肖鵬,呼明亮,于方春,趙君,閆穩(wěn)
(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,陜西西安,710119)
發(fā)動機(jī)在工作中因機(jī)件嚴(yán)重磨損、燃油泄漏、電氣著火等可能出現(xiàn)火警,若不加以控制,不僅會嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)動機(jī),還直接危及飛行安全。因此現(xiàn)代飛機(jī)均設(shè)置了發(fā)動機(jī)的火警探測系統(tǒng),在發(fā)動機(jī)發(fā)生火情時[1],及時準(zhǔn)確的發(fā)出火警信號,并可對發(fā)動機(jī)實施滅火。本文設(shè)計了基于氣動式火警探測傳感器的火警信號探測電路[2~3],并針對虛警誤報分析電路引起虛警的故障模式,計算電路的虛警率。
飛機(jī)發(fā)動機(jī)火警電路系統(tǒng)原理如圖1 所示,通過火警信號探測電路采集安裝在風(fēng)扇機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣和發(fā)動機(jī)吊艙的火警探測傳感器輸入信號,將調(diào)理后的電信號發(fā)送給FPGA 進(jìn)行火警邏輯判斷,F(xiàn)PGA 通過局部總線將火警信息發(fā)送給CPU,CPU 收到后通過高速數(shù)據(jù)總線上報給處理機(jī)或者顯示系統(tǒng)。
圖1 火警電路系統(tǒng)組成
火警信號探測電路是采集飛機(jī)氣動式火警探測傳感器的輸入電路的電阻來判斷傳感器安裝區(qū)域的火警狀態(tài),電路設(shè)計如圖2 所示。
圖2 飛機(jī)發(fā)動機(jī)火警信號探測電路
飛機(jī)發(fā)動機(jī)火警探測電路由三部分組成:
(1)惠斯通電阻橋電路
選擇電阻R2 與R3 阻值相同,使得R3 對地的電壓為5V,選擇適當(dāng)?shù)腞1,根據(jù)火警傳感器的輸出,使火警時伙計探測傳感器的分壓小于1V,正常時大于9V。
(2)儀表運(yùn)算放大器
儀表運(yùn)算放大器將惠斯通電阻橋電路中R3 對地電路和火警傳感器對地電壓兩端電壓差分采集,發(fā)動機(jī)火警傳感器正常時,儀表運(yùn)算放大器輸出電壓大于4V;發(fā)動機(jī)火警傳感器檢測到火情時,儀表運(yùn)算放大器輸出電壓小于-4V。
(3)遲滯比較電路
兩路遲滯比較電路,通過配置遲滯環(huán)電阻配置合理的遲滯門限值。比較器的供電時±15V 雙端供電,則比較器的輸出狀態(tài)有兩種:開路,-14.7V。為了將比較器的輸出直接給FPGA 采集,將開路上拉到3.3V,通過二極管輸出限制到DGND,防止負(fù)電壓對后端FPGA 造成損壞。
使用Multisim12.0 電路仿真工具,搭建發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真模型,如圖3 所示。
圖3 發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真模型
已知火警傳感器的特性為火警時阻值不大于100Ω(±25Ω)(不含電纜阻值),正常時阻值不小于100kΩ(±25kΩ)。在惠斯通電阻橋中選取R1=10kΩ,則發(fā)動機(jī)無火情時運(yùn)算放大器輸出電壓大于4.1V,當(dāng)有火情時運(yùn)算放大器的輸出小于-4.97V。為保證能準(zhǔn)確上報火警,配置遲滯環(huán)電阻時優(yōu)先保證上報火警門限。配置第一路遲滯比較器的高門限值為4.2V,配置第二路遲滯比較器的門限值為-4.97V。
第一路仿真結(jié)果如圖4 所示,仿真結(jié)果顯示比較器的高門限值為4.227V,低門限值為-3.933V。
圖4 發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真圖1
第二路仿真結(jié)果如圖5 所示,仿真結(jié)果顯示比較器高門限值為4.131V,低門限值為-4.985V。
圖5 發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真圖2
兩路遲滯比較電路FPGA 端輸入仿真結(jié)果分別為圖6、圖7 所示。
圖6 發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真圖3
圖7 發(fā)動機(jī)火警探測電路仿真圖4
FPGA 采集兩路遲滯比較器的輸出進(jìn)行邏輯判斷,將判斷結(jié)果上報給上位機(jī)處理。發(fā)動機(jī)火警FPGA 邏輯斷真值表如表1 所示。
表1 火警上報判斷邏輯
雙余度火警電路系統(tǒng)組成如圖8 所示。
