机载电子设备故障模式及预防排除研究

朱庆彪

摘要：以“更贴近实战”为基本出发点，结合典型数据，详细分析了机载电子设备的主要故障模式，并结合修理经验制定了相应的技术措施。

关键词：机载电子设备；故障模式；预防和排除

Keywords：airborne electronic equipment；fault mode；prevention and elimination

为准确把握当前机载电子设备的作战使用要求，摸清产品损伤和故障的变化规律，及时完善产品修理的符合性、可靠性，充分发挥修理经验优势，本文研究分析了当前机载电子设备的主要故障模式，制定了相应的预防排除措施，以保证机载电子设备的可靠性满足高强度的作训使用要求。

1 当前机载电子设备的使用环境

当前实战化、大机动、高过载的载机环境更加贴近实战需求，机载电子设备的使用强度大幅提升，主要体现为三个方面。一是部队为迅速提升作战能力，飞机的飞行日天数以及当日的飞行批次同步增多，总飞行小时大幅增加，导致机载电子设备的持续工作时间更长；二是对武器装备的充分使用，空中大角度变向、急速爬升、横滚等大过载机动逐渐增多，飞行员及装备所承受的过载系数明显变大，使机载电子设备的工作环境更加恶劣；三是坚持以战为本，注重机载电子设备作战性能的发挥，各项训练的侧重点朝着作战实用逐步深入，对机载电子设备的操作使用更加频繁，这导致存在更多不确定因素，包括未知的故障、缺陷等，可能影响任务达成甚至飞行安全。

2 机载电子设备主要故障模式

为深入研究机载电子设备的故障模式，结合载机使用环境，以某型飞机机载电子设备为研究样本，选取发射单元、天线座、正前方控制板和低功率射频单元等4项当前故障率较高的产品作为典型代表。经统计，所选取的4项典型产品近年来外场故障总数呈显著递增趋势。

2.1 随时间加速损耗所致的电子电路故障

1）故障对象

故障对象是机载电子设备中的功率类电子元器件，如发射单元中行波管类的微波器件、低功率射频单元中电源模块类的电路板件以及显示类产品中背光灯管类的光源器件等。

2）故障失效分析

计算电子元器件的可靠性指从开始运行（t=0）到某时刻t的一段时间内能正常运行的概率，用R（t）表示。失效率指单位时间内失效的元件数与元件总数的比例，以λ表示，e是常数2.71828182846，当λ为常数时，可靠性与失效率的关系为：

R（t）=e-λt

两次故障之间系统能正常工作的时间的平均值称为平均无故障时间（MTBF）。

统计表明，电子元器件的故障失效模型表现为类浴盆曲线（见图1），其失效率随时间的变化大致分为三个阶段：第一阶段是早期失效期，表明产品在刚开始使用时失效率很高，但随着产品工作时间的增加失效率迅速降低，这一阶段失效的原因多由设计、原材料和制造过程中的缺陷造成；第二阶段是偶然失效期，也称随机失效期，特点是失效率不高且较稳定，偶然失效一般由质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素引起；第三阶段是耗损失效期，该阶段的失效率随时间的延长而急速增加，失效原因包括磨损、疲劳、老化和耗损等。

3）故障机理

随着机载电子设备工作时间的增加，内部电子元器件使用寿命（A点→B点）损耗加大，快速老化，提前进入第三阶段耗损失效期，且失效率迅速上升并超过规定值，导致机载电子设备性能持续下降，使用寿命大幅缩短，直至产品故障失效。

4）易故障产品

发射单元是决定脉冲雷达探测性能好坏的典型产品，故障率高，主要故障器件为行波管。随着行波管工作小时的增加，功率输出将逐步降低或直接故障而无功率输出，导致雷达性能快速劣化或失效报故。

低功率射頻单元是机载电子设备中典型的模块化电路产品，内含大量的电子元器件，如半导体器件、电容、电阻、继电器等，是目前电抗系统中故障率最高的产品，主要故障部位为内部电源模块。随着工作时间的延长，内部电源模块的各类电子元器件会加速老化或失效，导致产品故障率持续上升。

2.2 由大机动振动冲击所导致的连接件故障

1）故障对象

故障对象是机载电子设备中带有接口导通功能的连接器件，如发射单元液冷接头类的管路连接器件，以及天线座中电缆、插头类的电连接器件等。

2）振动疲劳分析

3）故障机理

大机动飞行中，更大的飞行过载会产生更强的振动（RMS值更高），所产生的应力系数也更大，导致连接件的疲劳强度更容易遭到破坏，出现松动、断裂、破损、短路等功能失效现象。该故障是当前外场的高发故障，且不易发现，影响对产品整体性能的判断及故障定位。

