雙發電機無人機電氣系統可靠性預計與分配

胡中華，許 昕，陳 中，曹劍坤

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所，合肥230088）

某型飛艇電氣系統， 主要由發電機電源統、電池電源、充電器、電容盒、一次配電盒、電氣控制盒1、電氣控制盒2、電氣控制盒3 和電氣控制盒4 組成。 其主要作用是提供、傳輸、分配飛艇各工作階段用電設備所需要的各種形式的電能， 對飛艇動力、飛控、導航、測控、燃油、環控等系統實現可靠電氣控制[1-2]。

可靠性是指系統或設備在規定的條件下、規定的時間內完成規定的任務的能力[1]。 可靠性預計和分配是飛艇方案論證階段的一項重要工作，合理的可靠性預計與分配可以預估飛艇平均無故障時間和維修時間，有助于評估方案優缺點，找出電氣系統供配電網絡模型中影響系統可靠性的薄弱環節，并進行改進設計。 可靠性預計的準確性和合理性不僅應借鑒類似產品的已有統計數據，同時要建立可靠性分析模型，進行科學評估和計算，完成系統各單元（設備）的可靠性預計和分配，并最終確保滿足系統可靠性指標要求[3-4]。

1 可靠性設計準則

根據性能指標、技術特點、環境適應性、安全性、電磁兼容性、軟件可靠性等因素，從可靠性設計上進行保證，提高系統可靠性[5-7]。

1.1 簡化設計

簡化設計是可靠性設計應遵循的基本原則，主要包括：①盡可能以最少的元器件、零部件來滿足產品的功能要求；②盡可能采用標準化、模塊化、系列化設計，提高互換性和通用化程度；③最大限度地壓縮和控制原材料、元器件、零部件的品種、規格和數量。

1.2 繼承性設計

實施合理的繼承性設計是可靠性的重要保證之一。 發電機、配電盒設計繼承了其他飛艇配電的設計思想， 并在此基礎上做進一步的改進和完善。依托軟件進行仿真分析；充分利用先進精密制造設備保證產品質量。

1.3 冗余設計

冗余設計可以提高產品的任務可靠性。 冗余設計應以有關的權衡分析為依據。 由冗余所獲得的可靠性增長，不要被由于構成冗余布局所需的轉換器件、誤差檢測器和其他外部器件所增加的失效所抵消。

電氣系統的電源使用雙冗余設計，發電機主電源與應急蓄電池的功能相同、 互為冗余， 并且對2個電源的工作狀態可以實時檢測。

1.4 降額設計

降額設計時應注意以下幾點：①對于電子、電氣和機電元器件，根據GJB/Z 35—1993《元器件降額準則》，對不同類別的元器件按照不同的應用情況進行降額；②降額與簡化設計、產品體積、重量、成本等因素有矛盾時，應綜合權衡；③降額參數應切合元器件主要應力參數，才能使產品可靠性得到提高；④不能用降額的方法去補償低質量元器件的可靠性。

1.5 防瞬態過應力設計

防瞬態過應力設計是確保電路穩定、可靠的一種重要方法。 必須重視相應的保護設計，比如：在受保護的信號線和吸收高頻的地線之間加裝電容；為了防止電壓超過額定值（鉗位值），采用二極管或穩壓管來保護；利用串聯電阻來限制電流值等[4]。

1）環境防護設計 采用防潮濕、防鹽霧和防霉的三防設計；結構上采用緩沖減震設計，增強系統的沖擊和振動的防護能力。

2）電磁兼容設計 為使電氣系統與其他相關電子電氣設備、器件互不干擾，可靠運行，采取以下主要措施：

電氣系統的穩壓電源模塊會產生輻射干擾，干擾通過傳輸線、機殼等向空間輻射，而各模塊化插件的電路又會通過電源線、機殼、信號線甚至從空間直接接收這些干擾，因此系統設計時考慮特殊重要信號走屏蔽地層，減少接收干擾，也減少對外干擾；在電源處加濾波電容，降低輸出紋波以滿足器件的供電要求；在電氣系統設計中全面考慮系統中輻射干擾和傳導干擾對其工作狀態的影響，要求滿足電磁兼容空軍七項要求，減小電氣系統對其他系統的影響。