圖8 雙余度火警電路系統(tǒng)示意框圖
通道1 和通道2 火警傳感器靠近布局,A 電路或者A'電路采集到火警信號時,B 和B'均會采集到火警信號,因此1 通道或者2 通道任意通道正常均可正常上報火警。
2.4.1 無法正常上報火警的情況分析
基于單余度火警電路系統(tǒng),雙余度火警電路系統(tǒng)無法正常上報火警的情況如表2 所示。
2.4.2 火警虛警分析
飛機(jī)發(fā)動機(jī)火警探測電路時機(jī)電系統(tǒng)一個重要的電路組成部分,用以采集外部火警探測傳感器的信號,就電路功能而言,主要存在兩種故障模式:“實警不報”和“虛警誤報”。
“實警不報”即發(fā)動機(jī)艙段實際已發(fā)生火警,但由于系統(tǒng)故障,不能及時準(zhǔn)確向飛行員報警,導(dǎo)致飛機(jī)和人員受到安全威脅,乃至空難。
“虛警誤報”即發(fā)動機(jī)艙實際未發(fā)生火警,但由于系統(tǒng)故障,向飛行員報告虛假火警信號,飛行員按照應(yīng)急處置程序處理火警,飛機(jī)返航、備降。這種故障模式影響飛機(jī)的正常營運(yùn)或任務(wù)完成。如果機(jī)組人員虛警處置不當(dāng),可能誘發(fā)飛行事故鏈,增加惡性飛行事故發(fā)生的可能性。
2.4.3 引起虛警的故障模式分析
火警探測電路上報火警的原理是采集到探測傳感器的電阻為不大于100Ω 的電阻,此時輸入儀表運(yùn)算放大器正端輸入的電壓接近0.1V,則儀表運(yùn)算放大器的輸出電壓為接近-4.9V 的電壓,此時兩路遲滯比較電路輸出FLAG1、FLAG2 均為高電平。
從火警電路報警的機(jī)理分析,造成火警電路虛警的情況有以下幾種:
(1)航插針搭接短路。連接火警探測傳感器兩端輸入的航插針PIN1 和PIN2 如果短路會造成電路采集到火警傳感器分壓為0V。
(2)航插針接地。航插針PIN1 接地與短路的機(jī)理相同。
(3)電阻R3 斷路。電阻R3 斷路,輸入儀表運(yùn)算放大器負(fù)端的電壓為10V,會導(dǎo)致火警探測傳感器分壓小于5V 時就上報火警。
(4)電阻R7 和R5 斷路或電阻R4 和R6 短路。這兩種情況都是將遲滯比較電路變?yōu)榱碎T限值為5V 的單門限比較電路,只有儀表運(yùn)算放大器的輸出大于5V 時比較器輸出-14.7V,而儀表運(yùn)算放大器的電壓輸出范圍為-5~5V,故在此使情況下儀表運(yùn)算放大器輸出電壓小于5V 時,都會報火警。
(5)運(yùn)放儀表運(yùn)算放大器故障,輸出小于-5V 的電壓。
(6)比較器故障,輸出開路。開路狀態(tài)被上拉到3.3V,F(xiàn)PGA 采集到高電平,上報火警。
(7)焊盤虛焊,造成比較器或FPGA 虛焊,導(dǎo)致比較器輸出開路或FPGA 輸出的數(shù)據(jù)不正確,導(dǎo)致CPU 接收到虛假的火警信息。
(8)FPGA 故障,可能導(dǎo)致CPU 采集到邏輯信號為火警信號。
各故障模式失效率計算是按照GJB/Z-299C(電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊)中對應(yīng)的失效模型計算。
3.1.1 航插針搭接短路或航插針接地
航插針搭接或者接地,都?xì)w結(jié)為連接器失效,失效模型如下:
式中:pλ:工作失效率,610-/h;bλ:基本失效率,10-6/h,查表取值0.0303;πE:環(huán)境系數(shù),查表取值8.4;AUF 戰(zhàn)斗機(jī)無人艙;πQ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.4;πp:接觸件系數(shù),查表取值5.60;πK:拔插系數(shù),查表取值1.0;πC:插孔結(jié)構(gòu)系數(shù),查表取值0.3。
計算得到:
3.1.2 電阻R3 斷路
電阻器為金屬膜電阻,電阻失效模型:
式中:pλ:工作失效率,610-/h;bλ:基本失效率,10-6/h,取值0.007;πE:環(huán)境系數(shù),查表取值11.5;πQ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.3;πR:阻值系統(tǒng),查表取值1.0。
計算得到:λp2= 0.007 × 1 1.5 × 0.3 × 1.0 = 0.02415 ×10-6/h
3.1.3 電阻R7 和R5 斷路或R4 和R6 短路
電阻器為金屬膜電阻,電阻失效模型:
式中:λp:工作失效率,10-6/h;λb:基本失效率,10-6/h,取值0.007;πE:環(huán)境系數(shù),查表取值11.5;Qπ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.3;Rπ:阻值系統(tǒng),查表取值1.0。
