某型直升機飛控耦合操縱臺上電死機問題分析

陳池禮

摘要：某型直升機在使用中發現，所裝備的飛控耦合操縱臺時常出現上電死機的現象，盡管采用了很多辦法，但均未改善。為了深入查找問題原因，本文在系統測試和原理分析的基礎上，采取系統排他反測法，找到了問題根源并提出了可行的解決方案。

關鍵詞：直升機;液壓助力器;數學模型;Simulink

0引言

某型直升機為了實現多種自動飛行功能模態，在原配裝三軸（俯仰、橫滾和航向）自動駕駛儀系統的基礎上增加了數字式飛控耦合器，然而該飛控耦合器的操縱臺卻時常出現上電死機現象。雖然采用了很多辦法，但因整個系統功能和組成比較復雜，涉及多家研制單位，而且一旦上電正常后各指標和功能也隨之正常，使得該問題的解決需求不是很迫切，就成為了系統遺留缺陷。上電死機問題對系統的完好性和可靠性有影響，很有必要進行深入的分析和研究。

1問題現象

飛控耦合器操縱臺上電正常工作時表現：直升機上電，先接通自動駕駛儀分系統，使其工作正常并處于規定狀態，再打開飛控耦合器電源開關，接通耦合器分系統，耦合器開始上電自檢，耦合操縱臺面板上指示燈和顯示器按照規定順序和內容進行顯示，顯示“0000”為正常，顯示“FAIL”為有故障。

出現上電死機問題時表現：接通飛控耦合器電源開關后，耦合操縱臺面板上所有指示燈全亮，操作其面板上的任何按鍵開關均無變化。更換不同的耦合器部件，操縱臺上電死機的頻度有所差異，但上電死機的現象仍然存在。

2系統的構成與原理

該型直升機的飛控系統由三軸自動駕駛儀分系統和數字式飛控耦合器分系統構成。

自動駕駛儀分系統是一個三軸系統，即縱向變距桿控制通道（俯仰軸）、橫向變距桿控制通道（橫滾軸）和尾槳控制通道（航向軸），每個通道都由兩個完全相同的控制回路構成，通過安裝在回路中不同部位的比較器實現監控功能，以確保系統工作的可靠性和安全性。自動駕駛儀分系統在駕駛儀操縱臺的控制下，接收來自陀螺地平儀、陀螺磁羅盤、速率陀螺、側向加速度計、大氣數據組件、總槳距傳感器、航向操縱腳蹬位置傳感器、航向拉桿開關和舵機位置反饋電位計傳遞來的電氣信號，經駕駛儀計算機處理、比較、合成和放大，輸出與每個通道所需飛行控制運動成比例的直流電壓信號，再經駕駛儀放大器伺服放大，驅動相應的電動舵機，控制直升機的飛行狀態。

耦合器分系統的功能是擴展直升機的自動飛行控制功能。在耦合操縱臺的控制下，耦合計算機接收來自陀螺地平儀、三軸加速度計、水平位置指示器、無線電高度表、高度速度傳感器、垂直速度指示器、多普勒導航系統、大氣數據計算機和綜合處理系統傳遞來的模擬與總線數字信號，經處理、計算和管理，包括系統調度、控制律計算、BIT、余度管理及故障監控等，再與自動駕駛儀分系統交聯，連同新增加的總距軸一起，實現直升機的四軸控制（俯仰、橫滾、航向和高度）和多種自動飛行控制功能。整個飛控系統連接關系如圖1所示。

耦合計算機是耦合分系統的主控計算機，主要用于實現新增的擴展功能模態。它是一套全數字式計算機，各種功能都是通過軟件實現，硬件只提供必要的運行環境。在裝機狀態上電后，駐留在其內部的軟件立即自動投入運行。若載機停留在地面，軟件則執行地面程序，地面程序只提供飛行前自檢功能，按地面通電相應程序進行測試;若載機升空，則自動轉入飛行工作程序。

耦合操縱臺是耦合分系統的人機接口，主要功能包括選擇和設置功能模態、預選無線電巡航和懸停高度、啟動系統自檢功能、信息顯示及故障通報等，由計算機系統、面板組件和印制板接口單元構成，其中計算機系統可獨立于其他接口工作，是耦合操縱臺的控制核心。

駕駛儀計算機是飛控系統的一個重要部件，在自動駕駛儀分系統內處理來自陀螺地平儀、陀螺磁羅盤、大氣數據組件等傳感器的信號，可以使直升機在橫滾、俯仰、航向三個軸向上穩定在駕駛員選擇的基準值上（自動駕駛儀功能），也可以實現單獨的小位移阻尼（阻尼器功能）;加上耦合器分系統后，它接收處理耦合計算機的控制信號——相當于增加了外回路控制，因此除三軸的基本功能外，還可以按照耦合計算機中不同控制規律的計算結果，將綜合處理過的信號送入駕駛儀放大器進行功率放大后控制執行機構動作，最終實現直升機的姿態穩定、速度保持、懸停和導航等多種自動飛行控制功能。

