某型机载紧急定位设备误触发故障分析_李春龙.pdf

61AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 3.1 触发电路故障紧急定位设备收发机中三个轴向的 6 个加速度开关共用一路触发电路，当触发硬件电路发生故障时，电路可能在不符合触发条件的情况下给出触发信号，导致设备自启动。经检查，设备内部电路板及元器件完好，无明显磕碰、损坏痕迹；进行加电检测，设备状态完好，触发电路电性能合格，各器件工作状态正常；通过加速度试验，确认触发电路功能正常。因此，可以排除触发电路故障的可能性。3.2 软件故障紧急定位设备收发机内包含两个软件配置项：控制软件和数字信号处理软件。经测试分析，设备处于待命状态时，控制软件和数字信号处理软件的集成电路器件并未加电工作，相应软件也没有运行，不会导致设备自启动，可以排除软件故障导致设备误触发的可 能性。3.3 加速度开关故障紧急定位设备触发功能由加速度开关和触发电路完成，当加速度开关故障时，可能导致设备在未满足条件下触发自启动。1 故障现象某型飞机在起飞滑跑时，其搭载的某型紧急定位设备误触发，控制监视器指示灯闪亮多次，并有语音提示“紧急定位”。机组人员将驾驶舱中的控制监视器面板开关由“待命”位拨至“测试/复位”位约 1s 后松开，紧急定位停止工作并恢复至待命状态，不再发射信标音频。经地面功能检查，结果正常。再次对紧急定位设备通电自检，自检结果正常，并能正常处于待命 状态。2 设备工作原理紧急定位设备由收发机、控制监视器、紧急定位发射天线、紧急定位北斗天线 4 个 LRU 组成，功能为当飞机遇险后通过无线电信标发射、北斗定位并配合机载救生电台测距、定向等方式，完成对遇险飞机及人员的快速搜索，提高遇险人员的获救几率。紧急定位设备安装在飞机上后一直处于待命状态，当飞机处于紧急情况时可通过手动启动或自动启动。设备启动后，监视控制器的指示灯连续闪烁 5 次，每次亮 1s 灭 1s，并向音频设备发送音频告警信号，10s 后机载音频设备输出“紧急定位、紧急定位”的语音。紧急定位设备的手动触发是通过机组人员操作控制监视器面板的开关实现；自动触发是通过紧急定位收发机（下称收发机）内部的三轴六向加速度过载开关（下称加速度开关）实现，当某个方向的加速度超过设定阈值时，加速度开关导通并产生触发脉冲信号，使收发机开始自动工作。紧急定位设备自动触发后，如果确定是误触发，可通过控制监视器面板开关进行复位操作，即将控制开关向下拨动至“测试/复位”后释放开关柄。完成复位操作后设备将停止工作，进入正常待命状态。根据设备工作原理并结合故障现象分析，初步判断故障原因是紧急定位设备在飞机正常滑跑阶段误触发，而控制监视器的指示灯按照设定流程工作并输出告警语音。3 故障分析根据设备设计原理，引起误触发启动的原因包括触发电路故障、软件故障、加速度开关故障三个方面。某型机载紧急定位设备误触发故障 分析Fault Analysis on a Certain Type of Airborne ELT Triggered by Mistake 李春龙靳鹏昭吉波/空装驻宝鸡地区第二军事代表室摘要：通过对某型机载紧急定位设备在飞机起飞滑跑过程中误触发故障的处理，介绍了该型紧急定位设备的工作原理和触发机理，分析了故障产生的原因，并提出解决和验证措施，可为同类机载产品故障的排除提供参考。关键词：紧急定位设备；误触发；故障分析Keywords：ELT；triggered by mistake；fault analysisDOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.02.01462航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2 3.3.1 加速度开关工作原理紧急定位设备中共使用 6 个加速度开关，分别监控飞机三轴六向的加速度，采用“弹簧质量”原理设计，实物图片如图 1 所示。