對定位的故障部件進行故障模式、機理影響分析，確定其潛在的故障模式及影響，分析各故障模式的故障原因及故障機理，并提出相應的改進措施，從而提高該型無人機的回收可靠性。

2 基于FTA的故障分析

2.1 故障描述及頂事件確定

無人機在研制試飛回收過程中發生故障的具體表現形式為：無人機到達回收啟動點后，飛控系統正常發送回收系統的回收時序指令，回收傘艙蓋解鎖機構正常工作，傘艙蓋正常彈開和分離。但是，回收傘艙中的回收傘未出艙，回收系統未發揮減速、穩降作用，無人機繼續向前飛行，運動參數滿足自毀判據后，無人機打舵自毀。通過對無人機殘骸進行檢查，發現回收系統的拋傘機構未工作，仍整體留在無人機回收傘艙內。

通過上述故障描述可知，此次無人機回收故障的原因是拋傘機構未工作，中斷了無人機的回收流程，導致回收傘未起到減速、穩降作用，使無人機運動參數滿足自毀判據，從而打舵自毀。因此，在對此次回收故障進行故障樹分析時，將拋傘機構未工作作為頂事件F。

2.2 故障樹建立

拋傘機構工作的基本流程為：飛控計算機發出拋傘機構工作指令→拋傘指令經電氣線路傳送至相應繼電器→繼電器閉合→接通啟動機構啟動線路→集熱器熔斷→點燃啟動藥→點燃推進藥柱→推進藥柱燃燒產生能量由噴管噴出產生推力→在推力作用下運動殼體由固定機構射出→經連接帶實現回收傘出艙。通過分析拋傘機構工作的基本流程，以拋傘機構未工作為頂事件，可建立如圖2所示故障樹。

圖2中各事件符號代表意義如下：F表示拋傘機構未工作；F1表示拋傘機構失效；F2表示拋傘機構未收到工作指令；F3表示啟動機構失效；F4表示運動機構失效；F5表示工作指令未傳到拋傘機構；F6表示繼電器故障；X1表示固定機構變形；X2表示飛控計算機未發出工作指令；X3表示啟動機構集熱器失效；X4表示啟動機構啟動藥失效；X5表示啟動機構導線故障；X6表示啟動機構插頭未連接；X7表示運動機構推進藥柱失效；X8表示運動殼體損傷；X9表示運動機構擋板脫落；X10表示運動機構膠圈失效；X11表示運動機構噴管堵塞；X12表示無人機電氣線路故障；X13表示無人機電池電壓不滿足拋傘機構工作要求；X14表示繼電器1故障；X15表示繼電器2故障。

用上行法[5]可求得故障樹模型如下：

F=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X12+X13+X14、X15

2.3 故障定位

通過對飛行試驗遙測數據進行判讀可知，飛控計算機發出了拋傘機構工作指令，無人機電池電壓滿足拋傘機構工作要求。因此，故障X2和X13可排除。

通過復查無人機技術準備表格和技術準備工作照片可知，拋傘機構外觀正常、工作阻值正常，啟動機構插頭正常連接。因此，故障X1、X5、X6可排除。

通過對無人機殘骸中與拋傘機構工作指令相關的電氣控制裝置電路、連接電纜進行檢查，電氣控制裝置的繼電器1、繼電器2動作正常，電纜連接正常。因此，故障X12、X14、X15可排除。

通過對故障拋傘機構分解檢查可知，運動機構噴管未堵塞、運動機構膠圈未失效、運動機構擋板未脫落、運動殼體未損傷、運動機構推進藥柱未工作，啟動機構集熱器熔斷、啟動機構啟動藥未工作。因此，故障X3、X8、X9、X10、X11可排除，故障X4、X7不可排除。

由于啟動機構啟動藥正常工作是運動機構推進藥柱工作的先決條件，因此，頂事件F（拋傘機構未工作）的故障原因為啟動機構啟動藥失效，即故障X4。

3 故障模式、機理影響分析

3.1 故障模式及影響分析

啟動機構啟動藥采用三級啟動方式，由熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥組成。啟動機構啟動藥可能存在的故障模式為熱敏藥失效、次啟動藥失效、主啟動藥失效。上述任一故障模式發生，都將導致啟動機構啟動失敗，拋傘機構無法工作，無人機回收失敗。

3.2 故障原因

熱敏藥失效、次啟動藥失效、主啟動藥失效的故障原因分析如下。

（1）藥劑漏裝。如果在啟動機構裝配過程中，裝配工人漏裝熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥中的任意一種藥劑都將導致相應的故障模式發生，從而導致啟動機構啟動失敗。

（2）藥劑工作前脫落。熱敏藥、次啟動藥與集熱器通過綢墊封裝在一起，如果封裝時管殼收口壓接不到位，在外界震動條件下易造成綢墊脫落，熱敏藥和次啟動藥將脫落于主啟動藥內，從而導致集熱器工作時產生的熱能無法有效傳遞，造成啟動機構啟動失敗。

（3）藥劑受潮。如果拋傘機構長期存儲在濕度過高的環境中，且沒有采取有效的控制措施，則熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥容易受潮，任意一種藥劑受潮都將導致相應的故障模式發生，從而導致啟動機構啟動失敗。

（4）藥劑藥量不足。如果在啟動機構裝配過程中，裝配工人在裝填熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥中任意一種藥劑時沒有達到要求的藥量，都將導致啟動機構的傳熱過程中斷，造成啟動機構啟動失敗。

（5）藥劑制藥不勻。熱敏藥液使用時，需攪拌工藝，長時間放置后會出現藥液分層，影響熱敏藥性能。

3.3 改進措施

人為失誤出現了9次，溫濕度控制出現了3次，震動沖擊出現了2次。人為失誤主要出現在熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥的裝配環節，溫濕度控制和震動沖擊主要出現在存儲、使用環節。因此，提出如下改進措施。

（1）規范啟動藥裝配工藝流程。

制作啟動藥裝配工藝流程表，細化熱敏藥、次啟動藥、主啟動藥裝配工藝流程，明確裝配先后順序及各藥劑藥量，明確熱敏藥、次啟動藥封裝時管殼收口和綢墊固定要求，明確熱敏藥液攪拌工藝要求等。裝配工人應嚴格按照裝配工藝流程表進行裝配操作，逐項對照檢查，對于關鍵操作（例如：管殼收口、綢墊固定等）應拍照為證，最后應簽字確認。

（2）強化驗收環節把控。

啟動機構批次驗收環節應派專人對啟動藥裝配過程中產生的技術資料（裝配工藝流程表、照片）進行復查，并明確啟動機構批次驗收需進行震動試驗。

（3）明確啟動機構存儲、使用條件。

給出啟動機構存儲時的溫濕度控制要求，明確啟動機構使用過程中的注意事項，應嚴格按照要求進行存儲、使用。

4 結語

本文運用FTA-FMMEA綜合分析法對無人機在研制試飛回收階段發生的故障進行分析，通過FTA分析確定了故障原因為啟動機構啟動藥失效。通過FMMEA分析明確了啟動機構啟動藥潛在故障模式及影響，分析了其故障原因及故障機理，并提出了相應的改進措施，提高了啟動機構啟動藥可靠性，從而提高了無人機回收系統可靠性。

參考文獻

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[2] 陳云霞，關理想，鞏芳.基于FTA的無人機機輪剎車系統安全性分析[J].機電工程技術，2012，41（7）：115-117.

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[5] 孫華，唐曉慶，李瑞.FMECA和FTA綜合分析法在動密封系統中的應用[J].裝備學院學報，2015，26（6）：82-88.