3系統的上電分析

飛控系統工作的電源需求為直流28V和交流26V400Hz、115V400Hz。直流28V為主要工作電源，交流26V400Hz、115V400Hz主要為航姿角度、加速度信號的感受、傳送、處理提供激勵和同步基準。系統的供電連接如圖2所示。

由圖2可見，自動駕駛儀分系統和耦合器分系統分別獨立供電，在整機系統供電設置方面也沒有先后上電的程序和邏輯控制。

但是，從飛控系統連接關系和系統功能設計原理的角度出發，耦合器分系統作用的發揮必須基于自動駕駛儀分系統，因此應先接通自動駕駛儀分系統，使其工作正常并處于規定狀態。也就是說，當自動駕駛方式、雙回路接通、俯仰橫滾偏航全部通道及其自動配平功能接通、總距預控接通并已全部處于正常工作狀態后，打開飛控耦合器電源開關，耦合器分系統才開始上電工作。

4試驗與排查

為了分析耦合操縱臺上電死機問題的原因，分別從產品自身、機上線路、環境電磁干擾和產品互換性等四個相關方面進行試驗與排查。

4.1產品自身問題

將容易死機的產品拆至內場試驗設備上進行檢查和反復試驗，包括電源適應性檢查，發現產品與系統均工作正常，各項性能合格，未出現耦合操縱臺上電死機或工作中途死機的現象。

4.2機上線路問題

對機上系統有關的線路進行導通、絕緣和搭接檢查，檢查結果符合飛控系統饋電原理圖的相關要求，未發現異常情況。

4.3機上電磁干擾

1）對機上不相關的系統、設備進行斷電處理，上電死機現象均未明顯變化。

2）脫開系統非必須連接的交聯設備接線與電源，如水平位置指示器、無線電高度表、多普勒導航系統等，上電死機現象也未明顯變化。

3）地面不開車，利用外部電源車供電即改變供電方式，上電死機現象同樣存在。

4）再綜合以上方式進行試驗，現象相同。

5）整理耦合器分系統電纜走向和與其他電纜的間隔距離等，上電死機現象繼續存在。

由此基本可以判定，該上電死機問題與機上電磁干擾無關。

4.4產品適應性

在機上更換耦合器分系統的部件，進行產品互換性試驗，發現當更換耦合操縱臺時上電死機現象的頻度明顯不同。

問題的難點是當按照正常工作流程操作時耦合操縱臺只有在機上才會出現上電死機，且一旦死機必須關斷飛控耦合器電源開關進行物理斷電再重新接通后，才有可能進入正常工作狀態。不同飛機或耦合操縱臺上都會出現死機，僅是死機的頻度不同而已，輕的只偶爾出現一次，重新開機后就能正常工作;嚴重的多數一開機就死機，只有少數開機能進入正常工作;但內場試驗時，無論哪一部耦合操縱臺都能正常工作，一次都未出現上電死機現象。

通過以上試驗，雖然沒有直接找出耦合操縱臺上電死機的確切原因，但是卻進一步表明，耦合操縱臺上電死機問題主要與其自身因素有關。同時，還可以肯定的是，內場試驗設備與機上線路之間存在系統差異。

5問題根源

為了揭示耦合操縱臺上電死機的問題根源，進一步從耦合操縱臺的工作原理和內場試驗設備與機上系統的差異出發，分析問題。

耦合操縱臺的核心是計算機系統，功能模態的選擇和功能燈的亮滅都由計算機系統掃描識別和處理，只有當計算機系統死機才會導致耦合操縱臺死機，為此有必要從全機角度分析耦合操縱臺上電工作的機理。耦合操縱臺的全機供電原理如圖3所示。

綜合圖2和圖3的信息發現，耦合器分系統為了提高抗干擾能力和可靠性，統一由耦合計算機的電源板處理提供給全套耦合器分系統的專用電源：對輸入的直流28V電源進行DC/DC變換，形成兩組±15V直流穩壓電源和+5V直流穩壓電源，供給耦合計算機的兩個處理器板及各接口板;對機上的直流28V電源進行組合濾波處理，形成“1+2”體制的濾波電源28VF，供給無余度配置的重要部件，如耦合操縱臺等部件。耦合器分系統電源不向自動駕駛儀分系統供電，也不從自動駕駛儀分系統取得電源。因此，從供電原理角度出發，耦合操縱臺上電死機問題應與自動駕駛儀分系統無關，實際的機上串換件也證實了該結論：更換自動駕駛儀分系統部件對于耦合操縱臺上電死機現象沒有任何影響，只有當更換耦合器分系統的耦合計算機或操縱臺后才會有所變化。

