潜在电路分析在航空武器发射控制电路的应用＊

王先超 杜向辉 陈晓东

（1.海军驻洛阳地区航空军事代表室 洛阳 471009）（2.空军驻洛阳地区军事代表室 洛阳 471009）

1 引言

在传统的航空武器产品设计过程中，为了消除系统的缺陷，要进行各种行之有效的分析，除了各种条件下常规的产品试验与测试外，还有诸如故障树分析、失效模式与影响分析、危害性分析、安全性分析等加强手段，目的是分析出各元件对系统失效的影响。在产品的日常检测和维护中，一旦发现异常，一般也会从某个元件的功能是否失效开始着手进行分析。上述的各种分析手段都是以元件失效作为分析的基础，强调元件失效与整个系统可靠性之间的关系。

然而，所有异常都来自于元件失效的前提是系统的设计是没有任何缺陷的。事实上，我们所设计的复杂系统内部往往可能存在各种非期望的状态，而这些状态很有可能带来产品在特定条件下的功能失效。传统的设计过程不能对系统设计的完整性进行全面有效的检查，其最大的症结是不能判断出系统在非元器件失效状态下会出现什么样的异常情况。最常见的情形就是在实现特定功能时，系统内部存在潜在电路（Sneak Circuit）［1～2］，由于难于发现而成为事故隐患。针对潜在电路这种与元件失效无关的事故因素，美国波音公司于1967年开始研究旨在预先发现潜在电路的潜在电路分析技术（Sneak Circuit Analysis—SCA）［3～5］，在一定程度上取得了成功［6］。

随着航空武器系统的复杂度不断提高，在设计中潜在电路的存在难以避免。为此本文在阐述了SCA基本原理的基础上，用SCA技术的基本分析方法从系统局部对某型航空武器系统的部分电路进行分析，成功地保证了导弹发射控制的可靠性，并为计算机辅助SCA系统提供了必要的设计依据。

2 潜在电路分析综述

2.1 潜在电路的概念

潜在电路的概念最早是由美国波音公司在完成阿波罗登月计划期间针对电子电气系统提出来的。波音公司通过对许多重大故障与事故案例的研究，发现有许多故障与事故并不是由于元器件失效引起的，而是由于系统设计方案之中固有的状态引起的。在这些状态下，系统存在着某些设计者未认识到的电回路，不同程度地传递着某种能量流、信息流或控制信号流。系统的有关部分一旦被这些潜流所激发，就会产生非预期的功能，或是抑制了预期的功能，引起系统故障，有时还会造成严重事故，使得设备损坏和人员伤亡。此外研究表明，在复杂的气路、液路系统中也存在某些潜在路径，同样具有严重的危害。

2.2 潜在电路的种类和特点

潜在电路的产生源于系统的复杂性和系统设计中的人为因素［7～9］，其种类主要有：1）潜在通道：使电流、能量或逻辑沿着意外的通道或意外的方向流动。这个错误的能量流动有时会引导系统执行错误的功能，或者错过正常的功能。2）潜在定时：使事件以意外的或矛盾的顺序出现。3）潜在指示：错误地或不明确地显示系统的工作状态，从而导致操作人员可能采取不需要的或错误的动作。4）潜在标识：对系统功能进行错误地或含糊不清地标识。

潜在电路的特点可归纳为：1）潜伏性。潜在电路的案例虽然往往表现为“出人预料”和“突然发生”，但潜在状态却是系统设计中的一种固有状态，一般与元器件失效无关。2）存在的客观性和普遍性。研究结果表明，系统中潜在状态的存在与系统的复杂性成“正比”关系。3）其它特点。绝大多数潜在问题表现为“后果严重，发现困难，纠正容易”的特点。

