失速保護(hù)系統(tǒng)迎角零向跳變研究

張兆亮，吳 訊，傅璟裔，劉艷濤

上海飛機(jī)設(shè)計研究院航電部，上海 201210

0 引言

飛機(jī)機(jī)動迎角過大或遇到紊流的情況下，流過機(jī)翼表面的氣流出現(xiàn)分離，導(dǎo)致飛機(jī)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，嚴(yán)重失速將導(dǎo)致機(jī)毀人亡。為滿足飛機(jī)適航要求，必須對飛機(jī)進(jìn)行失速保護(hù)。失速保護(hù)系統(tǒng)必須工作正常，才能對飛機(jī)提供有效保護(hù)，如果失速保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如迎角傳感器故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)喪失失速保護(hù)作用，進(jìn)而對飛機(jī)產(chǎn)生不利的影響。本文對某型飛機(jī)失速保護(hù)系統(tǒng)的迎角零向跳變故障進(jìn)行了研究，利用故障樹分析了故障原因。

1 迎角零向跳變現(xiàn)象及影響

某型飛機(jī)采用左右對稱的失速保護(hù)系統(tǒng)配置對飛機(jī)提供失速保護(hù)。在失速保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)試飛中，發(fā)現(xiàn)在大迎角情況下，右側(cè)局部迎角接近失速迎角閾值時，右側(cè)局部迎角出現(xiàn)零向跳變。

飛機(jī)迎角達(dá)到失速告警迎角后，繼續(xù)增大并達(dá)到失速迎角時，失速保護(hù)系統(tǒng)將產(chǎn)生推桿指令給推桿保護(hù)裝置，使飛機(jī)低頭增速，從而改出失速狀態(tài)。在兩側(cè)失速保護(hù)系統(tǒng)均發(fā)出推桿信號后，推桿保護(hù)裝置才能驅(qū)動駕駛桿使飛機(jī)低頭。如果迎角零向跳變出現(xiàn)在兩側(cè)均產(chǎn)生推桿信號的過程中，則推桿告警信號將中斷，導(dǎo)致推桿保護(hù)裝置暫停工作，飛機(jī)迎角有可能繼續(xù)增大，極端情況下，飛機(jī)將進(jìn)入深失速。

2 迎角跳變故障分析與定位

失速保護(hù)計算機(jī)將迎角傳感器原始角度輸出，經(jīng)過濾波修正等計算后得到局部迎角，再通過校線轉(zhuǎn)換得到機(jī)身迎角。迎角傳感器出現(xiàn)硬件故障或失速保護(hù)計算機(jī)軟件存在缺陷均有可能導(dǎo)致失速保護(hù)系統(tǒng)迎角出現(xiàn)跳變，在對失速保護(hù)系統(tǒng)硬件和軟件深入分析后，建立簡化故障樹圖，如圖1 所示。

圖1 迎角跳零故障樹簡圖

根據(jù)故障樹簡圖，通過排除法對迎角跳變故障進(jìn)行以下定性分析：

1）飛機(jī)機(jī)動

飛行迎角隨著飛機(jī)機(jī)動情況而變化，劇烈的機(jī)動使得采集迎角出現(xiàn)相應(yīng)劇烈變化。根據(jù)圖1 分析，迎角出現(xiàn)跳變時，飛機(jī)的側(cè)向加速度和法向加速度比較平穩(wěn)，沒有瞬間劇烈的機(jī)動動作。飛行過程中，飛行迎角變化是一個連續(xù)漸變的過程，但圖1 中迎角跳變比較突然，不符合正常飛行時迎角變化規(guī)律，可以排除飛機(jī)機(jī)動引起的迎角傳感器跳變。

2）迎角傳感器硬件故障

迎角傳感器風(fēng)標(biāo)測量部分出現(xiàn)機(jī)械故障，如電位計接觸不可靠，或迎角信號數(shù)字采集接口存在虛焊等硬件故障，均有可能引起迎角信號不穩(wěn)定，出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。經(jīng)分析，迎角傳感器硬件故障可歸為設(shè)備故障，當(dāng)更換新的迎角傳感器后，故障應(yīng)該消失；但對風(fēng)標(biāo)傳感器更換后，通過轉(zhuǎn)動風(fēng)標(biāo)模擬飛行試驗時，故障依然存在，因此迎角傳感器存在硬件故障的可能性被排除。

