改裝電氣設(shè)計(jì)中的可靠性研究

張 焰 李 霞

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

1 保證改裝電氣設(shè)計(jì)中可靠性的重要性

改裝電氣設(shè)計(jì)的可靠性直接關(guān)系到改裝加裝系統(tǒng)和試驗(yàn)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的工作性能，主要包括下列方面：關(guān)系到被改裝試驗(yàn)飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的工作安全；關(guān)系到改裝加裝系統(tǒng)工作的性能穩(wěn)定；關(guān)系到改裝加裝系統(tǒng)的抗干擾能力；關(guān)系到改裝加裝系統(tǒng)設(shè)備工作的工作安全。

2 改裝電氣設(shè)計(jì)中常見可靠性問題及其原因

2.1 改裝電氣設(shè)計(jì)中缺少相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證的問題

改裝加裝系統(tǒng)的電源配置及操控在設(shè)計(jì)過程中缺少地面通電驗(yàn)證和原理模擬檢驗(yàn)，僅在飛機(jī)改裝實(shí)施后通過全系統(tǒng)通電進(jìn)行一次性檢驗(yàn)，導(dǎo)致較復(fù)雜系統(tǒng)裝機(jī)后常出現(xiàn)控制邏輯不滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求的現(xiàn)象。

2.2 抽引被試系統(tǒng)電信號中的問題

通過直接并線或轉(zhuǎn)接等方式抽引飛機(jī)系統(tǒng)的各類電信號，由于設(shè)計(jì)中保護(hù)隔離措施設(shè)計(jì)不到位，常造成對飛機(jī)原系統(tǒng)正常功能的干擾，并影響發(fā)生故障時(shí)的隔離判斷。

2.3 設(shè)計(jì)制圖中的標(biāo)識差錯問題

由于計(jì)算機(jī)制圖中屏幕尺寸和制圖方式的限制，設(shè)計(jì)中系統(tǒng)接線頻繁出現(xiàn)連接關(guān)系標(biāo)識差錯（大型改裝的設(shè)計(jì)量大，其設(shè)計(jì)中出現(xiàn)標(biāo)識差錯的數(shù)量更多）。

2.4 改裝加裝系統(tǒng)的各類電氣接地設(shè)計(jì)問題

承載強(qiáng)信號、弱信號、電源信號的電氣線路，或承載交、直流信號的電氣線路，或承載高頻、低頻信號等電氣線路中的信號地線和屏蔽地線，以及設(shè)備的電源地線和機(jī)械地線等常出現(xiàn)混亂接地的現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的總體電磁兼容性能。

2.5 改裝電氣設(shè)計(jì)中的元器件選型問題

由于對加裝設(shè)備的電氣特性分析不全面等原因，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)控制保護(hù)器件、電氣接插件和導(dǎo)線等材料的選型差錯，使改裝系統(tǒng)電源線路的載流量、壓降等性能不符合設(shè)備工作要求或大量無謂增加改裝成本。

3 提高改裝電氣設(shè)計(jì)可靠性的方法和途徑

3.1 規(guī)范改裝加裝系統(tǒng)的引、配電設(shè)計(jì)

提高改裝加裝系統(tǒng)配電控制盒等改裝自制控制盒及其相關(guān)線路的首次通電檢驗(yàn)合格率。為此，規(guī)范化的設(shè)計(jì)步驟可歸納為：

第1步 全面分析加裝設(shè)備的用電需求。

包括：設(shè)備使用電壓的上、下門限值，設(shè)備的額定工作電流、最大沖擊電流，以及耐受電源轉(zhuǎn)換的時(shí)間等指標(biāo)。

第2步 全面了解和分析飛機(jī)電源系統(tǒng)的特性指標(biāo)。

包括：分析正常狀態(tài)和應(yīng)急狀態(tài)（單臺發(fā)電機(jī)故障或全機(jī)斷電等）情況下的飛機(jī)剩余電功率、各飛機(jī)配電盤的工作條件、被改裝飛機(jī)電源系統(tǒng)的電源種類、飛機(jī)電源系統(tǒng)在應(yīng)急狀態(tài)下的不同轉(zhuǎn)換處理方式等。

第3步 根據(jù)分析結(jié)果選擇加裝系統(tǒng)的引、配電設(shè)計(jì)方案。

其中，針對較復(fù)雜引、配電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)繪制原理圖，并在原理圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行必要的模擬推演，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制邏輯和各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足技術(shù)要求。

