某型直升机飞控耦合操纵台上电死机问题分析

陈池礼

摘要：某型直升机在使用中发现，所装备的飞控耦合操纵台时常出现上电死机的现象，尽管采用了很多办法，但均未改善。为了深入查找问题原因，本文在系统测试和原理分析的基础上，采取系统排他反测法，找到了问题根源并提出了可行的解决方案。

关键词：直升机;液压助力器;数学模型;Simulink

0引言

某型直升机为了实现多种自动飞行功能模态，在原配装三轴（俯仰、横滚和航向）自动驾驶仪系统的基础上增加了数字式飞控耦合器，然而该飞控耦合器的操纵台却时常出现上电死机现象。虽然采用了很多办法，但因整个系统功能和组成比较复杂，涉及多家研制单位，而且一旦上电正常后各指标和功能也随之正常，使得该问题的解决需求不是很迫切，就成为了系统遗留缺陷。上电死机问题对系统的完好性和可靠性有影响，很有必要进行深入的分析和研究。

1问题现象

飞控耦合器操纵台上电正常工作时表现：直升机上电，先接通自动驾驶仪分系统，使其工作正常并处于规定状态，再打开飞控耦合器电源开关，接通耦合器分系统，耦合器开始上电自检，耦合操纵台面板上指示灯和显示器按照规定顺序和内容进行显示，显示“0000”为正常，显示“FAIL”为有故障。

出现上电死机问题时表现：接通飞控耦合器电源开关后，耦合操纵台面板上所有指示灯全亮，操作其面板上的任何按键开关均无变化。更换不同的耦合器部件，操纵台上电死机的频度有所差异，但上电死机的现象仍然存在。

2系统的构成与原理

该型直升机的飞控系统由三轴自动驾驶仪分系统和数字式飞控耦合器分系统构成。

自动驾驶仪分系统是一个三轴系统，即纵向变距杆控制通道（俯仰轴）、横向变距杆控制通道（横滚轴）和尾桨控制通道（航向轴），每个通道都由两个完全相同的控制回路构成，通过安装在回路中不同部位的比较器实现监控功能，以确保系统工作的可靠性和安全性。自动驾驶仪分系统在驾驶仪操纵台的控制下，接收来自陀螺地平仪、陀螺磁罗盘、速率陀螺、侧向加速度计、大气数据组件、总桨距传感器、航向操纵脚蹬位置传感器、航向拉杆开关和舵机位置反馈电位计传递来的电气信号，经驾驶仪计算机处理、比较、合成和放大，输出与每个通道所需飞行控制运动成比例的直流电压信号，再经驾驶仪放大器伺服放大，驱动相应的电动舵机，控制直升机的飞行状态。

耦合器分系统的功能是扩展直升机的自动飞行控制功能。在耦合操纵台的控制下，耦合计算机接收来自陀螺地平仪、三轴加速度计、水平位置指示器、无线电高度表、高度速度传感器、垂直速度指示器、多普勒导航系统、大气数据计算机和综合处理系统传递来的模拟与总线数字信号，经处理、计算和管理，包括系统调度、控制律计算、BIT、余度管理及故障监控等，再与自动驾驶仪分系统交联，连同新增加的总距轴一起，实现直升机的四轴控制（俯仰、横滚、航向和高度）和多种自动飞行控制功能。整个飞控系统连接关系如图1所示。

耦合计算机是耦合分系统的主控计算机，主要用于实现新增的扩展功能模态。它是一套全数字式计算机，各种功能都是通过软件实现，硬件只提供必要的运行环境。在装机状态上电后，驻留在其内部的软件立即自动投入运行。若载机停留在地面，软件则执行地面程序，地面程序只提供飞行前自检功能，按地面通电相应程序进行测试;若载机升空，则自动转入飞行工作程序。

耦合操纵台是耦合分系统的人机接口，主要功能包括选择和设置功能模态、预选无线电巡航和悬停高度、启动系统自检功能、信息显示及故障通报等，由计算机系统、面板组件和印制板接口单元构成，其中计算机系统可独立于其他接口工作，是耦合操纵台的控制核心。

驾驶仪计算机是飞控系统的一个重要部件，在自动驾驶仪分系统内处理来自陀螺地平仪、陀螺磁罗盘、大气数据组件等传感器的信号，可以使直升机在横滚、俯仰、航向三个轴向上稳定在驾驶员选择的基准值上（自动驾驶仪功能），也可以实现单独的小位移阻尼（阻尼器功能）;加上耦合器分系统后，它接收处理耦合计算机的控制信号——相当于增加了外回路控制，因此除三轴的基本功能外，还可以按照耦合计算机中不同控制规律的计算结果，将综合处理过的信号送入驾驶仪放大器进行功率放大后控制执行机构动作，最终实现直升机的姿态稳定、速度保持、悬停和导航等多种自动飞行控制功能。