3）迎角數(shù)據(jù)處理缺陷

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，局部迎角存在迎角零向跳變現(xiàn)象，但轉(zhuǎn)換得到的機(jī)身迎角并沒有相應(yīng)的跳變。可以判斷得到：原始迎角信號從采集前端傳輸?shù)接菙?shù)據(jù)處理模塊之間一直是正常的，至此排除數(shù)據(jù)處理模塊存在軟件缺陷的可能性。

4）輸出接口程序缺陷

失速保護(hù)系統(tǒng)輸出接口程序包含三個通道的數(shù)據(jù)傳輸：SPC-1、Cross Side 和SPC-2 通道。SPC-1 通道用于將局部迎角、機(jī)身迎角和失速告警等數(shù)據(jù)輸出給機(jī)上系統(tǒng)；Cross Side實現(xiàn)左右兩套失速保護(hù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸備份，提高系統(tǒng)安全性；SPC-2 通道主要輸出失速推桿信號給推桿保護(hù)裝置。由迎角零向跳變均在局部迎角快接近失速迎角才出現(xiàn)的試驗分析結(jié)果，可以判定失速保護(hù)計算機(jī)輸出接口程序存在一定的缺陷，如接口程序在處理3 個通道的數(shù)據(jù)傳輸請求時可能發(fā)生了時序紊亂，從而導(dǎo)致了迎角跳變故障的發(fā)生。

3 迎角零向跳變機(jī)理

ARINC 429 通信總線標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)點，在民用飛機(jī)和軍機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。

為了提高資源利用率，輸出接口程序通過共享4 個8 bit 寄存器來處理3 個通道數(shù)據(jù)輸出請求。當(dāng)處理SPC-1 和Cross Side 兩個通道數(shù)據(jù)傳輸請求時，采用軟件定時方法實現(xiàn)；為了給飛機(jī)提供實時失速保護(hù)功能，接口處理程序采用硬件定時中斷來處理SPC-2 通道數(shù)據(jù)傳輸請求。當(dāng)飛機(jī)迎角接近失速保護(hù)迎角時，SPC-2 通道激活，并啟動硬件定時器每10ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)迎角零向跳變現(xiàn)象時，接口處理程序在響應(yīng)硬件定時器中斷請求，正在將SPC-2 通道待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入共享寄存器。當(dāng)寫入完成并啟動ARINC 429 發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)傳輸至429 輸出總線后，輸出接口處理程序繼續(xù)響應(yīng)SPC-1 或Cross Side 通道被定時器中斷打斷前未執(zhí)行完的數(shù)據(jù)發(fā)送請求，但此時共享寄存器中的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生變化，SPC-1 或Cross Side 通道之前寫入到寄存器中的數(shù)據(jù)被SPC-2通道數(shù)據(jù)覆蓋，數(shù)據(jù)完整性丟失，從而導(dǎo)致SPC-1 或Cross Side 通道局部迎角發(fā)生零向跳變。

4 解決方案

在準(zhǔn)確捕捉迎角零向跳變機(jī)理的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于響應(yīng)優(yōu)先的故障解決方案，即當(dāng)接口處理程序在響應(yīng)SPC-1 或Cross Side 通道請求前，關(guān)閉硬件定時器中斷，響應(yīng)完SPC-1或Cross Side通道請求后，再打開硬件定時器中斷。經(jīng)實驗室測試，以及實際試飛驗證，本文提出的解決方案是切實可靠的。

5 結(jié)論

本文針對某機(jī)型失速保護(hù)系統(tǒng)研發(fā)工程實踐中出現(xiàn)的迎角輸出跳變故障，建立了故障樹；依據(jù)故障樹，采用排除法，定位故障原因，并捕捉故障點；進(jìn)而提出了一種基于響應(yīng)優(yōu)先權(quán)的故障解決方案。系統(tǒng)測試和研發(fā)試飛結(jié)果表明該方案正確可行。本文提出的基于故障樹的故障定位及捕捉方法在工程實踐中具有一定的參考價值。

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