双发电机无人机电气系统可靠性预计与分配

胡中华，许 昕，陈 中，曹剑坤

（中国电子科技集团公司 第三十八研究所，合肥230088）

某型飞艇电气系统， 主要由发电机电源统、电池电源、充电器、电容盒、一次配电盒、电气控制盒1、电气控制盒2、电气控制盒3 和电气控制盒4 组成。 其主要作用是提供、传输、分配飞艇各工作阶段用电设备所需要的各种形式的电能， 对飞艇动力、飞控、导航、测控、燃油、环控等系统实现可靠电气控制[1-2]。

可靠性是指系统或设备在规定的条件下、规定的时间内完成规定的任务的能力[1]。 可靠性预计和分配是飞艇方案论证阶段的一项重要工作，合理的可靠性预计与分配可以预估飞艇平均无故障时间和维修时间，有助于评估方案优缺点，找出电气系统供配电网络模型中影响系统可靠性的薄弱环节，并进行改进设计。 可靠性预计的准确性和合理性不仅应借鉴类似产品的已有统计数据，同时要建立可靠性分析模型，进行科学评估和计算，完成系统各单元（设备）的可靠性预计和分配，并最终确保满足系统可靠性指标要求[3-4]。

1 可靠性设计准则

根据性能指标、技术特点、环境适应性、安全性、电磁兼容性、软件可靠性等因素，从可靠性设计上进行保证，提高系统可靠性[5-7]。

1.1 简化设计

简化设计是可靠性设计应遵循的基本原则，主要包括：①尽可能以最少的元器件、零部件来满足产品的功能要求；②尽可能采用标准化、模块化、系列化设计，提高互换性和通用化程度；③最大限度地压缩和控制原材料、元器件、零部件的品种、规格和数量。

1.2 继承性设计

实施合理的继承性设计是可靠性的重要保证之一。 发电机、配电盒设计继承了其他飞艇配电的设计思想， 并在此基础上做进一步的改进和完善。依托软件进行仿真分析；充分利用先进精密制造设备保证产品质量。

1.3 冗余设计

冗余设计可以提高产品的任务可靠性。 冗余设计应以有关的权衡分析为依据。 由冗余所获得的可靠性增长，不要被由于构成冗余布局所需的转换器件、误差检测器和其他外部器件所增加的失效所抵消。

电气系统的电源使用双冗余设计，发电机主电源与应急蓄电池的功能相同、 互为冗余， 并且对2个电源的工作状态可以实时检测。

1.4 降额设计

降额设计时应注意以下几点：①对于电子、电气和机电元器件，根据GJB/Z 35—1993《元器件降额准则》，对不同类别的元器件按照不同的应用情况进行降额；②降额与简化设计、产品体积、重量、成本等因素有矛盾时，应综合权衡；③降额参数应切合元器件主要应力参数，才能使产品可靠性得到提高；④不能用降额的方法去补偿低质量元器件的可靠性。

1.5 防瞬态过应力设计

防瞬态过应力设计是确保电路稳定、可靠的一种重要方法。 必须重视相应的保护设计，比如：在受保护的信号线和吸收高频的地线之间加装电容；为了防止电压超过额定值（钳位值），采用二极管或稳压管来保护；利用串联电阻来限制电流值等[4]。

1）环境防护设计 采用防潮湿、防盐雾和防霉的三防设计；结构上采用缓冲减震设计，增强系统的冲击和振动的防护能力。

2）电磁兼容设计 为使电气系统与其他相关电子电气设备、器件互不干扰，可靠运行，采取以下主要措施：

电气系统的稳压电源模块会产生辐射干扰，干扰通过传输线、机壳等向空间辐射，而各模块化插件的电路又会通过电源线、机壳、信号线甚至从空间直接接收这些干扰，因此系统设计时考虑特殊重要信号走屏蔽地层，减少接收干扰，也减少对外干扰；在电源处加滤波电容，降低输出纹波以满足器件的供电要求；在电气系统设计中全面考虑系统中辐射干扰和传导干扰对其工作状态的影响，要求满足电磁兼容空军七项要求，减小电气系统对其他系统的影响。