第4步 通電進(jìn)行功能檢測。

條件許可的情況下，在地面進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)中配電控制盒等改裝自制控制盒的裝機(jī)前地面通電檢測，驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 規(guī)范抽引信號的設(shè)計(jì)

防止信號抽引干擾飛機(jī)系統(tǒng)正常工作，提高信號抽引施工的合格率。其具體的設(shè)計(jì)步驟可歸納為：

第1步 具體分析抽引信號的特性。

明確抽引信號與飛機(jī)系統(tǒng)間的接口關(guān)系、信號的電氣定義、具體接線形式等，并與設(shè)計(jì)、制造方以書面方式將信號特性確定下來，避免測試系統(tǒng)與飛機(jī)系統(tǒng)間在原理上出現(xiàn)匹配問題。

需要了解的信號特性主要有：

電壓特性：28VDC、5VDC、10VDC、15VDC、115V/400HzAC等；

功率特性：大功率電源類、小功率信號類、電源相關(guān)類等；

頻率特性：以50kHz為界分為高頻信號和低頻信號。

第2步 具體分析抽引信號的相關(guān)飛機(jī)系統(tǒng)電路，確定最優(yōu)抽引方式。

在最終確定抽引方式時(shí)應(yīng)以“簡單，合理，易于施工，便于維護(hù)檢查”為原則。具體要求有：

選擇適合的施工部位

應(yīng)首選在開敞性良好，且易于施工、維護(hù)和檢查的部位進(jìn)行具體的信號抽引施工。

選擇適合的施工方式

可供選擇的順序?yàn)椋涸陲w機(jī)設(shè)計(jì)制造廠所預(yù)留的測試接口處抽引 → 轉(zhuǎn)接方式抽引 → 端子方式并線抽引 → 壓接死結(jié)頭方式并線抽引 → 焊接方式并線抽引。

注意：當(dāng)選擇使用在飛機(jī)線路上采用并線方式抽引信號時(shí)，應(yīng)在距離抽引部位20 cm～50 cm距離內(nèi)設(shè)置快卸插頭座，以便實(shí)現(xiàn)抽引信號相關(guān)測試線路與飛機(jī)系統(tǒng)的隔離，便于在發(fā)生干擾時(shí)進(jìn)行改裝線路的隔離檢查和故障判斷。

第3步 為電源系統(tǒng)相關(guān)信號的抽引選擇加裝保護(hù)隔離裝置。

電源電壓信號應(yīng)注意在距離抽引部位20 cm范圍內(nèi)（可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整）加裝保險(xiǎn)裝置。

電源電流信號當(dāng)采用串聯(lián)分流器方式抽引時(shí)，應(yīng)注意首選在設(shè)備的電源負(fù)線上加裝分流器（圖1）。若必須在設(shè)備的電源正線上加裝分流器，則必須注意在分流器信號線的兩端同時(shí)加裝保險(xiǎn)絲，并同時(shí)對分流器加裝機(jī)械保護(hù)罩（圖2）。

圖1 負(fù)端加裝分流器接線圖

圖2 正端加裝分流器接線圖

3.3 使用新設(shè)計(jì)方法

在設(shè)計(jì)過程中，通過建立標(biāo)準(zhǔn)化制圖流程和元器件圖庫，使用新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)軟件，以及加強(qiáng)設(shè)計(jì)后的校對工作等，可有效減少設(shè)計(jì)中的接線錯誤，提高設(shè)計(jì)效率，增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

對以往改裝電氣圖紙中出現(xiàn)接線錯誤的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，95%以上的接線錯誤為導(dǎo)線兩端的線號標(biāo)識錯誤，發(fā)生錯誤的主要原因?yàn)槭褂糜?jì)算機(jī)制圖的過程中在導(dǎo)線的兩端分別使用簡單的“復(fù)制→粘貼→修改”方式進(jìn)行標(biāo)注，此種方法極易產(chǎn)生人為差錯，在“修改”的過程中容易因遺忘、疏忽發(fā)生標(biāo)識編寫錯誤，隨著圖紙?jiān)O(shè)計(jì)量的增大，此類錯誤的絕對數(shù)量也隨之增加。

當(dāng)前避免此類差錯的辦法主要有以下幾個。3.3.1 改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法

