飛機速率陀螺組件故障分析

程斌 萬引偉 劉少平

摘要：飛機速率陀螺傳感器組件用于測量飛機的俯仰、滾轉與航向角速度，對于飛行品質起著關鍵作用，關乎飛行安全。本文對一起典型飛機速率陀螺組件故障進行深入分析，找出故障的根本原因，并總結其他常見速率陀螺組件故障類型和解決辦法，為后續故障的排除和預防提供參考。

關鍵詞：速率陀螺；液浮式陀螺儀；故障樹分析

Keywords：rate gyroscope；liquid floated gyroscope；fault tree analysis

1 概述

速率陀螺組件是飛機飛控系統的核心部件，是一種即使無外界參考信息，也能探測出飛機姿態信息的傳感器。速率陀螺組件用于測量3個正交軸的角速率，飛控計算機實時監測并采集速率陀螺組件提供的姿態參數。隨著飛機的不斷升級，需要更加精準的傳感器采集系統來提高飛機飛行安全以及操縱品質。液浮式速率陀螺組件是一種高性能電反饋陀螺儀，尤其適合在惡劣條件下使用，其抗沖擊震動性能較強，也常用于火控系統中，由于使用環境惡劣，極端的環境下也造成速率陀螺組件本身故障率偏高。

2 故障現象

某飛機在執行飛行任務后，飛行員反映飛機在空中報俯仰角速率D通道故障。

飛行后通電檢查，查看PL故障清單發現故障依舊存在。查看飛參發現，報故的D通道對應速率陀螺組件B通道，而且在飛行過程中B通道俯仰方向無電機自檢信號（要求峰峰值15V方波，頻率800Hz），同時該方向速率輸出信號接近為零。

3 基本原理

飛機上安裝兩個速率陀螺傳感器組件，滿足四余度要求，每個速率陀螺傳感器組件又由兩個俯仰速率陀螺和兩個滾轉速率陀螺以及電源變換電路和信號調整電路組成，兩個通道的結構相同，而又相互獨立。

速率陀螺傳感器組件，用于測量飛機的俯仰、滾轉與航向角速度，并將信號提供給駕駛員操作接口單元，通過總線送給飛行管理計算機用于控制律計算。采用液浮式單自由度速率陀螺，當對于陀螺輸入軸有角速率運動時，陀螺將繞其輸出軸轉動，轉動角度與輸入角速率成比例，通過同步器可將轉角轉換為成比例的電壓信號進行輸出。輸出信號經過調理電路調整，以滿足與駕駛員操作接口單元的接口要求和性能要求，在結構、電路布局上保證一個LRU含航向、俯仰、傾斜各兩個余度。

通過測速線圈速率陀螺，傳感器組件可檢測陀螺馬達的轉速，并輸出整理后的15V方波信號，供駕駛員操作接口單元進行速率陀螺傳感器組件的空中工作檢查。駕駛員操作接口單元向速率陀螺傳感器組件輸入檢測指令，通過速率陀螺傳感器組件內的力矩器，強迫陀螺馬達繞輸出軸偏轉，使陀螺輸出信號，以完成速率陀螺傳感器組件的地面檢查。

該型陀螺儀主要由同步器、陀螺電機、扭桿、阻尼器等組成，結構原理如圖1所示。

該型速率陀螺組件由相互獨立的A通道和B通道組成，用于測量飛機繞俯仰軸、傾斜軸和航向軸的轉動角速率，每個通道包括航向、俯仰、傾斜3路輸出，共有6路輸出。陀螺組件由4只X型速率陀螺儀（航向和俯仰）、2只Y型速率陀螺儀（傾斜）、1塊電路板和產品底座等零件組成。陀螺儀敏感載體3個正交軸的角速率信號，電路板為陀螺儀提供相關電源，并將陀螺儀測量的角速率信號轉化成正比的直流電壓信號，傳送給飛控系統。速率陀螺組件的原理框圖如圖2所示。

4 故障原因分析

針對故障現象，初步判斷為速率陀螺組件自身故障或接插件故障。地面通電測試故障現象相同，飛參數據顯示速率陀螺組件未將15V方波信號提供給駕駛員操作接口單元，導致速率陀螺組件上電自檢不過。針對速率陀螺組件B通道無電機自檢信號問題，通過對飛機飛控系統與傳感器子系統的分析，結合產品組成及故障現象建立了以速率陀螺組件B通道俯仰方向無電機自檢信號為頂事件的故障樹（見圖3），并逐一進行分析。

4.1 對外電氣連接故障排查

首先，采用替換法對速率陀螺組件機箱進行初步分離與定位。將報故障的B通道速率陀螺組件機箱與A通道速率陀螺組件機箱進行互換，通電檢測發現故障隨速率陀螺組件機箱轉移至A通道。排除對外電氣連接故障的可能。

4.2 對電路板故障排查

給故障速率陀螺機箱更換一個檢驗合格的陀螺儀，進行機上通電檢查，故障消失。檢測其輸出因數和電機自檢輸出方波信號頻率均正常，將故障件的陀螺儀安裝至另一合格速率陀螺組件機箱，在B通道航向上機通電測試，故障跟隨至B通道航向發生。排除電路板故障的可能。