1.6 元器件使用要求

元器件选择与质量控制的基本要求如下[8-9]：①确定执行规定功能、性能所需元器件的类型及预期所处的工作环境；②确定元器件的关键性能，包括元器件的寿命、可靠性等；③确定元器件的质量水平，包括质量等级，是否在优选之列等；④估计元器件在应用中所经受的应力；⑤确定元器件筛选的方法和措施；⑥确定适当的降额系数；⑦必须重视元器件的淘汰问题，即设计时应考虑元器件的淘汰、供货和替代问题，以避免影响使用和保障及由此导致的费用增加；⑧元器件选型参考项目相关规范。

1.7 静电防护设计

静电放电ESD（electro-static discharge）是2 个具有不同电位（由静电引起）物体之间的电流流动。ESD 会引起半导体器件的损伤，使器件立即失效的几率约为10%（短路、 开路、 无功能、 参数发生变化），而90%的器件则会引入潜在损伤，损伤后电参数仍符合规定要求，但减弱了器件的抗过电应力能力，影响了器件的可靠性。 ESD 通常可引起2 种失效模式，突发性完全失效和潜在性失效。

ESD 防护设计的主要原则如下：①在符合性能要求的同时，综合考虑技术性能指标，优先选择能提供最高抗静电放电能力的元器件；②静电放电敏感元器件的图样及其他技术资料上，应有静电敏感标志和正确的操作方法说明，电路中使用的静电放电敏感元器件也应有标志；③整个系统要求通过GJB 1389A—2005 有关静电防护试验的要求。

2 电气系统可靠性模型

可靠性建模是进行可靠性预计和分配的基础[10-13]。根据可靠性模型的确定原则，飞艇电气系统的主要功能单元有：发电机电源（主电源/辅电源，二者并联）、电池电源（电池1 和电池2，二者并联）、充电器、电容盒、一次配电盒、电气控制盒1、电气控制盒2、电气控制盒3 和电气控制盒4。

可靠性指标MTBF（mean time between failure，即平均故障间隔时间）是衡量电气系统在使用的过程中维修的频次，是维修的度量。 因此，其任何一个牵涉到维修的故障都是责任故障，尽管蓄电池作为电气系统的应急电源，实现电源的冗余。 但是从执行飞行任务的角度出发，如果出现发电机故障或者应急蓄电池故障，则飞艇必须返航，此次飞行任务失败。 因此，飞艇电气系统将电池电源用最严厉的串联模型来分析该系统的可靠性（单元内部可能存在并联，如发电机电源和电池电源），对不影响电气系统安全的设备不列入计算（考虑到电缆敷设合理的情况下，可靠性非常高，故不将电缆列入可靠性计算，其他如航行灯、放电刷、地面电源等也不列入）。 飞艇电气系统各设备之间的逻辑关系可靠性如图1 所示。

图1 电气系统设备可靠性模型Fig.1 Reliability model of electrical system equipment

对于n 路串联模型， 平均故障间隔时间MTBF的计算公式为

式中：λ 为电气系统的总失效率；n 为可靠性模型功能模块的总数量；λi为各功能模块失效率。

3 可靠性加权分配法

由于一个系统中，各分系统与单元所处的环境不同，以及所采用的元器件质量、标准化程度、维修的难易等因素不同，其所能达到的可靠性水平也不同。 因此，分配的权重至少应考虑重要性、复杂性、环境、标准化、维修性、元器件质量等因素[14]。

3.1 重要性因素

重要性即该分机、部件及元器件所发生失效对整机及分机的可靠性影响程度的大小。 在此以所谓重要性因子Kj1来表示，有

式中：mj为由第j 个分机失效引起的系统失效数；pj为第j 个分机失效数；L 为重要性因素系数。 对于串联模型来说，各个分机每次失效都会引起整机的失效，故Kj1=L。 而在某些情况时，分系统失效并不一定影响到系统失效，因此Kj1

3.2 复杂性因素

根据各分机复杂程度及包含元器件多少进行分配。 对于复杂的分机，实现其可靠性指标较困难，因而分配其可靠性指标低些。 复杂性程度用Kj2表示。 在新研制的产品方案确定阶段，不可能详细确定各分系统究竟有多少元器件，但根据经验，可以概略知道各分系统复杂程度。

