某型导弹输出指令组件传递函数故障分析与排除

2021-04-12程蒙蒙高怀平涂远欣马培娜

航空维修与工程 2021年2期

程蒙蒙高怀平涂远欣马培娜

摘要：通过对某型导弹导引头输出指令组件的工作原理分析和研究，掌握了输出指令组件传递函数Ω参数故障发生原因及其机理，建立了故障树；为了解决输出指令组件输出数据无法直接读取的困难，利用Arduino控制芯片、稳压集成电路等器件搭建了输出指令组件自动测试平台，完成了输出指令组件相关数据的采集与分析，最终实现了对输出指令组件传递函数不合格修理。

关键词：传递函数；测试平台；故障分析

Keywords：transfer function；testing platform；fault analysis

0 引言

某型导弹为进口型空空导弹，用于歼击机在空战近距离格斗时攻击敌机，并具有对地面热目标的攻击能力，能够全向攻击目标和近距离发射，在昼夜、云雾中和有干扰条件下均可战斗使用[1]。该型导弹导引头输出指令组件主要负责处理、生成控制舵面偏转的视线角速度信号，根据指令调整信号的放大倍率，还能实现偏角补偿、超前偏置以及基准信号整形功能，对导弹跟踪目标起着重要作用。该型导弹导引头日常修理过程中，当出现输出指令组件传递函数Ω不合格时，由于缺少输出指令组件测试设备，无法对故障组件进行直接测试、修复，通常采取换备件的方式修理，修理成本较高。为了解决这一问题，需要对输出指令组件进行研究并搭建测试平台，以最终形成对输出指令组件传递函数故障的修复能力。

1 原理分析

输出指令组件传递函数Ω（视线角速度信号）是导引头输出指令组件核心参数[2]。输出指令组件负责处理、生成控制舵面偏转的视线角速度信号Ω1、Ω2，根据指令调整Ω信号的放大倍率并综合偏角补偿和超前偏置，负责极坐标角速度Ωпол信号的输出以及基准信号整形等功能。输出指令组件的工作原理图如图1所示。输入陀螺线包感应的偏转信号、框架角信号，经过补偿电路形成极坐标形式的视线角速度信号；视线角速度信号与基准信号配合解调出极坐标形式的视线角速度信号Ω1和Ω2；载机根据初始条件形成的指令经指令和系数形成装置，变成K1、K3、K4指令送导引头。K1、K3、K4指令影响Ω1和Ω2信号的放大比例系数；近区电路的相关指令控制K指令封锁电路和超前偏置电路。其工作原理可分为三个模块。

1）Ω信号测试原理

极坐标形式的角速度信号Ωf2输入组件，经过Φ角补偿电路与框架角Φрам补偿融合；经过K指令比例放大电路进行放大；放大后的极坐标信号与基准信号共同作用，解调成直角坐标形式的视线角速度信号Ω1、Ω2。当超前偏置电路起作用时，框架角ΦГ会通过解调电路中的加法器影响Ω1、Ω2信号幅值。

2）极坐标角速度信号测试原理

极坐标形式的角速度信号Ωf2信号经过运算放大器N6进行半波整流后，经过滤波和跟随器形成Ωпол1输出。Ωпол1经过受逻辑开关控制的运放N5后形成Ωпол2信号。

3）基准信号测试原理

方波形式的基准信号进入输出指令组件，经过整形电路形成正弦波形式从20和21脚输出。这两个通道的正弦波再经过比较器形成一定占空比的方波，从17和19脚输出。

2 信号分析

载机根据初始条件形成的指令经指令和系数形成装置，变成K1、K3、K4指令送导引头。K指令控制视线角速度信号Ω的最大值，分别有K1、K2、K3、K4四种状态（其中K2为初始状态）。Ω有两个通道Ω1、Ω2。采集的参数为K2指令下，直角坐标形式的视线角速度信号Ω1、Ω2；K1指令下，直角坐标形式的视线角速度信号Ω1、Ω2；K3指令下，直角坐标形式的视线角速度信号Ω1、Ω2；K4指令下，直角坐标形式的视线角速度信号Ω1、Ω2。8个参数形成信号的电路部分全在導引头输出指令组件中。

依据输出指令组件电路及原理分析，输出指令组件所需电源为±12V电源，所需信号为Ωf2信号、基准信号（Фон1和Фон2）、导弹偏转信号CM、逻辑电平α*、控制指令Tупр、位标器偏转信号ΦГ和框架角Φрам。其中，依据某型导弹导引头测试参数，选择Ωf2信号为峰峰值5V、基波频率100Hz、调制频率1Hz的AM调制信号；ΦOH1、ΦOH2信号为峰峰值20V、频率100Hz的方波信号；控制指令Tупр为27V电压；导弹偏转信号CM和逻辑电平α*为12V电压；位标器偏转信号ΦГ为5V电压；框架角Φрам为12V电压。

3 测试平台研制与数据采集

输出指令组件是某型导弹导引头电子组件组成之一，与之相关的测试参数通过导引头测试台采集。由于无法对输出指令组件进行直接测试，制约了输出指令组件的修理，现根据输出指令的原理分析以及信号机理分析，研制输出指令自动测试平台，以解决输出指令组件的测试难题。

3.1 测试平台研制

输出指令组件测试平台如图2所示，主要由arduino控制芯片、显示屏、稳压集成电路、继电器等组成。输出指令组件通过巨型连接器与测试平台连接。该平台采用arduino控制芯片对测试程序和功能进行升级，实现了继电器控制、数字量输出和模拟量采集，满足输出指令组件所有信号的输入、输出、通断与延时。配合显示屏实现了示波器和数据显示功能。必要时可外接信号发生器、示波器以对细节进行测试。输出指令组件的整个测试程序可以通过该测试平台自动实现，通过开关来控制测试程序的中断。输出指令组件测试平台工作原理如图3所示。

