飞机发动机火警电路设计及虚警率计算

肖鹏，呼明亮，于方春，赵君，闫稳

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710119）

1 概述

发动机在工作中因机件严重磨损、燃油泄漏、电气着火等可能出现火警，若不加以控制，不仅会严重损坏发动机，还直接危及飞行安全。因此现代飞机均设置了发动机的火警探测系统，在发动机发生火情时[1]，及时准确的发出火警信号，并可对发动机实施灭火。本文设计了基于气动式火警探测传感器的火警信号探测电路[2～3]，并针对虚警误报分析电路引起虚警的故障模式，计算电路的虚警率。

2 飞机发动机火警探测电路设计

2.1 飞机发动机火警探测电路的设计原理

飞机发动机火警电路系统原理如图1 所示，通过火警信号探测电路采集安装在风扇机匣、燃烧室机匣和发动机吊舱的火警探测传感器输入信号，将调理后的电信号发送给FPGA 进行火警逻辑判断，FPGA 通过局部总线将火警信息发送给CPU，CPU 收到后通过高速数据总线上报给处理机或者显示系统。

图1 火警电路系统组成

火警信号探测电路是采集飞机气动式火警探测传感器的输入电路的电阻来判断传感器安装区域的火警状态，电路设计如图2 所示。

图2 飞机发动机火警信号探测电路

飞机发动机火警探测电路由三部分组成：

(1)惠斯通电阻桥电路

选择电阻R2 与R3 阻值相同，使得R3 对地的电压为5V，选择适当的R1，根据火警传感器的输出，使火警时伙计探测传感器的分压小于1V，正常时大于9V。

(2)仪表运算放大器

仪表运算放大器将惠斯通电阻桥电路中R3 对地电路和火警传感器对地电压两端电压差分采集，发动机火警传感器正常时，仪表运算放大器输出电压大于4V；发动机火警传感器检测到火情时，仪表运算放大器输出电压小于-4V。

(3)迟滞比较电路

两路迟滞比较电路，通过配置迟滞环电阻配置合理的迟滞门限值。比较器的供电时±15V 双端供电，则比较器的输出状态有两种：开路，-14.7V。为了将比较器的输出直接给FPGA 采集，将开路上拉到3.3V，通过二极管输出限制到DGND，防止负电压对后端FPGA 造成损坏。

2.2 电路仿真

使用Multisim12.0 电路仿真工具，搭建发动机火警探测电路仿真模型，如图3 所示。

图3 发动机火警探测电路仿真模型

已知火警传感器的特性为火警时阻值不大于100Ω（±25Ω）（不含电缆阻值），正常时阻值不小于100kΩ（±25kΩ）。在惠斯通电阻桥中选取R1=10kΩ,则发动机无火情时运算放大器输出电压大于4.1V，当有火情时运算放大器的输出小于-4.97V。为保证能准确上报火警，配置迟滞环电阻时优先保证上报火警门限。配置第一路迟滞比较器的高门限值为4.2V，配置第二路迟滞比较器的门限值为-4.97V。