图1加速度开关实物照片该加速度开关由弹簧、质量块（兼动接触点）、静接触点、外壳（导向套）、引线等部件组成，内部结构如图 2 所示。当加速度开关承受规定的轴向加速度（或冲击）时，惯性球克服弹簧抗力沿轴向运动从而与电极柱接触，使两根导线、电极柱、惯性球、壳体和电极整体构成导电回路。当轴向加速度撤消时，惯性球在弹簧力的作用下与电极柱分开并复位。3.3.2 加速度开关关键指标分析加速度开关自动触发开启能力受加速度阈值、最小速度变化量、耐振动能力三项技术指标影响。1）加速度阈值该指标考核设备开启的最低加速度门限，当设备所承受的加速度低于阈值时，无论该脉冲持续时间多长，加速度开关的触点不闭合。2）最小速度变化量速度变化量（V）的定义是在规定时间段内设备承受的加速度在持续时间上的积分，即：最小速度变化量（Vmin）是能使加速度开关触点闭合的最小速度变化量。当设备经受大于 Vmin 的速度变化量时，能够自动触发开机。最小速度变化量考核规定了设备开启时所需要的加速度量值和脉冲宽度，在RTCADO-183 标准中要求最小速度变化量为 3.50.5ft/s。3）耐振动性能由加速度开关原理分析可知，如果承受较大的外部机械应力，可能导致弹簧压缩，从而引起触发启动。考虑到设备安装上飞机后需要经受飞机上恶劣的振动环境，要求加速度开关在经受规定的功能振动试验时不应出现触发现象，试验要求如图 3 所示，最大功率谱密度（PSD）为 0.05g2/Hz。3.3.3 机内机械应力数据分析在实验室对紧急定位设备以上三项指标进行考核，试验结果均符合指标要求，但安装在飞机上却出现误触发启动，说明设备的装机适应能力差。飞机上的机械环境应力有加速度、振动、冲击等，紧急定位设备刚性安装在飞机上，随机体一起经受各种机械应力。当传递到内部加速度开关上的机械应力超过其设计弹簧力时，加速度开关将导通，使紧急定位设备自动触发开启。对飞机上机械应力数据进行采集和分析。传感器为 X、Y、Z 三个方向，采样率约 8kHz，分别安装在距离收发机约 1 2m 的不同位置。由传感器采集加速度数据绘制的波形（VBS19 传感器采集的起飞过程的 X 轴向）如图 4 所示。由图 4 可以看出，正常飞行情况下，加速度最大幅度小于 0.5g；但起飞和降落过程都有突然增大的脉冲包络波形出现，最高幅度超过 10g。通过波形分析，此时已经存在触发加速度开关的风险。飞机的起飞、爬升、飞行、着陆等1.灌封胶2.锡铅钎料3.导电套4.绝缘套5.电极柱6.精密弹簧7.惯性球8.电极9.壳体10.906 灌封胶11.导线图2加速度开关结构图0.05PSD(g2/Hz)f(Hz)+6dB/oct1003002 00050.00530-6dB/oct图3紧急定位设备的振动谱图工 程 ENGINEERING 63AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 过程是一个复杂振动环境，加速度开关作为精密惯性传感器，会对振动做出响应，有可能出现误触发现象，因此对加速度开关的抗振动干扰能力提出了较高的设计要求。根据飞行实测数据分析，在着陆过程中前后方向上的振动最大，峰值约 6g，PSD 峰值约 0.026g2/Hz，如图 5 所示。3.3.4 振动引起误触发机理分析通过以上机内机械应力数据分析，基本可以确定由于飞机在起飞、降落或飞行过程中的振动量值过大，引起加速度开关误触发启动。当飞机承受大过载或强烈振动时，加速度开关承受一系列短时尖峰脉冲加速度，如图 6 所示。从中可以看出，在尖峰的作用下，惯性球向电极柱方向运动，在尖峰的作用下，惯性球向反方向运动（尖峰对时间的积分大于尖峰对时间的积分）；在尖峰（）的作用下，惯性球再向电极柱方向运动，在尖峰（）的作用下，惯性球向反方向运动（尖峰对时间的积分大于尖峰对时间的积分，其他几个尖峰与此相同）；在尖峰到尖峰的持续冲击下，惯性球与电极柱接触，从而引起设备的自动启动。3.3.5 实验室故障复现在环境实验室进行多次振动试验，模拟在飞机上出现的误触发启动问题。