R7 和R5 斷路屬于并聯(lián)失效模型,R4 和R6 短路也屬于并聯(lián)失效模型,但這兩種狀況又屬于串聯(lián)失效模型。
計算得到:λp3=λp2×λp2+λp2×λp2=0.00116645 ×10-6/h
3.1.4 儀表運(yùn)算放大器故障
儀表運(yùn)算放大器故障失效模型按照單片模擬集成電路,失效模型如下:
式中:λp:工作失效率,10-6/h;πQ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.08;Tπ:溫度應(yīng)力系數(shù),計算查表取值1.16;Vπ:電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.12;Eπ:環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20;Lπ:成熟度系數(shù)取值1.0;1C及C2:電路復(fù)雜度失效率,查表分別取值0.4272,0.0406;C3:封裝復(fù)雜度失效率,查表取值0.0224。
計算失效率:
3.1.5 比較器故障
比較器失效率按照單片模擬集成電路的失效率計算,失效模型如下:
式中:Qπ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.08;Tπ:溫度應(yīng)力系數(shù),計算查表取值1.33;Vπ:電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.12;Eπ:環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20;Lπ:成熟度系數(shù)取值1.0;1C及C2:電路復(fù)雜度失效率,查表分別取值0.6083,0.0544;3C:封裝復(fù)雜度失效率,查表取值0.0623。
計算失效率:
虛報火警時兩個比較器必須同時故障,故兩路比較器故障為電路故障的并聯(lián)模式,故:
3.1.6 焊盤焊點故障
焊盤焊點的失效模型如下:
式中:λp:工作失效率,10-6/h;λb:基本失效率,10-6/h,取值0.000070;πQ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.25;Eπ:環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值11。
計算得焊盤焊點失效率:
焊盤焊點失效造成LM139 比較器失效或FPGA 故障屬于串聯(lián)失效模型。故焊盤焊點失效造成的虛警率為:
3.1.7 FPGA 故障
FPGA 失效按照單片雙極工藝制作數(shù)字電路失效模型計算:
式中:λp:工作失效率,10-6/h;πQ:質(zhì)量系數(shù),查表取值0.25;SMQ4VLX25FF668 質(zhì)量等級為A4;Tπ:溫度應(yīng)力系數(shù),計算查表取值1.30;Vπ:電壓應(yīng)力系數(shù)查表取值1.0;Eπ:環(huán)境應(yīng)力系數(shù)取值20;AUF 戰(zhàn)斗機(jī)無人艙;Lπ:成熟度系數(shù)取值1.0;1C及C2——電路復(fù)雜度失效率(與邏輯門數(shù)量相關(guān)),查表分別取值1.1135,0.0556;3C:封裝復(fù)雜度失效率,查表取值5.7184。
計算得FPGA 失效率:
FPGA 失效率的計算包含了FPAG 所有邏輯門失效的概率,在實際中對造成虛警的情況的失效率遠(yuǎn)比 pλ小,因為發(fā)動機(jī)火警判斷邏輯占用的FPGA 資源非常少。在計算取
分析可知,在第3.1 節(jié)中的故障情況任一一種發(fā)生就會上報虛警,因此各個故障模式為火警探測電路故障的串聯(lián)模型,故火警探測電路引起虛警的元器件級的失效率為:
假定系統(tǒng)給火警探測電路分配的虛警率為5%,則平均虛警間隔[4]時間為20h,則由電路元器件失效引起的虛警率為:
通過分析火警探測電路和火警虛警率的計算分析,能夠降低火警虛警率的措施有:
(1)硬件電路增加余度設(shè)計。余度設(shè)計時各個余度之間的故障模式對于火警系統(tǒng)而言屬于并聯(lián)模式,故增加余度設(shè)計可以降低虛警的發(fā)生概率。
(2)設(shè)計嚴(yán)密完善的火警判斷邏輯,減少虛假火警和漏報火警的可能性。在余度設(shè)計的基礎(chǔ)上,F(xiàn)PGA 采集各個獨(dú)立的通路信號,對采集到的信號進(jìn)行完善的邏輯判斷以確保上報火警的正確性。
本文設(shè)計了一種采集氣動式火警傳感器輸出信號的火警探測電路,基于電路分析了造成火警虛警的故障模式,并計算了虛警率,對火警電路設(shè)計有和系統(tǒng)虛警率分配具有一定的參考意義。