第一路仿真结果如图4 所示，仿真结果显示比较器的高门限值为4.227V，低门限值为-3.933V。

图4 发动机火警探测电路仿真图1

第二路仿真结果如图5 所示，仿真结果显示比较器高门限值为4.131V，低门限值为-4.985V。

图5 发动机火警探测电路仿真图2

两路迟滞比较电路FPGA 端输入仿真结果分别为图6、图7 所示。

图6 发动机火警探测电路仿真图3

图7 发动机火警探测电路仿真图4

2.3 发动机火警判断逻辑

FPGA 采集两路迟滞比较器的输出进行逻辑判断，将判断结果上报给上位机处理。发动机火警FPGA 逻辑断真值表如表1 所示。

表1 火警上报判断逻辑

2.4 双余度火警电路

双余度火警电路系统组成如图8 所示。

图8 双余度火警电路系统示意框图

通道1 和通道2 火警传感器靠近布局，A 电路或者A'电路采集到火警信号时，B 和B'均会采集到火警信号，因此1 通道或者2 通道任意通道正常均可正常上报火警。

2.4.1 无法正常上报火警的情况分析

基于单余度火警电路系统，双余度火警电路系统无法正常上报火警的情况如表2 所示。

2.4.2 火警虚警分析

飞机发动机火警探测电路时机电系统一个重要的电路组成部分，用以采集外部火警探测传感器的信号，就电路功能而言，主要存在两种故障模式：“实警不报”和“虚警误报”。

“实警不报”即发动机舱段实际已发生火警，但由于系统故障，不能及时准确向飞行员报警，导致飞机和人员受到安全威胁，乃至空难。

“虚警误报”即发动机舱实际未发生火警，但由于系统故障，向飞行员报告虚假火警信号，飞行员按照应急处置程序处理火警，飞机返航、备降。这种故障模式影响飞机的正常营运或任务完成。如果机组人员虚警处置不当，可能诱发飞行事故链，增加恶性飞行事故发生的可能性。

2.4.3 引起虚警的故障模式分析

火警探测电路上报火警的原理是采集到探测传感器的电阻为不大于100Ω 的电阻，此时输入仪表运算放大器正端输入的电压接近0.1V，则仪表运算放大器的输出电压为接近-4.9V 的电压，此时两路迟滞比较电路输出FLAG1、FLAG2 均为高电平。

从火警电路报警的机理分析，造成火警电路虚警的情况有以下几种：

(1)航插针搭接短路。连接火警探测传感器两端输入的航插针PIN1 和PIN2 如果短路会造成电路采集到火警传感器分压为0V。

(2)航插针接地。航插针PIN1 接地与短路的机理相同。

(3)电阻R3 断路。电阻R3 断路，输入仪表运算放大器负端的电压为10V，会导致火警探测传感器分压小于5V 时就上报火警。

(4)电阻R7 和R5 断路或电阻R4 和R6 短路。这两种情况都是将迟滞比较电路变为了门限值为5V 的单门限比较电路，只有仪表运算放大器的输出大于5V 时比较器输出-14.7V，而仪表运算放大器的电压输出范围为-5～5V，故在此使情况下仪表运算放大器输出电压小于5V 时，都会报火警。

(5)运放仪表运算放大器故障，输出小于-5V 的电压。

(6)比较器故障，输出开路。开路状态被上拉到3.3V，FPGA 采集到高电平，上报火警。

(7)焊盘虚焊，造成比较器或FPGA 虚焊，导致比较器输出开路或FPGA 输出的数据不正确，导致CPU 接收到虚假的火警信息。

(8)FPGA 故障，可能导致CPU 采集到逻辑信号为火警信号。

3 火警探测电路虚警率计算

3.1 各故障模式失效率计算

各故障模式失效率计算是按照GJB/Z-299C(电子设备可靠性预计手册)中对应的失效模型计算。

3.1.1 航插针搭接短路或航插针接地

航插针搭接或者接地，都归结为连接器失效，失效模型如下：

式中：pλ：工作失效率，610-/h；bλ：基本失效率，10-6/h，查表取值0.0303；πE：环境系数，查表取值8.4；AUF 战斗机无人舱；πQ：质量系数，查表取值0.4；πp：接触件系数，查表取值5.60；πK：拔插系数，查表取值1.0；πC：插孔结构系数，查表取值0.3。

计算得到：

3.1.2 电阻R3 断路

电阻器为金属膜电阻，电阻失效模型：

式中：pλ：工作失效率，610-/h；bλ：基本失效率，10-6/h，取值0.007；πE：环境系数，查表取值11.5；πQ：质量系数，查表取值0.3；πR：阻值系统，查表取值1.0。

计算得到：λp2= 0.007 × 1 1.5 × 0.3 × 1.0 = 0.02415 ×10-6/h

3.1.3 电阻R7 和R5 断路或R4 和R6 短路

电阻器为金属膜电阻，电阻失效模型：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；λb：基本失效率，10-6/h，取值0.007；πE：环境系数，查表取值11.5；Qπ：质量系数，查表取值0.3；Rπ：阻值系统，查表取值1.0。