试验设计为保持振动试验曲线形状不变，最大振动功率谱密度（PSD）从功能振动要求的 0.05g2/Hz 开始增加，步进 0.025g2/Hz，观察紧急定位设备触发现象，并与机上现象进行对比。试验时，将收发机固定在振动台面上，在上下、前后、左右三个轴向上分别进行振动试验，每个轴向 10min。振动过程中收发机开关置于待命状态，观测振动期间是否有自启动情况。试验结果如表 1 所示，当振动量值大于 0.075g2/Hz 后，紧急定位设备开始频繁触发。通过以上统计结果，结合前期飞机振动数据分析和设备工作原理可知：1）设备在前后方向上抗振动干扰能力最差，这与其本身加速度阈值小、Vmin 值 设 计 偏小有关；2）通 过 振 动模拟故障对比机上触发频度，认为飞机在正常执行任务时振动量值小于 0.05g2/Hz，在地面试车、起飞滑跑等阶段振动量值增大，其中前后方向最大值应不大于 0.075g2/Hz；3）根据以上分析，如果加速度开关的抗振动干扰能力达到0.1g2/Hz以上，其装机适应能力将会大幅度提升，误触发启动概率将大幅度降低，同时也能满足在紧急状况下正常触发的需要。4 解决措施及验证情况4.1 解决措施针对以上分析和验证，解决机上误触发启动问题的主要思路是提升加速度图4飞机起飞过程的加速度数据波形（X轴）图5飞行过程中机上前后方向实测的振动数据64航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2 开关的抗振动干扰能力。结合国外标准、飞机实际使用环境和实验室试验结果，对加速度开关的技术指标进行重新论证和分配，主要有：1）三轴六向加速度阈值指标不 变；2）将向前 1.5g 加速度开关的最小速度变化量由原来的 2 Vmin 4提升为 3 Vmin4.2；其余方向的最小速度变化量由原来的 3 Vmin 4提升为 3 Vmin4.2；3）将所有方向加速度开关的耐功 能 振 动 改 为 耐 受强 化 功 能 振 动，试验量值由原来的 PS-D=0.05g2/Hz 提 升 到 PSD=0.13g2/Hz，如图7 所示。原加速度开关采用“弹簧质量”系统模型，改进后采用“弹簧质量阻尼”系统模型，惯性球的表1不同振动条件下紧急定位设备触发情况序号振动量值（g2/Hz）加速度（g）前后方向触发情况上下方向触发情况左右方向触发情况备注10.054.97没有触发没有触发没有触发20.0756.09有触发，平均 10min内出现 2 3 次没有触发没有触发类似机上触发频度30.107.03频繁触发，复位后很快再次触发有触发，平均10min 内出现3 4 次有触发，平均10min 内出现3 4 次40.1257.87频繁触发，无法工作频繁触发，复位后很快再次触发频繁触发，复位后很快再次触发50.158.62频繁触发，无法工作频繁触发，无法工作频繁触发，无法工作PSD(g2/Hz)f（Hz）+6dB/oct-6dB/oct1003002 00050.03450.13图7强化功能振动试验功率谱密度动力学方程为：其中，m 为惯性球质量，k 为弹簧刚度，为系统阻尼，aT为梯形波加速度载荷，x（t）为惯性球相对于端头座的位移量。结合初始条件 x（0）=x0（弹簧装配预压变形量）、=0 对上述公式进行数值解析计算，即可得到惯性球在梯形波加速度载荷的动力学运动过程，如图 8 所示。惯性球端头座aTtx(t)图8惯性球梯形波加速度载荷下动力学模型示意图在动力学运动中，结构阻尼用于反映振动系统在振动时的能量损耗特性，包括以下几方面：1）滞后阻尼，通过材料的内摩擦作用使机械能量逐渐转化为热能消失在周围的介质中；2）粘性阻尼，主要针对结构和介质之间的相互作用；3）节点、支架连接间的摩擦阻力，由构件之间或构件与支架间的相对运动产生，通过支架基础散失一部分 能量。在加速度开关结构阻尼优化方面，从惯性簧滞后阻尼设计、惯性球粘性阻尼和摩擦阻力设计三方面开展重新设计制造。4.2 验证情况对改进后的加速度开关进行单体加速度阈值试验、最小速度变