1.6 元器件使用要求

元器件選擇與質量控制的基本要求如下[8-9]：①確定執行規定功能、性能所需元器件的類型及預期所處的工作環境；②確定元器件的關鍵性能，包括元器件的壽命、可靠性等；③確定元器件的質量水平，包括質量等級，是否在優選之列等；④估計元器件在應用中所經受的應力；⑤確定元器件篩選的方法和措施；⑥確定適當的降額系數；⑦必須重視元器件的淘汰問題，即設計時應考慮元器件的淘汰、供貨和替代問題，以避免影響使用和保障及由此導致的費用增加；⑧元器件選型參考項目相關規范。

1.7 靜電防護設計

靜電放電ESD（electro-static discharge）是2 個具有不同電位（由靜電引起）物體之間的電流流動。ESD 會引起半導體器件的損傷，使器件立即失效的幾率約為10%（短路、 開路、 無功能、 參數發生變化），而90%的器件則會引入潛在損傷，損傷后電參數仍符合規定要求，但減弱了器件的抗過電應力能力，影響了器件的可靠性。 ESD 通常可引起2 種失效模式，突發性完全失效和潛在性失效。

ESD 防護設計的主要原則如下：①在符合性能要求的同時，綜合考慮技術性能指標，優先選擇能提供最高抗靜電放電能力的元器件；②靜電放電敏感元器件的圖樣及其他技術資料上，應有靜電敏感標志和正確的操作方法說明，電路中使用的靜電放電敏感元器件也應有標志；③整個系統要求通過GJB 1389A—2005 有關靜電防護試驗的要求。

2 電氣系統可靠性模型

可靠性建模是進行可靠性預計和分配的基礎[10-13]。根據可靠性模型的確定原則，飛艇電氣系統的主要功能單元有：發電機電源（主電源/輔電源，二者并聯）、電池電源（電池1 和電池2，二者并聯）、充電器、電容盒、一次配電盒、電氣控制盒1、電氣控制盒2、電氣控制盒3 和電氣控制盒4。

可靠性指標MTBF（mean time between failure，即平均故障間隔時間）是衡量電氣系統在使用的過程中維修的頻次，是維修的度量。 因此，其任何一個牽涉到維修的故障都是責任故障，盡管蓄電池作為電氣系統的應急電源，實現電源的冗余。 但是從執行飛行任務的角度出發，如果出現發電機故障或者應急蓄電池故障，則飛艇必須返航，此次飛行任務失敗。 因此，飛艇電氣系統將電池電源用最嚴厲的串聯模型來分析該系統的可靠性（單元內部可能存在并聯，如發電機電源和電池電源），對不影響電氣系統安全的設備不列入計算（考慮到電纜敷設合理的情況下，可靠性非常高，故不將電纜列入可靠性計算，其他如航行燈、放電刷、地面電源等也不列入）。 飛艇電氣系統各設備之間的邏輯關系可靠性如圖1 所示。

圖1 電氣系統設備可靠性模型Fig.1 Reliability model of electrical system equipment

對于n 路串聯模型， 平均故障間隔時間MTBF的計算公式為

式中：λ 為電氣系統的總失效率；n 為可靠性模型功能模塊的總數量；λi為各功能模塊失效率。

3 可靠性加權分配法

由于一個系統中，各分系統與單元所處的環境不同，以及所采用的元器件質量、標準化程度、維修的難易等因素不同，其所能達到的可靠性水平也不同。 因此，分配的權重至少應考慮重要性、復雜性、環境、標準化、維修性、元器件質量等因素[14]。

3.1 重要性因素

重要性即該分機、部件及元器件所發生失效對整機及分機的可靠性影響程度的大小。 在此以所謂重要性因子Kj1來表示，有

式中：mj為由第j 個分機失效引起的系統失效數；pj為第j 個分機失效數；L 為重要性因素系數。 對于串聯模型來說，各個分機每次失效都會引起整機的失效，故Kj1=L。 而在某些情況時，分系統失效并不一定影響到系統失效，因此Kj1

3.2 復雜性因素

根據各分機復雜程度及包含元器件多少進行分配。 對于復雜的分機，實現其可靠性指標較困難，因而分配其可靠性指標低些。 復雜性程度用Kj2表示。 在新研制的產品方案確定階段，不可能詳細確定各分系統究竟有多少元器件，但根據經驗，可以概略知道各分系統復雜程度。