3 潜在电路分析的基本原理

3.1 基本分析方法

潜在电路分析的基本方法为拓扑结构分析法。其基本思想是：1）工作状态和控制关系分析。被分析系统的工作状态和控制关系是对系统进行潜电路分析的关键步骤，只有明确系统的工作状态，才能正确建立各种线索表实施对系统的分析。2）查找相似结构。拓扑学研究表明，对复杂系统进行逐级划分和简化的最终结果，是把复杂的电路毫无例外地划分成五种简单电路模式的组合形式，这五种基本电路模式本身是很容易把握的。再根据结构功能相似原理，借助系统划分手段逐级向上合并出所有可能的电流行为。3）列出与每个基本拓扑结构有关的线索表。线索表能够为发现基本拓扑结构或其组合中可能出现的所有设计缺陷提供指南，帮助分析人员确定潜在电路状态。

3.2 潜在电路的基本拓扑结构

潜在电路分析理论认为，所有的电路网络树都是由五种基本的电路拓扑模式［12］所组成，见图1。这些基本模式是：1）直线型（I型）。电路网络树中从任意一个电源到地的任何一条直通路径。2）电源拱型（Y型）。由网络树中任意两条首边不相同，但至第一相交点之后所有边均相同的直线型所构成。3）接地拱型（倒Y型）。由网络树中任意两条首边相同，但至第一条不相同的边后再没有交点的直线型所构成。4）组合拱型（X型）。由网络树中任意两条相交，并在其间有且仅有唯一交点的直线型所构成。5）H型。网络树中任意两条有且仅在中间有相重、但方向相反的边的直线型所构成。

图1 潜在电路的基本拓扑结构

此外，对于软件系统来说，由于软件流程图和硬件电路系统在组成元素上有着很大的相似性，可以将软件指令变换为硬件电路网络树模型再进行分析。

4 某型空空导弹发射控制基本原理

某型空空导弹发射控制电路的基本工作原理见图2，导弹通过发射架电路与载机电路交联。载机电路包括：武器电门、导弹发射按钮、武器发射继电器。

当飞行员接通武器电门，按下导弹发射按钮，武器发射继电器工作，给导弹发射架提供一个发射电流。发射架电路中的点火继电器根据这个发射电流对导弹进行点火，使导弹发射离轨。当飞行员按下“应急发射”按钮，应急发射继电器工作，接通发射架电路中的应急点火继电器，使导弹发射离轨。

图2 导弹发射控制电路的基本原理图

在作战、飞行训练和地面维护中，导弹走火、导弹无法投放或无法应急投放等故障时有发生。其主要原因是载机上的发射继电器点或发射架上的点火继电器在非工作状态下误动作，或在工作状态下不能动作，其原因涉及导弹发射控制电路与其他机载设备电路的相互影响。

5 某型导弹发射控制电路的潜在电路分析

5.1 工作状态分析

为有效、全面地分析导弹发射控制电路的潜在电路，必须全面了解飞机在地面维护、空中飞行时导弹发射控制电路的工作状态及控制关系。具体内容包括：1）分析各控制电门、开关、继电器在不同的状态下，导弹发射控制电路中电流的走向。2）明确各电流信号对导弹发射控制的作用情况，列出导弹发射控制电路的控制关系表。

图3是某型导弹的发射控制电路图。空空导弹的发射受发射条件控制，具体的发射过程是：1）飞行员按发射按钮S1，如果不满足导弹发射条件（截获目标、目标在规定的限角之内），则没有允许发射信号，此时三极管Q1不导通，继电器K2不动作，K2－1，K2－2两触点处于断开状态，无法实施发射任务。2）如果满足导弹发射条件，则三极管Q1导通，继电器K2动作，K2－1，K2－2两触点处于闭合状态，从导弹发射按钮上传下来的＋27V信号其中一路通过K2－1，R2，D1，Q1驱动继电器K2，使K2处于自锁状态。另外一路分别通过导弹的接触偶J3和J4打开导弹保险并点火启动燃气电机。同时，继电器 K1动作，触点 K1－1闭合，让DT100电磁铁受到激励，打开机械锁，使得导弹能在发动机的推力下离梁。但由于没有启动弹上电源，Q2截止，K3不通电，其触点K3－1处于断开状态，所以飞机上的＋27V不能传递给接触偶J5和J6，无法给出发动机点火和引信点火。当发射装置检测到弹上燃气电机电压达到规定的值后，Q2饱和导通，继电器K3通电，使得K3－1导通，此时飞机上的＋27V信号给发动机和引信点火，当发动机推力达到一定值后，导弹离梁，完成一次正常发射。应急发射时，需要打开机械保险K0，按发射按钮S2后直接给DT100电磁铁通电解锁，并实现发动机和引信点火。