3.3 环境因素

在分配可靠性指标时，要考虑环境条件。 环境条件不同，对设备的可靠性影响也就不同，分配给该设备的可靠性指标也就不同。 处于恶劣环境的设备，分配的可靠性指标就要低些。 为此，引入环境因子Kj3，由于系统处于相同使用环境，故Kj3取值相同。

3.4 标准化因素

大量采用成熟标准件设备的可靠性高，而采用非标准件和新研制的不成熟的零部件多的设备，其可靠性就低， 在分配时应降低对后者的可靠性要求。 为此引入标准件因子Kj4。

3.5 维修性因素

电气系统各设备若能周期性地进行方便的维护，能方便、有规律地进行监视和检查；或者当出现故障时能方便地排除，则分配给该设备的可靠性指标低一些。 同时还要考虑有无故障自动检测电路。为此在分配时引入维修因子Kj5。

3.6 元器件质量因素

在进行可靠性分配时，应了解各设备所采用的元器件质量水平，有的分机不得不采用较多的可靠性水平低的元器件，对其提出过高的可靠性要求是不合理的，因而分配的可靠性指标要低些。 像电池等具有电芯的设备，其可靠性水平必然比军用元器件低。 为此在分配时引入元器件质量因子Kj6。

3.7 可靠性工程加权分配法分配公式与计算

在可靠性指标分配时，不仅要考虑上述因素，根据产品的特点和情况，可能还要考虑其他因素，如信号质量因素和干扰因素等。

在分配时，各因子（K）取值以某单元为标准单元，其分配加权因子Kj1=1 时，其他单元与标准单元相比较，根据具体情况按照经验进行选取。 对于指数分布串联结构模型的系统，其分配公式为

式中：MTBFj为第j 个分机（或部件）平均故障间隔时间；MTBFs为整机（或系统）平均故障间隔时间；Kji为第j 个分机第i 个分配加权因子。

根据该电气系统的组成，采用可靠性工程加权分配法进行分配。 分配中以发电机电源为标准单元，其各项分配加权因子取为1，其他与电气设备比较，具体取值见表1。

表1 分配加权因子Kji 的取值Tab.1 Value of distribution weighting factor Kji

表中，Vj和K 为

若要求电气系统MTBF>700 h， 按照25%左右的余量计算，电气系统MTBF 设计指标约为875 h，按可靠性指标分配公式的分配结果如下：

4 可靠性预计

电气系统各设备可靠性及失效率指标见表2。其中，配电盒根据元器件、线缆、焊点等进行计算。

由表2 可知，系统各组成部分的MTBF 值均满足各自设备的分配指标。 其中，主发电机与主发电机GCU 串联，辅发电机、辅发电机GCU 与TRU 转换单元串联， 二者再并联形成发发电机电源单元；电池1 与电池2 并联形成电池电源单元；发电机电源单元、电池电源单元与全部其他设备串联。 根据表2 计算得到的各种设备的工作失效率，从工作失效率的角度看， 单台发电机产生故障的概率较高，但通过并联余度设计，大大提高了发电机电源的可靠性。 此外，配电盒等电子设备可靠性相对较高。

经计算，得到系统MTBF 值为1181.32 h，满足系统要求MTBF≥700 h 的指标要求，可靠性预计及分配合理可行。

表2 设备可靠性及失效率指标Tab.2 Equipment reliability and failure rate index

5 结语

针对某型飞艇电气系统进行可靠性分析，分析提高电气系统可靠性的基本方法， 包括简化设计、继承性设计、冗余设计、降额设计、防瞬态过应力设计和静电防护设计等。 根据飞艇电气系统的设备功能组成建立飞艇电气系统可靠性模型，并通过可靠性加权分配法进行可靠性指标分配，为电气系统初步设计提供了可靠性依据。 最后各电气设备实际可靠性指标预计电气系统的可靠性指标，结果满足系统指标要求，分配及预计合理可行。 该方法不仅适用于飞艇，同样适用于对无人机、系留气球等航空器的电气系统的可靠性研究。