直升機吊艙掛架意外脫落分析

萬榮根,劉忠樂,盧 迪

(1.陸軍裝備部航空軍事代表局駐景德鎮地區航空軍事代表室,江西 景德鎮 333000;2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐株洲地區航空軍事代表室,湖南 株洲 412000)

1 故障案例

機身短翼外掛系統的功能由最初的單純掛載副油箱提高直升機航程擴展到可以掛載多種武器,可以讓直升機執行更加廣泛的任務[1-2]。外掛系統的失效影響直升機的性能及打擊能力[3]。一直升機在進行外掛投棄控制板試驗試飛科目過程中,第一次起落時機上外掛投棄控制板和外掛吊艙均不加電,機上情況正常;第二次起落機上外掛投棄控制板和外掛吊艙加載應急電源、正常電源,飛行后正常著陸,試飛過程中未發現異常。飛行后進行機務檢查時發現,內側掛點吊艙掛架及吊艙意外脫落。事后下載飛參數據并經技術分析,確定外掛吊艙丟失于飛機著陸前3～5分鐘時間段。

2 故障原因分析

故障機地面復現試驗采用2個投放夾具替代吊艙掛架,懸掛在直升機左右內側掛點位置。當直升機加載正常電源、應急電源,在未進行任何投棄操作的情況下,投放夾具自動脫落。試驗重復兩次,故障均復現。因此,分析判斷該投放夾具自動脫落的原因是外掛投棄控制板在未進行任何投棄操作的情況下,對左右內側掛點位置掛彈鉤仍有投棄信號輸出。在對外掛投棄控制板進行分解檢查時發現,外掛投棄控制板盒體內有焦糊味,矩形電連接器引出的導線束中7號導線(正常供電控制線)、8號導線(應急供電控制線)燒蝕嚴重,而導線束中5號導線(內側應急投棄控制線)與7、8號導線間已被燒蝕短路(其他導線與7、8號導線存在不同程度粘連)。因此當直升機加載正常,應急電源(7、8號導線加電),5號導線便短路帶電,其對應的繼電器K3即工作輸出投棄信號,導致直升機左右內側掛點掛彈鉤開鉤,投放夾具脫落。燒蝕導線簡化電路如圖1所示。

圖1 燒蝕導線示意圖

綜上分析,吊艙掛架及吊艙的脫落亦是外掛投棄控制板矩形電連接器7、8號導線與5號導線間燒蝕短路所造成的。根據導線燒蝕情況判斷,7、8號導線曾有大電流經過。

7、8號導線系外掛投棄控制板矩形電連接器配帶導線,其額定通過電流為3.7 A。而在外掛投棄控制板中,7、8號導線設計通過最大控制電流為(機上同時對直升機左右內、中、外掛點進行投棄操作時):

(1)

因此導線選型滿足設計需求,在正常工作狀態下,7、8號導線所經過的電流不會引起導線的燒蝕。

綜上分析,判斷系統中存在大用電負載,潛在回路產生大電流,將7、8號導線燒蝕。

3 機理分析

通過對外掛投棄控制板電氣原理圖的分析發現,外掛投棄控制板矩形電連接器7、8號導線共同連接于鈕子開關S1(單刀型開關)前端。在機上“正常供電”、“應急供電”同時供給的情況下,通過7、8號導線的電流主要為進行投棄操作時通過繼電器線圈的控制用電,其強度不大于0.33 A(當同時對機上左右內、中、外側掛點進行投棄操作時),不會造成導線的燒蝕;而當機上不關閉吊艙、顯控等設備用電通路而直接關閉正常供電總電門,應急電源將通過7、8號導線向吊艙、顯控等設備供工作用電,形成潛在工作回路,如圖2中粗線所示。

根據飛行記錄,潛在工作回路上的用電負載包括高低頻吊艙、微米波吊艙、顯控等。計算潛在工作回路上的電流強度如表1所示

從表1可以看出,當機上不關閉吊艙、顯控等設備用電通路而直接關閉正常供電總電門,通過7、8號導線的電流已達到22 A,大大超過了導線額定電流3.7 A,使導線燒蝕。由此斷定7、8號導線共同連接于鈕子開關S1前端,使機上“正常供電”、“應急供電”相互連通,在機上不關閉吊艙、顯控等設備用電通路而直接關閉正常供電總電門的情況下形成潛在工作回路,是導致大電流產生的主要原因。