3系统的上电分析

飞控系统工作的电源需求为直流28V和交流26V400Hz、115V400Hz。直流28V为主要工作电源，交流26V400Hz、115V400Hz主要为航姿角度、加速度信号的感受、传送、处理提供激励和同步基准。系统的供电连接如图2所示。

由图2可见，自动驾驶仪分系统和耦合器分系统分别独立供电，在整机系统供电设置方面也没有先后上电的程序和逻辑控制。

但是，从飞控系统连接关系和系统功能设计原理的角度出发，耦合器分系统作用的发挥必须基于自动驾驶仪分系统，因此应先接通自动驾驶仪分系统，使其工作正常并处于规定状态。也就是说，当自动驾驶方式、双回路接通、俯仰横滚偏航全部通道及其自动配平功能接通、总距预控接通并已全部处于正常工作状态后，打开飞控耦合器电源开关，耦合器分系统才开始上电工作。

4试验与排查

为了分析耦合操纵台上电死机问题的原因，分别从产品自身、机上线路、環境电磁干扰和产品互换性等四个相关方面进行试验与排查。

4.1产品自身问题

将容易死机的产品拆至内场试验设备上进行检查和反复试验，包括电源适应性检查，发现产品与系统均工作正常，各项性能合格，未出现耦合操纵台上电死机或工作中途死机的现象。

4.2机上线路问题

对机上系统有关的线路进行导通、绝缘和搭接检查，检查结果符合飞控系统馈电原理图的相关要求，未发现异常情况。

4.3机上电磁干扰

1）对机上不相关的系统、设备进行断电处理，上电死机现象均未明显变化。

2）脱开系统非必须连接的交联设备接线与电源，如水平位置指示器、无线电高度表、多普勒导航系统等，上电死机现象也未明显变化。

3）地面不开车，利用外部电源车供电即改变供电方式，上电死机现象同样存在。

4）再综合以上方式进行试验，现象相同。

5）整理耦合器分系统电缆走向和与其他电缆的间隔距离等，上电死机现象继续存在。

由此基本可以判定，该上电死机问题与机上电磁干扰无关。

4.4产品适应性

在机上更换耦合器分系统的部件，进行产品互换性试验，发现当更换耦合操纵台时上电死机现象的频度明显不同。

问题的难点是当按照正常工作流程操作时耦合操纵台只有在机上才会出现上电死机，且一旦死机必须关断飞控耦合器电源开关进行物理断电再重新接通后，才有可能进入正常工作状态。不同飞机或耦合操纵台上都会出现死机，仅是死机的频度不同而已，轻的只偶尔出现一次，重新开机后就能正常工作;严重的多数一开机就死机，只有少数开机能进入正常工作;但内场试验时，无论哪一部耦合操纵台都能正常工作，一次都未出现上电死机现象。

通过以上试验，虽然没有直接找出耦合操纵台上电死机的确切原因，但是却进一步表明，耦合操纵台上电死机问题主要与其自身因素有关。同时，还可以肯定的是，内场试验设备与机上线路之间存在系统差异。

5问题根源

为了揭示耦合操纵台上电死机的问题根源，进一步从耦合操纵台的工作原理和内场试验设备与机上系统的差异出发，分析问题。

耦合操纵台的核心是计算机系统，功能模态的选择和功能灯的亮灭都由计算机系统扫描识别和处理，只有当计算机系统死机才会导致耦合操纵台死机，为此有必要从全机角度分析耦合操纵台上电工作的机理。耦合操纵台的全机供电原理如图3所示。

综合图2和图3的信息发现，耦合器分系统为了提高抗干扰能力和可靠性，统一由耦合计算机的电源板处理提供给全套耦合器分系统的专用电源：对输入的直流28V电源进行DC/DC变换，形成两组±15V直流稳压电源和+5V直流稳压电源，供给耦合计算机的两个处理器板及各接口板;对机上的直流28V电源进行组合滤波处理，形成“1+2”体制的滤波电源28VF，供给无余度配置的重要部件，如耦合操纵台等部件。耦合器分系统电源不向自动驾驶仪分系统供电，也不从自动驾驶仪分系统取得电源。因此，从供电原理角度出发，耦合操纵台上电死机问题应与自动驾驶仪分系统无关，实际的机上串换件也证实了该结论：更换自动驾驶仪分系统部件对于耦合操纵台上电死机现象没有任何影响，只有当更换耦合器分系统的耦合计算机或操纵台后才会有所变化。