4.3 對陀螺儀故障排查

在專用測試臺上對故障陀螺儀進行測試。陀螺儀輸出標度因數為0mV/（°/s），正常情況下合格的陀螺儀輸出標度因數為30mV/（°/s）；同時，陀螺電機無自檢輸出信號波形，也沒有電機旋轉的聲音，因此確認是陀螺儀故障或是陀螺儀接插件故障。

4.4 陀螺儀接插件排查

拆下故障速率陀螺組件，用萬用表直流電阻檔測量插頭相關電阻值，如表1所示，除插頭5號與3號針之間的電機I相的電阻值為開路外，其余信號都在合格范圍內。拆解插頭觀察5號針和3號針，發現5號針焊錫量偏少，連接引線有脫落現象，測量發現線路不通，確定5號針虛焊。

5 速率陀螺組件常見故障的排除與預防

液浮式陀螺儀精度高、可靠性高、環境適應能力強，但是結構復雜、生產成本高，常用于航空、航天、武器等要求精度高、使用環境惡劣的系統中，極端的使用環境也造成速率陀螺組件本身故障率偏高。通過對多起飛機速率陀螺組件故障的排除與總結，將故障原因大致進行以下分類，以便于故障的預防和排除。

5.1 單通道電機自檢不通過

某飛機在地面試車時進行飛控自檢，查看故障清單發現俯仰SMRD信號監控故障（B通道）。停車后進行地面通電檢查，故障現象依然存在。查看飛參，發現報故的B通道對應速率陀螺組件A通道，試車過程中A通道俯仰方向出現無電機自檢信號，同時該方向速率輸出信號接近為零。檢查速率陀螺組件發現陀螺電機軸承出現非正常磨損，導致陀螺電機轉速變慢或堵轉，無法發出自檢方波。更換速率陀螺組件后故障排除。

當出現類似故障時，應先進行速率陀螺組件機箱的外觀檢查，包括插頭、插座的連接情況和內部的接線情況，再通過飛機配電系統檢查供電是否正常，最后對速率陀螺組件進行檢查，結合飛機試車及通電檢查數據，檢查各通道有無電機自檢信號。

5.2 速率陀螺通道故障導致飛控降級

某飛機滑出前機上報“速率陀螺‘R、Y故障”“飛控信號降級”，飛行員按“復位”按鈕后故障消失，飛行后判讀飛參數據，判定左速率陀螺傳感器組件機箱故障。

對速率陀螺傳感器組件機箱執行軸承更換，并更換B通道電連接器以及插座。更換完成后在系統試驗臺上進行聯試，零位、速率輸出、電機自檢信號均正常，裝機使用，系統工作正常。

當出現上述類似故障時，應先檢查插頭、插座的連接情況和內部的接線情況，如果是插頭、插座故障，則進行修理或更換，之后再進行下一步檢查；如插頭、插座完好，則檢查系統供電是否正常；最后對速率陀螺組件進行檢查，結合飛機通電檢查數據，檢查與上級控制單元及信號輸出單元的通信情況。

5.3 速率陀螺底座零位較大導致姿態參數不符

某飛機在空中，飛行員故障清單中報“飛控信號降級4”故障，在飛控顯示頁面速率陀螺欄中，B通道有“P”字符出現。查看飛參，發現飛行中B通道俯仰速率故障，該方向速率輸出信號為-2V。

上述故障出現后，檢測速率陀螺組件零位偏差至200mV。對其進行調整，之后多次檢查故障沒有復現。

速率陀螺組件通過4個托架螺釘固定在機體上，4個彈簧齒套分別套在各托架螺釘上，再用4個卡環分別卡在托架螺釘的槽內。這種設計方式雖有放松作用，但在高強度飛行過程中，由于底座安裝面與托架摩擦以及飛機自身的飛行作用，均可能導致底座零位較大。實際工作中，零位不準會間接導致轉動角速率等參數出現偏差。因此，日常維護時，應頻繁檢查速率陀螺組件周邊有無碰撞痕跡，以及插座、涂漆、螺釘的完好性。

6 總結

通過對飛機速率陀螺組件工作原理的分析和上述典型故障案例的介紹，認識到掌握故障定位和排除方法可提高外場維護人員的業務水平，最大程度地縮短維修時間。傳感器系統的工作狀態直接決定著飛行安全和飛行品質，速率陀螺組件實時監測飛機的姿態，保障著飛行安全。做好速率陀螺組件的維護，能讓飛機達到一個更優的工作狀態，對于保障飛行有著非常重要的作用。

參考文獻

[1]董勁峰，和德安. 液浮速率陀螺儀的研究和改進[J].傳感器技術，2003（7）.

[2]惠恩宣.淺談液浮速率陀螺零位精度問題[J].自動駕駛儀與紅外技術，2001（1）.

作者簡介

程斌，助理工程師，主要從事飛機維修保障工作。

萬引偉，助理工程師，主要從事飛機維修保障工作。

劉少平，工程師，主要從事飛機維修保障工作。