4）易故障产品

天线座是典型的机电类产品，结构较为复杂，外场发生的故障中电缆故障占比最高，有时在空中也会出现因天线响应不及时而丢目标的现象。飞行过载的加大对机载电子设备连接件的功能损伤影响很大，原因是大机动飞行中所产生的高强度振动冲击，需要引起高度重视。

2.3 因操作使用率变高所导致的机械结构件故障

1）故障对象

故障对象是机载电子设备中带有机械运作特性的结构组件，如正前方控制板中按键、旋钮类的控制器件以及天线中齿轮、电机类的传动组件等。

2）机械磨损分析

一是针对齿轮类零件的机械磨损，磨损量与时间的典型线性关系曲线如图2所示，分为三个阶段：第一阶段是磨合阶段，出现在齿轮刚开始工作的时期，齿轮表面材料的磨损量随着时间的变长慢慢达到一个稳定值；第二阶段是稳定磨损阶段，为齿轮的正常工作阶段，这个阶段的磨损量变化较小；第三阶段为急剧磨损阶段，为齿轮工作的后期，齿轮的材料磨损量随着时间变化迅速升高，工作环境迅速恶化，直至故障失效。

二是针对按键、旋钮类零件的可靠性，一般在出厂时就设定了使用寿命（如按键次数可达百万次以上等），但除了正常的受力磨损外，内部的机械结构存在着材料氧化、弹簧失效等因素，随着使用次数/年限的增加以及外部环境的变化，随时可能导致故障发生，属于正常易耗品。

3）故障机理

全面的飞行训练使飞行员对机载电子设备的操控更频繁。例如，雷达开机次数增多，天线的扫描作用致其传动齿轮不断产生机械磨损，同时颗粒物的逐渐进入也将加剧磨损，直至出现损坏、异常现象。另外，按键、按钮的人为使用频率增加也加速了这类器件的结构损坏。

4）易故障产品

正前方控制板是机载电子设备中典型的座舱件之一，具备显示、按键、旋钮等功能，其故障多为内部模块故障，但按键故障也时有发生，如弹簧机械性能失效导致按键卡滞等。简单控制类器件的故障随着训练强度的加大而逐渐增加，齿轮類机件虽存在稳定磨损阶段，但随着使用量的增大，一旦跨过此阶段将产生急剧磨损，直接影响正常工作。这类故障将是今后机载电子设备中的不稳定故障之一，需要采取必要的检查措施，加强控制。

3 预防排除研究

针对当前机载电子设备的主要故障模式，研究制定相应的预防排除措施。

1）深化对电子元器件的预防性检查

强化深修精修理念，重点分析机载电子设备所涉及各类电子元器件的失效机理，掌握易失效电子元器件的失效时间以及失效环境，按照对产品的性能影响，形成失效等级，作为各产品的寿命件控制。在产品修理中，加强对微波器件的老炼措施，结合实际的外场使用环境，有针对性地对长时间工作易失效的电子元器件进行预防性更换以及“三防”处理，保证产品工作性能稳定。

2）加强对连接器件的检查与更换

充分重视机载电子设备各型连接器件因长时间振动产生松动、断裂、破损、短路等现象，及时采取应对措施，这些现象在修理中容易被忽视，但却是导致整机故障的直接因素。在修理中，对线缆、插头等电连接器件，除了要检查通断、绝缘屏蔽等电性能外，还要针对插针、插头等接口连接处加强磨损、弯曲、卡滞等影响连接性的物理检查，并规定正确的安装、紧固方法，及时发现并更换异常或损坏的电连接器件；对液冷管、导管等管路连接器件，加强对物理损伤的预防性检测，确保产品工作安全可靠。

3）强化对机械结构件的修理管控

修理中对按键、旋钮等控制器件加强旋转、拨动、按压等导通/复位功能检查，及时发现并更换内部弹簧、开关等易失效器件；对齿轮、电机等传动组件，加强机械磨损及传动流畅性检查，及时调整磨合或更换损坏器件，防止故障的进一步发生。

4）提高现行环境试验的真实作用效果

为更加贴近实际，降低环境因素影响，有效判定机载电子设备可靠性，除及时更新现行环境试验各项参数外，可同时进行部分高低温与振动试验，并针对产品故障增加高空低气压、湿热环境的模拟试验，以保证产品可靠性。

4 总结

本文对典型产品的外场故障进行系统研究，分析了当前主要故障模式，并结合自身修理经验制定了符合实际需求的预防保障技术措施。由于机载电子设备的故障存在诸多未知因素，还需要通过长时间的探索进一步深入研究探讨。

参考文献

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