機載電子設備故障模式及預防排除研究

朱慶彪

摘要：以“更貼近實戰”為基本出發點，結合典型數據，詳細分析了機載電子設備的主要故障模式，并結合修理經驗制定了相應的技術措施。

關鍵詞：機載電子設備；故障模式；預防和排除

Keywords：airborne electronic equipment；fault mode；prevention and elimination

為準確把握當前機載電子設備的作戰使用要求，摸清產品損傷和故障的變化規律，及時完善產品修理的符合性、可靠性，充分發揮修理經驗優勢，本文研究分析了當前機載電子設備的主要故障模式，制定了相應的預防排除措施，以保證機載電子設備的可靠性滿足高強度的作訓使用要求。

1 當前機載電子設備的使用環境

當前實戰化、大機動、高過載的載機環境更加貼近實戰需求，機載電子設備的使用強度大幅提升，主要體現為三個方面。一是部隊為迅速提升作戰能力，飛機的飛行日天數以及當日的飛行批次同步增多，總飛行小時大幅增加，導致機載電子設備的持續工作時間更長；二是對武器裝備的充分使用，空中大角度變向、急速爬升、橫滾等大過載機動逐漸增多，飛行員及裝備所承受的過載系數明顯變大，使機載電子設備的工作環境更加惡劣；三是堅持以戰為本，注重機載電子設備作戰性能的發揮，各項訓練的側重點朝著作戰實用逐步深入，對機載電子設備的操作使用更加頻繁，這導致存在更多不確定因素，包括未知的故障、缺陷等，可能影響任務達成甚至飛行安全。

2 機載電子設備主要故障模式

為深入研究機載電子設備的故障模式，結合載機使用環境，以某型飛機機載電子設備為研究樣本，選取發射單元、天線座、正前方控制板和低功率射頻單元等4項當前故障率較高的產品作為典型代表。經統計，所選取的4項典型產品近年來外場故障總數呈顯著遞增趨勢。

2.1 隨時間加速損耗所致的電子電路故障

1）故障對象

故障對象是機載電子設備中的功率類電子元器件，如發射單元中行波管類的微波器件、低功率射頻單元中電源模塊類的電路板件以及顯示類產品中背光燈管類的光源器件等。

2）故障失效分析

計算電子元器件的可靠性指從開始運行（t=0）到某時刻t的一段時間內能正常運行的概率，用R（t）表示。失效率指單位時間內失效的元件數與元件總數的比例，以λ表示，e是常數2.71828182846，當λ為常數時，可靠性與失效率的關系為：

R（t）=e-λt

兩次故障之間系統能正常工作的時間的平均值稱為平均無故障時間（MTBF）。

統計表明，電子元器件的故障失效模型表現為類浴盆曲線（見圖1），其失效率隨時間的變化大致分為三個階段：第一階段是早期失效期，表明產品在剛開始使用時失效率很高，但隨著產品工作時間的增加失效率迅速降低，這一階段失效的原因多由設計、原材料和制造過程中的缺陷造成；第二階段是偶然失效期，也稱隨機失效期，特點是失效率不高且較穩定，偶然失效一般由質量缺陷、材料弱點、環境和使用不當等因素引起；第三階段是耗損失效期，該階段的失效率隨時間的延長而急速增加，失效原因包括磨損、疲勞、老化和耗損等。

3）故障機理

隨著機載電子設備工作時間的增加，內部電子元器件使用壽命（A點→B點）損耗加大，快速老化，提前進入第三階段耗損失效期，且失效率迅速上升并超過規定值，導致機載電子設備性能持續下降，使用壽命大幅縮短，直至產品故障失效。

4）易故障產品

發射單元是決定脈沖雷達探測性能好壞的典型產品，故障率高，主要故障器件為行波管。隨著行波管工作小時的增加，功率輸出將逐步降低或直接故障而無功率輸出，導致雷達性能快速劣化或失效報故。

低功率射頻單元是機載電子設備中典型的模塊化電路產品，內含大量的電子元器件，如半導體器件、電容、電阻、繼電器等，是目前電抗系統中故障率最高的產品，主要故障部位為內部電源模塊。隨著工作時間的延長，內部電源模塊的各類電子元器件會加速老化或失效，導致產品故障率持續上升。

2.2 由大機動振動沖擊所導致的連接件故障

1）故障對象

故障對象是機載電子設備中帶有接口導通功能的連接器件，如發射單元液冷接頭類的管路連接器件，以及天線座中電纜、插頭類的電連接器件等。

2）振動疲勞分析

3）故障機理

大機動飛行中，更大的飛行過載會產生更強的振動（RMS值更高），所產生的應力系數也更大，導致連接件的疲勞強度更容易遭到破壞，出現松動、斷裂、破損、短路等功能失效現象。該故障是當前外場的高發故障，且不易發現，影響對產品整體性能的判斷及故障定位。