R7 和R5 断路属于并联失效模型，R4 和R6 短路也属于并联失效模型，但这两种状况又属于串联失效模型。

计算得到：λp3=λp2×λp2+λp2×λp2=0.00116645 ×10-6/h

3.1.4 仪表运算放大器故障

仪表运算放大器故障失效模型按照单片模拟集成电路，失效模型如下：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；πQ：质量系数，查表取值0.08；Tπ：温度应力系数，计算查表取值1.16；Vπ：电压应力系数查表取值1.12；Eπ：环境应力系数取值20；Lπ：成熟度系数取值1.0；1C及C2：电路复杂度失效率，查表分别取值0.4272，0.0406；C3：封装复杂度失效率，查表取值0.0224。

计算失效率：

3.1.5 比较器故障

比较器失效率按照单片模拟集成电路的失效率计算，失效模型如下：

式中：Qπ：质量系数，查表取值0.08；Tπ：温度应力系数，计算查表取值1.33；Vπ：电压应力系数查表取值1.12；Eπ：环境应力系数取值20；Lπ：成熟度系数取值1.0；1C及C2：电路复杂度失效率，查表分别取值0.6083，0.0544；3C：封装复杂度失效率，查表取值0.0623。

计算失效率：

虚报火警时两个比较器必须同时故障，故两路比较器故障为电路故障的并联模式，故：

3.1.6 焊盘焊点故障

焊盘焊点的失效模型如下：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；λb：基本失效率，10-6/h，取值0.000070；πQ：质量系数，查表取值0.25；Eπ：环境应力系数取值11。

计算得焊盘焊点失效率：

焊盘焊点失效造成LM139 比较器失效或FPGA 故障属于串联失效模型。故焊盘焊点失效造成的虚警率为：

3.1.7 FPGA 故障

FPGA 失效按照单片双极工艺制作数字电路失效模型计算：

式中：λp：工作失效率，10-6/h；πQ：质量系数，查表取值0.25；SMQ4VLX25FF668 质量等级为A4；Tπ：温度应力系数，计算查表取值1.30；Vπ：电压应力系数查表取值1.0；Eπ：环境应力系数取值20；AUF 战斗机无人舱；Lπ：成熟度系数取值1.0；1C及C2——电路复杂度失效率（与逻辑门数量相关），查表分别取值1.1135，0.0556；3C：封装复杂度失效率，查表取值5.7184。

计算得FPGA 失效率：

FPGA 失效率的计算包含了FPAG 所有逻辑门失效的概率，在实际中对造成虚警的情况的失效率远比 pλ小，因为发动机火警判断逻辑占用的FPGA 资源非常少。在计算取

3.2 探测电路虚警率计算

分析可知，在第3.1 节中的故障情况任一一种发生就会上报虚警，因此各个故障模式为火警探测电路故障的串联模型，故火警探测电路引起虚警的元器件级的失效率为：

假定系统给火警探测电路分配的虚警率为5%，则平均虚警间隔[4]时间为20h，则由电路元器件失效引起的虚警率为：

4 降低火警虚警率的两点措施

通过分析火警探测电路和火警虚警率的计算分析，能够降低火警虚警率的措施有：

（1）硬件电路增加余度设计。余度设计时各个余度之间的故障模式对于火警系统而言属于并联模式，故增加余度设计可以降低虚警的发生概率。

（2）设计严密完善的火警判断逻辑，减少虚假火警和漏报火警的可能性。在余度设计的基础上，FPGA 采集各个独立的通路信号，对采集到的信号进行完善的逻辑判断以确保上报火警的正确性。

5 结束语

本文设计了一种采集气动式火警传感器输出信号的火警探测电路，基于电路分析了造成火警虚警的故障模式，并计算了虚警率，对火警电路设计有和系统虚警率分配具有一定的参考意义。