3.2 信号采集

无外部补偿和超前偏置时，测试K指令比例放大系数对Ω1、Ω2信号的影响。

给组件供±12V电源及接地。按第2节给出的条件加入Ωf2信号和基准信号。Φрам1、Φрам2、Φ1Г、Φ2Г四路信号接地，CM、α*脚接12V电压。初始状态时为K2状态，测试平台采集Ω1、Ω2幅值波形图，如图4所示。

将3脚接27V电压，此时为K1状态，测试平台采集Ω1、Ω2幅值波形图，如图5所示。

将4脚接27V电压，此时为K3状态，测试平台采集Ω1、Ω2幅值波形图，如图6所示。

将7脚接27V电压，此时为K4状态，测试平台采集Ω1、Ω2幅值波形图，如图7所示。

通过上述信号采集可以看出四种状态下两个通道的波形与幅值。通过对故障组件的信号采集，故障情况可以分为以下几种类型：四种状态下两个通道故障，即K1、K2、K3、K4 状态下Ω1、Ω2通道信号波形或幅值故障；四种状态下某一通道故障，即K1、K2、K3、K4 状态下Ω1通道信号波形或幅值故障，K1、K2、K3、K4 状态下Ω2通道信号波形或幅值故障；某一状态下两个通道故障，即K1（K2、K3、K4）状态下Ω1、Ω2通道信号波形或幅值故障。

4 故障情况

4.1 故障树

通过对影响导弹输出指令组件传递函数Ω信号不合格的相关因素进行分析，建立导弹传递函数Ω测试不合格故障树，如图8所示。

根据故障树分析可知，导弹传递函数Ω信号三种故障模式所对应的不合格因素有输出指令组件电路故障和输出指令组件输入信号故障两大因素，其中，电路故障可能为补偿电路故障、限幅放大电路故障、解调电路故障、滤波电路故障。

4.2 故障分析

对于四种状态下两个通道故障，主要故障因素为补偿电路故障、限幅放大电路故障、输入信号故障。补偿电路主要是Φ角补偿电路与框架角Φрам补偿，在各种角度下保持视线角速度的真实和稳定，电路中三角波发生器、模拟开关、电阻故障率较高；另外补偿电路中涉及三路信号（角速度信号Ωf2、陀螺轉子与定子间夹角Фвн、平台框架的偏转角信号Фрам1、Фрам2）输入，所以四种状态下两个通道故障与角速度信号Ωf2、陀螺转子与定子间夹角Фвн、平台框架的偏转角信号Фрам1、Фрам2有关。又由于极坐标形式的角速度信号Ωf2由陀螺旋转组件提供给输出指令组件，陀螺转子与定子间夹角Фвн由陀螺位置与定子轴之间的误差角产生，平台框架的偏转角信号Φрам1、Φрам2由位标器框架偏转生成，所以四种状态下两个通道故障也与位标器框架、位标器陀螺、位标器线包和陀螺旋转组件有关。限幅放大电路是按照不同的比例系数K（K1、K2、K3、K4）进行放大，先放大后缩小，比例值不同。该电路中运算放大器、模拟开关故障率较高。

四种状态下某一通道故障的相关因素为解调电路故障和滤波电路故障，解调电路是将极坐标形式视线角速度信号解调成直角坐标形式的视线角速度信号，该电路中运算放大器、模拟开关故障率较高。另外，解调电路有基准信号输入，所以基准信号对四种状态下某一通道故障存在影响。基准信号由陀螺旋转组件产生，如果陀螺旋转组件故障，会影响基准信号的生成，对导弹传递函数视线角速度Ω也存在影响。滤波电路主要是滤除高频分量，该电路中电容、运算放大器、电容故障率较高。

某一状态下两个通道故障相关因素为限幅放大电路故障，针对具体某一状态，排查与之对应的模拟开关、运算放大器。

5 故障排除

该型导弹某一故障表现为K2指令下Ω2通道信号波形不合格，K1指令下Ω2通道信号波形不合格，K3指令下Ω2通道信号波形不合格，K4指令下Ω2通道信号波形不合格。从上述参数定义可以看出，各指令下Ω2信号输出波形不合格，即四种状态下某一通道故障。该故障的相关因素为解调电路故障和滤波电路故障，或者基准信号故障。

对基准信号（Фон1、Фон2）进行排查，测得Фон1、Фон2信号是峰峰值为20V、频率为100Hz的方波信号，基准信号（Фон1、Фон2）合格。对解调电路进行排查，在Ω2信号输出波形测试条件下，使用示波器测量解调电路中运放1N16的输入端（见图9），4脚输入端输入波形合格，6脚输入波形不合格；测量图号为1S2A的模拟开关的1脚输出端， 1脚波形不合格。由此可以判断，1S2A模拟开关故障，使得Ω2信号输出波形测试不合格。更换模拟开关1S2A后，输出指令组件测试合格，导引头测试合格。

6 结束语

以某型导弹导引头输出指令组件传递函数Ω参数故障为研究对象，设计了输出指令组件自动测试平台，通过对相关信号采集及理论分析，对导引头输出指令组件传递函数Ω参数影响因素进行逐一研究，并建立了故障树，最终实现故障定位。通过文中的研究方法，解决了该型产品的修理瓶颈，提高了该型导弹导引头输出指令组件的排故效率，节约了修理成本。