4）易故障產品

天線座是典型的機電類產品，結構較為復雜，外場發生的故障中電纜故障占比最高，有時在空中也會出現因天線響應不及時而丟目標的現象。飛行過載的加大對機載電子設備連接件的功能損傷影響很大，原因是大機動飛行中所產生的高強度振動沖擊，需要引起高度重視。

2.3 因操作使用率變高所導致的機械結構件故障

1）故障對象

故障對象是機載電子設備中帶有機械運作特性的結構組件，如正前方控制板中按鍵、旋鈕類的控制器件以及天線中齒輪、電機類的傳動組件等。

2）機械磨損分析

一是針對齒輪類零件的機械磨損，磨損量與時間的典型線性關系曲線如圖2所示，分為三個階段：第一階段是磨合階段，出現在齒輪剛開始工作的時期，齒輪表面材料的磨損量隨著時間的變長慢慢達到一個穩定值；第二階段是穩定磨損階段，為齒輪的正常工作階段，這個階段的磨損量變化較小；第三階段為急劇磨損階段，為齒輪工作的后期，齒輪的材料磨損量隨著時間變化迅速升高，工作環境迅速惡化，直至故障失效。

二是針對按鍵、旋鈕類零件的可靠性，一般在出廠時就設定了使用壽命（如按鍵次數可達百萬次以上等），但除了正常的受力磨損外，內部的機械結構存在著材料氧化、彈簧失效等因素，隨著使用次數/年限的增加以及外部環境的變化，隨時可能導致故障發生，屬于正常易耗品。

3）故障機理

全面的飛行訓練使飛行員對機載電子設備的操控更頻繁。例如，雷達開機次數增多，天線的掃描作用致其傳動齒輪不斷產生機械磨損，同時顆粒物的逐漸進入也將加劇磨損，直至出現損壞、異常現象。另外，按鍵、按鈕的人為使用頻率增加也加速了這類器件的結構損壞。

4）易故障產品

正前方控制板是機載電子設備中典型的座艙件之一，具備顯示、按鍵、旋鈕等功能，其故障多為內部模塊故障，但按鍵故障也時有發生，如彈簧機械性能失效導致按鍵卡滯等。簡單控制類器件的故障隨著訓練強度的加大而逐漸增加，齒輪類機件雖存在穩定磨損階段，但隨著使用量的增大，一旦跨過此階段將產生急劇磨損，直接影響正常工作。這類故障將是今后機載電子設備中的不穩定故障之一，需要采取必要的檢查措施，加強控制。

3 預防排除研究

針對當前機載電子設備的主要故障模式，研究制定相應的預防排除措施。

1）深化對電子元器件的預防性檢查

強化深修精修理念，重點分析機載電子設備所涉及各類電子元器件的失效機理，掌握易失效電子元器件的失效時間以及失效環境，按照對產品的性能影響，形成失效等級，作為各產品的壽命件控制。在產品修理中，加強對微波器件的老煉措施，結合實際的外場使用環境，有針對性地對長時間工作易失效的電子元器件進行預防性更換以及“三防”處理，保證產品工作性能穩定。

2）加強對連接器件的檢查與更換

充分重視機載電子設備各型連接器件因長時間振動產生松動、斷裂、破損、短路等現象，及時采取應對措施，這些現象在修理中容易被忽視，但卻是導致整機故障的直接因素。在修理中，對線纜、插頭等電連接器件，除了要檢查通斷、絕緣屏蔽等電性能外，還要針對插針、插頭等接口連接處加強磨損、彎曲、卡滯等影響連接性的物理檢查，并規定正確的安裝、緊固方法，及時發現并更換異常或損壞的電連接器件；對液冷管、導管等管路連接器件，加強對物理損傷的預防性檢測，確保產品工作安全可靠。

3）強化對機械結構件的修理管控

修理中對按鍵、旋鈕等控制器件加強旋轉、撥動、按壓等導通/復位功能檢查，及時發現并更換內部彈簧、開關等易失效器件；對齒輪、電機等傳動組件，加強機械磨損及傳動流暢性檢查，及時調整磨合或更換損壞器件，防止故障的進一步發生。

4）提高現行環境試驗的真實作用效果

為更加貼近實際，降低環境因素影響，有效判定機載電子設備可靠性，除及時更新現行環境試驗各項參數外，可同時進行部分高低溫與振動試驗，并針對產品故障增加高空低氣壓、濕熱環境的模擬試驗，以保證產品可靠性。

4 總結

本文對典型產品的外場故障進行系統研究，分析了當前主要故障模式，并結合自身修理經驗制定了符合實際需求的預防保障技術措施。由于機載電子設備的故障存在諸多未知因素，還需要通過長時間的探索進一步深入研究探討。

參考文獻

[1] 張鳳鳴，等.航空裝備科學維修導論[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 段學剛.航空電子裝備維修概論[M].北京：國防工業出版社，2010.

[3] 賈曉亮，等.航空裝備修理工藝技術概論[Z].

[4] 任占勇.航空電子產品預測與健康管理技術[M].北京：國防工業出版社，2013.