該吊艙掛架原狀態簡化電氣原理如圖3所示。從圖3可以看出,原狀態電路設計“正常供電”和“應急供電”為分路控制,形成并聯關系,對掛彈鉤輸出前,通過V9、V10二極管對投放電路進行了隔離,因此不存在形成潛在供電通路的情況。但后期對外掛投棄控制板開關、電連接器和面板標識等進行了設計更改。更改設計將原雙刀型改為了單刀型,使“正常供電”和“應急供電”合并位置發生了改變。而為避免V9、V10二極管降壓對繼電器的工作造成影響,設計更改時未對V9、V10二極管位置進行相應調整,導致隔離措施失效,形成潛在回路。因與主機在機上供電時序的溝通上存在偏差,對外掛投棄控制板的通電檢查只進行了正常電源、應急電源同時加電檢查,未能發現潛在工作回路的存在。綜上分析,本案例吊艙掛架意外脫落的根本原因在于設計更改后的雙電源隔離措施失效。

圖3 原狀態電氣原理圖

為進一步確定故障原因,針對外掛投棄控制板導線燒蝕的情況,根據表1對通過7、8號導線電流的計算結果,對燒蝕導線耐受電流的能力進行了摸底試驗。試驗使用28 V直流電源,受試導線與燒蝕的7、8導線同牌號、同規格。試驗的方法是對受試導線加載不同強度的電流,觀察線皮的反應,從而判斷其耐受電流的能力。

試驗表明:受試導線加載25 A電流,通電2 s導線線皮即融化冒煙,出現燒蝕情況。試飛數據分析確認:故障發生時正常匯流條保持了18 s的20 V電壓輸出的情況,計算出故障發生時間段,線路上的總電流高達28.72 A。

綜合試飛數據分析及摸底試驗結果可以看出,故障發生時線路上的電流足以將7、8號導線燒蝕,試驗結論與機理分析中的結果一致,證明對故障的定位準確。

4 糾正措施及驗證

4.1 糾正措施

根據問題原因、機理分析的結果,對外掛投棄控制板的設計方案進行完善設計,并對采用隔離措施的有效性進行充分的論證。本文提出的主要完善措施有:

1)恢復雙刀型鈕子開關設計(開關S1);

2)通過K8繼電器及V9、V10二極管構成線路隔離的雙保險。

完善后的設計方案電路原理圖如圖4所示。

圖4 完善后的設計方案電路原理圖

從圖4原理圖中可以看出,只要機上給外掛投棄控制板供正常電源,K8繼電器即工作,使觸點置常開端,實現正常電源與應急電源的隔離。即使在后級電路中正常電路、應急電路因器件故障出現短接情況,V9、V10二極管依然能保證電源的相互隔離。完善后的設計方案采取了有效的隔離措施,消除了潛在回路的存在。

4.2 驗證試驗

為驗證完善后設計方案采用隔離措施的有效性,首先進行了摸底驗證試驗。試驗模擬吊艙掛架及外掛投棄控制板在機上出現故障時的供電狀態。首先對外掛投棄控制板XP1電連接器(與直升機對接接口)“電源正”信號線加載28 V直流電,檢測“應急投棄”信號線對地電壓情況;然后對“應急投棄”信號線加載28 V直流電,檢測“電源正”信號線對地電壓情況。試驗結果為:當在XP1電連接器“電源正”信號線上加載28 V直流電,“應急投棄”信號線上無對地電壓;當在XP1電連接器“應急投棄”信號線上加載28 V直流電,“電源正”信號線上無對地電壓。結果證明,完善后的設計方案隔離措施有效,“正常供電”、“應急供電”線路間不存在潛在回路,滿足了 “投放電路具有隔離措施” 的要求。

其次進行了安全性試驗。安全試驗主要包括高溫工作試驗、低溫工作試驗、溫度沖擊試驗、振動功能試驗、沖擊試驗、加速度試驗、電源特性試驗、電磁兼容試驗等掛飛安全性試驗。在進行電源特性試驗中的電源尖峰試驗時產品出現了故障:當對外掛投棄控制板施加300 V的負尖峰時,該外掛投棄控制板投棄允許指示燈熄滅,電源尖峰試驗故障。經分析,本次試驗故障的主要原因為:電路中未對電源尖峰進行抑制處理,導致外掛投棄控制板內V8二極管損壞。針對電源尖峰試驗故障采取的糾正措施是:在電源的輸入端增加瞬態電壓抑制二極管SY5656A(如圖4中D1、D2二極管所示),以將電壓箝位到預定水平,對電路中其它器件進行保護。改進后的試驗件順利通過了電源特性試驗。

最后進行機上地面聯試。試驗分三種情況進行:

1)機上給外掛投棄控制板供正常電源,進行直升機左右內、中、外掛點應急投棄,外掛投棄控制板功能正常;

2)機上給外掛投棄控制板供應急電源,進行直升機左右內、中、外掛點應急投棄,外掛投棄控制板功能正常;

3)機上給外掛投棄控制板同時供正常、應急電源,進行直升機左右內、中、外掛點應急投棄,外掛投棄控制板功能正常。

故障現象消失,證明改進措施有效。