单从耦合操纵台的供电原理图中看不出问题，只能明确耦合操纵台的计算机系统是单独供电工作，该+28VF“1+2”专用电源应与机上其他+28V电源没有任何连接关系。

采用排他反测法检查机上的实际供电情况。拆下耦合操纵台插座上的机上电缆插头，接通机上直流28V电源，保持飞控耦合器电源开关处于断开位，测量机上电缆插头各插针对地的电压情况，发现连接中央告警板耦合器故障“告警灯”的插针上有28V直流电压，再在该插针与地之间接入28V/0.17A灯泡作负载测量，灯泡燃亮明显，电压约7.5V。这样的测量结果虽与耦合操纵台的全机供电原理吻合，但却从另一个角度揭示出该插针也相当于在给耦合操纵台“供电”。

将该电缆插头与耦合操纵台的插座对接，再次从插头尾部在线测试各插针的对地电压情况，发现该“告警灯”插针电压变为约10V，同时接+28V电源的插针上出现约5V电压，接+28VF“1+2”电源的插针上也有约4.5V的电压。可见，虽未接通飞控耦合器电源开关，但因耦合操纵台内部电路原因，导致该“告警灯”插针的“供电”与+28V电源电路发生交联，通过机上并联供电接线送至耦合计算机的+28V电源输入端，再经其内部组合滤波后输入耦合操纵台的+28VF“1+2”供电端，导致本应该隔离的计算机专用电源实际在机上并没有得到隔离。

约4.5V的反串电压经耦合操纵台的内部电源变换后，产生约2.3V的CPU系统工作电压，但因该电压过低，无法使CPU系统正常工作，也无法点亮显示器和指示灯，所以从面板上看不出任何显示。当接通飞控耦合器电源开关后，由于已经存在约2.3V电压（相当于剩余电压），导致CPU上电复位电路在上电比较时不能正常翻转，使上电复位功能失效，CPU系统无法进入正常工作程序，从而对任何操作失去反应。这时必须关断电源，再重复相关操作，直到CPU系统上电复位成功，耦合操纵台才可以正常工作。

经对比检查验证，越容易上电死机的耦合操纵台，其+28V电源插针上的反串电压越是偏高（0.1～0.5V）。耦合计算机因内部组合滤波电路的压降略有差异，也对该死机现象略有影响。

内场试验中耦合操纵台工作正常的原因在于，虽是按机上系统的接线关系连接的电路，但却是利用发光二极管电路代替了中央告警板的指示灯泡，电路电流的负载能力明显比机上低了很多，导致上电死机现象在内场得不到复现。

6解决方案

解决耦合操纵台上电死机的根本办法是改进耦合操纵台的内部电路设计，增大电源电路间的隔离度。但由于该产品早已定型，更改设计需履行的试验和审批程序很多，过程也很长，加之只要通过上电自检后系统就能正常工作，因此对于正在使用中的装备还需另寻比较实际的解决办法。

第一种方法：在连接耦合器故障“告警灯”插针的外部线路上增加一个开关，在接通飞控耦合器电源开关前，该开关应处于断开状态，系统上电通过自检后再接通该开关，这样就避免了反串电压对耦合操纵台的提前干扰。

第二种方法：根据耦合操纵台上电死机的频度与其反串电压高低有关，且该电压直接取决于耦合器故障“告警灯”插针上的输入电压大小，因此在该外部线路上串联增加1～2件压降较大的硅整流二极管（IF≥1.0A），就能实现既不影响系统原有的交联关系和功能，又等效降低耦合操纵台的反串电压，使其剩余电压减小的效果，提高CPU系统的上电复位成功率，从而大大减少上电死机问题的发生率。

第一种方法虽能彻底杜绝耦合操纵台上电死机的问题，但需对机上线路进行更改，还必须按照先后顺序增加操作开关的动作;第二种方法虽不一定能完全杜绝耦合操縱台上电死机的问题，但对线路改动较小，改装容易，也不影响后期任何操作习惯，因此应优选第二种方法作为外场可行的解决方案。

7结论

当前，随着直升机使用领域的不断拓展和执行任务的日益多样化，以及新型装备研制和补充改装工作的不断加速推进，常常存在少数产品或系统在后期的规模运用中才发现小问题的情况，还需后续不断地优化和完善。当出现普遍性问题时，有必要从全机系统的角度进行分析排查，从而以更小的代价和时间获得更好更快的处理结果。

参考文献

[1]某型飞行控制系统机载设备维护手册[Z].1998.