在計(jì)算機(jī)制圖的過程中，在導(dǎo)線的一端使用簡單的“復(fù)制→粘貼→修改”方式進(jìn)行標(biāo)注，而另一端僅使用“復(fù)制→粘貼”方式進(jìn)行標(biāo)注，使得設(shè)計(jì)中可直接對已完成標(biāo)注的導(dǎo)線起始端編號進(jìn)行校對，保證了導(dǎo)線終止端與起始端標(biāo)注的一致性，從技術(shù)上減少發(fā)生標(biāo)識編寫錯誤的幾率；

3.3.2 加強(qiáng)校對工作

加強(qiáng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者自身的校對和專人校對工作，從設(shè)計(jì)人員方面減少設(shè)計(jì)中的標(biāo)注差錯。

3.3.3 采用新技術(shù)

將來可采用新的電氣圖設(shè)計(jì)軟件（如CHI制圖軟件等），對圖中的導(dǎo)線、電氣元件等按照預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)注規(guī)則自動進(jìn)行標(biāo)注，避免人為標(biāo)注差錯的發(fā)生。

3.4 規(guī)范設(shè)計(jì)中的元器選型

規(guī)范設(shè)計(jì)中的導(dǎo)線和電氣接插件等材料的選型，防止出現(xiàn)電氣接插件和導(dǎo)線等選型差錯。

3.4.1 設(shè)計(jì)中的導(dǎo)線選型

在設(shè)計(jì)過程中基于飛機(jī)改裝的特殊性，如：飛機(jī)上的施工空間相對狹小，對使用材料的重量要求嚴(yán)格，環(huán)境溫度、壓力變化劇烈，油污嚴(yán)重，電磁環(huán)境復(fù)雜等，因此飛機(jī)改裝中大量選擇使用耐磨、耐高溫、耐航空油料、導(dǎo)電性能好、柔韌性好的航空特種高溫鍍銀導(dǎo)線。

為避免導(dǎo)線的選型差錯，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)加裝設(shè)備的用電需求和使用環(huán)境仔細(xì)加以選擇。規(guī)范的導(dǎo)線選型步驟如下：

第1步 統(tǒng)計(jì)用電設(shè)備的額定工作電流和最大起動電流；

第2步 分析用電設(shè)備的最低/最高門限電壓和電源的額定電壓；

第3步 分析改裝電纜的長度和敷設(shè)路徑中的環(huán)境條件（包括：溫度、高度和集束密度等）；

第4步 分析傳輸信號的特性，如：電壓、電流、頻率、功率等；

根據(jù)上述分析結(jié)果，按照HB 5795《航空導(dǎo)線載流量》的相關(guān)規(guī)定或相關(guān)航空導(dǎo)線產(chǎn)品的載流量圖表選擇導(dǎo)線。

通常情況下，除配電盒等控制盒內(nèi)部連線、導(dǎo)線的屏蔽連線和屏蔽接地連線可使用普通高溫導(dǎo)線外，其它所有改裝使用電纜均應(yīng)使用高溫屏蔽導(dǎo)線，以最大限度地防止電磁兼容問題的發(fā)生。

在改裝中某些情況下還用到要其它類型的專用導(dǎo)線，其選型和使用的注意事項(xiàng)如下：

在連接K型熱電偶傳感器的導(dǎo)線設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用專用航空高溫鎳鉻-鎳硅型補(bǔ)償導(dǎo)線，且設(shè)計(jì)中應(yīng)注意保持該型導(dǎo)線的連續(xù)；

在傳輸1553B總線和453總線信號的線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用專用航空高溫1553B總線，且注意該總線分為總線（白色）和子線（藍(lán)白色）兩種，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號的具體抽引部位仔細(xì)選擇；

在傳輸模擬視頻信號和部分時(shí)間信號的線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用專用同軸電纜，該電纜分為75Ω和50Ω兩大類，其導(dǎo)線外徑從1.5mm到11mm又分為10多種規(guī)格，設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)傳輸信號的阻抗特性、傳輸距離和信號衰減量等因素具體選擇；

在傳輸環(huán)境振動傳感器（如：7240C型振動傳感器）信號的線路設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用專用低噪聲電纜，該電纜分為耐高溫型和普通型兩種，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的應(yīng)用環(huán)境具體選擇。

3.4.2 規(guī)范設(shè)計(jì)中電氣接插件和控制保護(hù)器件等器件的選型，確保改裝選用器件的電氣指標(biāo)滿足改裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

選擇的電氣接插件和控制保護(hù)器件等器件是否合適直接影響設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠，選型的關(guān)鍵在于其工作時(shí)間、電壓、電流和頻率與設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載間的匹配。其具體設(shè)計(jì)步驟包括：