3.3 環境因素

在分配可靠性指標時，要考慮環境條件。 環境條件不同，對設備的可靠性影響也就不同，分配給該設備的可靠性指標也就不同。 處于惡劣環境的設備，分配的可靠性指標就要低些。 為此，引入環境因子Kj3，由于系統處于相同使用環境，故Kj3取值相同。

3.4 標準化因素

大量采用成熟標準件設備的可靠性高，而采用非標準件和新研制的不成熟的零部件多的設備，其可靠性就低， 在分配時應降低對后者的可靠性要求。 為此引入標準件因子Kj4。

3.5 維修性因素

電氣系統各設備若能周期性地進行方便的維護，能方便、有規律地進行監視和檢查；或者當出現故障時能方便地排除，則分配給該設備的可靠性指標低一些。 同時還要考慮有無故障自動檢測電路。為此在分配時引入維修因子Kj5。

3.6 元器件質量因素

在進行可靠性分配時，應了解各設備所采用的元器件質量水平，有的分機不得不采用較多的可靠性水平低的元器件，對其提出過高的可靠性要求是不合理的，因而分配的可靠性指標要低些。 像電池等具有電芯的設備，其可靠性水平必然比軍用元器件低。 為此在分配時引入元器件質量因子Kj6。

3.7 可靠性工程加權分配法分配公式與計算

在可靠性指標分配時，不僅要考慮上述因素，根據產品的特點和情況，可能還要考慮其他因素，如信號質量因素和干擾因素等。

在分配時，各因子（K）取值以某單元為標準單元，其分配加權因子Kj1=1 時，其他單元與標準單元相比較，根據具體情況按照經驗進行選取。 對于指數分布串聯結構模型的系統，其分配公式為

式中：MTBFj為第j 個分機（或部件）平均故障間隔時間；MTBFs為整機（或系統）平均故障間隔時間；Kji為第j 個分機第i 個分配加權因子。

根據該電氣系統的組成，采用可靠性工程加權分配法進行分配。 分配中以發電機電源為標準單元，其各項分配加權因子取為1，其他與電氣設備比較，具體取值見表1。

表1 分配加權因子Kji 的取值Tab.1 Value of distribution weighting factor Kji

表中，Vj和K 為

若要求電氣系統MTBF>700 h， 按照25%左右的余量計算，電氣系統MTBF 設計指標約為875 h，按可靠性指標分配公式的分配結果如下：

4 可靠性預計

電氣系統各設備可靠性及失效率指標見表2。其中，配電盒根據元器件、線纜、焊點等進行計算。

由表2 可知，系統各組成部分的MTBF 值均滿足各自設備的分配指標。 其中，主發電機與主發電機GCU 串聯，輔發電機、輔發電機GCU 與TRU 轉換單元串聯， 二者再并聯形成發發電機電源單元；電池1 與電池2 并聯形成電池電源單元；發電機電源單元、電池電源單元與全部其他設備串聯。 根據表2 計算得到的各種設備的工作失效率，從工作失效率的角度看， 單臺發電機產生故障的概率較高，但通過并聯余度設計，大大提高了發電機電源的可靠性。 此外，配電盒等電子設備可靠性相對較高。

經計算，得到系統MTBF 值為1181.32 h，滿足系統要求MTBF≥700 h 的指標要求，可靠性預計及分配合理可行。

表2 設備可靠性及失效率指標Tab.2 Equipment reliability and failure rate index

5 結語

針對某型飛艇電氣系統進行可靠性分析，分析提高電氣系統可靠性的基本方法， 包括簡化設計、繼承性設計、冗余設計、降額設計、防瞬態過應力設計和靜電防護設計等。 根據飛艇電氣系統的設備功能組成建立飛艇電氣系統可靠性模型，并通過可靠性加權分配法進行可靠性指標分配，為電氣系統初步設計提供了可靠性依據。 最后各電氣設備實際可靠性指標預計電氣系統的可靠性指標，結果滿足系統指標要求，分配及預計合理可行。 該方法不僅適用于飛艇，同樣適用于對無人機、系留氣球等航空器的電氣系統的可靠性研究。