图3 导弹发射控制电路

在一个作战、训练的飞行起落中，空空导弹的检查、使用过程为：地面挂弹、地面通电检查、飞行巡航、截获目标、导弹解锁、发射（应急发射）等阶段，导弹发射控制电路的状态控制矩阵如表1所示。其中，“off”表示断开，“on”表示接通。

表1 控制关系表

5.2 构建某型导弹发射控制电路的网络树

依据图3建立系统的网络树如图4，图中用一个二极管和一个开关表示三极管（用DQ1和SQ1来表示Q1），继电器的触点用开关表示，线圈用负载电阻表示，某些特点相同的电阻合并（如R4、R5合并成为R45）。

图4 网络树结构

5.3 导弹发射控制电路拓扑图

为了分析硬件中可能存在的潜在电路，将电路分解为基本拓扑结构的组合。在导弹发射控制电路中，存在一个I型电路和一个倒Y型电路（图5），还有4个H型电路（图6）。

图5 倒Y型拓扑结构

图6 4个H型拓扑结构

5.4 导弹发射控制电路的线索表

根据分解得到的基本拓扑结构，建立导弹发射控制电路的线索表。

1）对于I型的单线网络，可以划分成三条判断潜在通路的线索：（1）当需要负载时，开关、继电器触点是否处于断开状态。（2）当不要负载时，开关、继电器触点是否处于闭合状态。（3）开关、继电器触点的标志，是否反映负载的真实功能。即负载接入或脱离电路时，开关、继电器触点是否指示断开或闭合。

2）对于倒Y型电路，可以划分成如下判断潜在通路的线索：（1）当一个电门合上，或接通一个继电器，是否会加上一个不期望的负载。（2）一个负载是否可能为多条通路所控制。（3）在开关状态转换时，是否存在传递电流通路。（4）不正确的开关转换顺序是否导致不期望的结果。（5）是否存在继电器动作时间竞争。（6）在继电器线路中是否存在时间间隙或时间重叠。（7）在转换电压的上升沿或下降沿，继电器或串连的负载上是否存在不期望的接通或断开。（8）在电源和接地通路之间是否需要电气自锁。（9）当不期望的电流流过时，二极管或限流器是否导通。（10）当电流流过一个抑制二极管时是否导致不期望的结果。

3）对于“H”型电路，其线索表示为以上两种线索的组合，同时还要考虑以下线索：（1）在中间的支路中，是否存在不期望的反向电流。（2）对于接地的任何节点是否可以通过其他的路径连接到另外一条通路的电源上。

5.5 分析结果

按照建立的线索表，对照表1所示的控制关系，对导弹发射架发射控制电路中的“I”型、倒“Y”型、“H”型电路进行分析，可以得出结论：在导弹发射架发射控制电路中不存在潜在电路，若不考虑元件失效系统将能可靠工作。工程实践证明了分析的正确性。

6 结语

本文将SCA技术的基本方法应用于对某型航空武器发射控制电路的分析，确保了系统中不存在潜在电路。工程实践表明，此分析方法能够有效地提高系统的可靠性。以本文介绍的方法为基础，可以进一步开发计算机辅助潜在电路分析系统，从而提高分析的效率，满足日趋复杂的武器系统设计需要。

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