第1步 確定工作電流。

選用器件的工作電流主要由其承載的用電設(shè)備的電氣指標(biāo)決定。

多數(shù)情況為n臺設(shè)備并聯(lián)工作，但由于各設(shè)備間電氣特性的差異，n臺設(shè)備不會出現(xiàn)最大工作電流同時(shí)疊加的現(xiàn)象，因此選用器件的工作電流可由下列公式確定：

當(dāng)n＝1時(shí)，ID＝I1MAX；

當(dāng)n＞1時(shí)，ID＝I1E＋I(xiàn)2E＋……＋I(xiàn)(n-1)E＋MAX（I1MAX，I2MAX，……， InMAX）；

公式中：ID為選用器件的工作電流；I(n-1)E為除擁有最大工作沖擊電流設(shè)備以外的其它用電設(shè)備的額定工作電流；InMAX為n臺用電設(shè)備中最大的工作沖擊電流。

第2步 確定工作電壓。

選用器件的工作電壓由其承載的用電設(shè)備的工作電壓決定。

當(dāng)前的裝機(jī)設(shè)備工作電壓主要有28VDC、115V/400HzAC、220V/50HzAC等幾種，未來還會出現(xiàn)270VDC的電壓，而適用于各種工作電壓的控制保護(hù)器件和電氣接插件等材料的型號不盡相同，因此設(shè)計(jì)者應(yīng)仔細(xì)根據(jù)需要選擇。

第3步 分析工作環(huán)境。

分析每一條電氣線路的工作環(huán)境，包括：溫度、高度、各個方向的機(jī)械載荷及設(shè)備工作時(shí)間等。

第4步 分析選用器件電氣特性。

控制保護(hù)器件、電氣接插件和導(dǎo)線材料的工作電壓、工作電流、工作頻率、工作方式和承受過載能力等。

第5步 選擇器件。

根據(jù)以上結(jié)果，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、防人為差錯、可操作性和采購周期等因素，選擇適合的元器件。

3.5 嚴(yán)格規(guī)范屏蔽的設(shè)計(jì)

為了使改裝電纜的屏蔽能夠發(fā)揮最大效能，避免導(dǎo)線間通過屏蔽產(chǎn)生耦合干擾，使屏蔽可靠有效的接地，在設(shè)計(jì)過程中必須謹(jǐn)慎考慮。其設(shè)計(jì)的基本原則如下：

承載高頻信號和低頻信號的導(dǎo)線，以及大功率電源線路等的屏蔽應(yīng)分別接地；

高頻信號線（信號頻率≥50kHz）應(yīng)設(shè)計(jì)為至少兩端接地，低頻信號線（信號頻率＜50kHz）則應(yīng)保證單端接地，且保證屏蔽連續(xù)；

屏蔽的接地點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率用電設(shè)備電源負(fù)線的接地區(qū)域；

接地點(diǎn)應(yīng)在便于施工的部位，對于大量使用復(fù)合材料的飛機(jī)應(yīng)注意選擇合適的金屬接地部位。

4 結(jié)束語

保證飛機(jī)改裝電氣設(shè)計(jì)工作的可靠性對科研試飛工作至關(guān)重要。當(dāng)前在改裝電氣設(shè)計(jì)工作中存在著諸多可靠性不足的問題，本文對影響改裝電氣設(shè)計(jì)可靠性的因素進(jìn)行了分析，并有針對性地提出了提高改裝電氣設(shè)計(jì)工作可靠性的設(shè)計(jì)規(guī)范和原則（此部分內(nèi)容即將納入新版的《試驗(yàn)機(jī)改裝操作細(xì)則》），對今后改裝電氣設(shè)計(jì)工作具有一定的指導(dǎo)作用。

影響改裝電氣設(shè)計(jì)可靠性的因素很多，有設(shè)計(jì)方法的原因，也有受設(shè)計(jì)軟硬件條件限制的原因，因此要有效提高改裝電氣設(shè)計(jì)工作的可靠性，在今后的改裝電氣設(shè)計(jì)工作中必須牢固樹立“質(zhì)量優(yōu)先于進(jìn)度”的理念，大力引進(jìn)和開發(fā)使用更具智能化的電氣設(shè)計(jì)軟件，并立足自身特點(diǎn)，堅(jiān)持走“有試飛改裝特色的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的道路”。