單從耦合操縱臺的供電原理圖中看不出問題，只能明確耦合操縱臺的計算機系統是單獨供電工作，該+28VF“1+2”專用電源應與機上其他+28V電源沒有任何連接關系。

采用排他反測法檢查機上的實際供電情況。拆下耦合操縱臺插座上的機上電纜插頭，接通機上直流28V電源，保持飛控耦合器電源開關處于斷開位，測量機上電纜插頭各插針對地的電壓情況，發現連接中央告警板耦合器故障“告警燈”的插針上有28V直流電壓，再在該插針與地之間接入28V/0.17A燈泡作負載測量，燈泡燃亮明顯，電壓約7.5V。這樣的測量結果雖與耦合操縱臺的全機供電原理吻合，但卻從另一個角度揭示出該插針也相當于在給耦合操縱臺“供電”。

將該電纜插頭與耦合操縱臺的插座對接，再次從插頭尾部在線測試各插針的對地電壓情況，發現該“告警燈”插針電壓變為約10V，同時接+28V電源的插針上出現約5V電壓，接+28VF“1+2”電源的插針上也有約4.5V的電壓。可見，雖未接通飛控耦合器電源開關，但因耦合操縱臺內部電路原因，導致該“告警燈”插針的“供電”與+28V電源電路發生交聯，通過機上并聯供電接線送至耦合計算機的+28V電源輸入端，再經其內部組合濾波后輸入耦合操縱臺的+28VF“1+2”供電端，導致本應該隔離的計算機專用電源實際在機上并沒有得到隔離。

約4.5V的反串電壓經耦合操縱臺的內部電源變換后，產生約2.3V的CPU系統工作電壓，但因該電壓過低，無法使CPU系統正常工作，也無法點亮顯示器和指示燈，所以從面板上看不出任何顯示。當接通飛控耦合器電源開關后，由于已經存在約2.3V電壓（相當于剩余電壓），導致CPU上電復位電路在上電比較時不能正常翻轉，使上電復位功能失效，CPU系統無法進入正常工作程序，從而對任何操作失去反應。這時必須關斷電源，再重復相關操作，直到CPU系統上電復位成功，耦合操縱臺才可以正常工作。

經對比檢查驗證，越容易上電死機的耦合操縱臺，其+28V電源插針上的反串電壓越是偏高（0.1～0.5V）。耦合計算機因內部組合濾波電路的壓降略有差異，也對該死機現象略有影響。

內場試驗中耦合操縱臺工作正常的原因在于，雖是按機上系統的接線關系連接的電路，但卻是利用發光二極管電路代替了中央告警板的指示燈泡，電路電流的負載能力明顯比機上低了很多，導致上電死機現象在內場得不到復現。

6解決方案

解決耦合操縱臺上電死機的根本辦法是改進耦合操縱臺的內部電路設計，增大電源電路間的隔離度。但由于該產品早已定型，更改設計需履行的試驗和審批程序很多，過程也很長，加之只要通過上電自檢后系統就能正常工作，因此對于正在使用中的裝備還需另尋比較實際的解決辦法。

第一種方法：在連接耦合器故障“告警燈”插針的外部線路上增加一個開關，在接通飛控耦合器電源開關前，該開關應處于斷開狀態，系統上電通過自檢后再接通該開關，這樣就避免了反串電壓對耦合操縱臺的提前干擾。

第二種方法：根據耦合操縱臺上電死機的頻度與其反串電壓高低有關，且該電壓直接取決于耦合器故障“告警燈”插針上的輸入電壓大小，因此在該外部線路上串聯增加1～2件壓降較大的硅整流二極管（IF≥1.0A），就能實現既不影響系統原有的交聯關系和功能，又等效降低耦合操縱臺的反串電壓，使其剩余電壓減小的效果，提高CPU系統的上電復位成功率，從而大大減少上電死機問題的發生率。

第一種方法雖能徹底杜絕耦合操縱臺上電死機的問題，但需對機上線路進行更改，還必須按照先后順序增加操作開關的動作;第二種方法雖不一定能完全杜絕耦合操縱臺上電死機的問題，但對線路改動較小，改裝容易，也不影響后期任何操作習慣，因此應優選第二種方法作為外場可行的解決方案。

7結論

當前，隨著直升機使用領域的不斷拓展和執行任務的日益多樣化，以及新型裝備研制和補充改裝工作的不斷加速推進，常常存在少數產品或系統在后期的規模運用中才發現小問題的情況，還需后續不斷地優化和完善。當出現普遍性問題時，有必要從全機系統的角度進行分析排查，從而以更小的代價和時間獲得更好更快的處理結果。

參考文獻

[1]某型飛行控制系統機載設備維護手冊[Z].1998.