改装电气设计中的可靠性研究

张 焰 李 霞

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

1 保证改装电气设计中可靠性的重要性

改装电气设计的可靠性直接关系到改装加装系统和试验机相关系统的工作性能，主要包括下列方面：关系到被改装试验飞机相关系统的工作安全；关系到改装加装系统工作的性能稳定；关系到改装加装系统的抗干扰能力；关系到改装加装系统设备工作的工作安全。

2 改装电气设计中常见可靠性问题及其原因

2.1 改装电气设计中缺少相关试验验证的问题

改装加装系统的电源配置及操控在设计过程中缺少地面通电验证和原理模拟检验，仅在飞机改装实施后通过全系统通电进行一次性检验，导致较复杂系统装机后常出现控制逻辑不满足系统设计需求的现象。

2.2 抽引被试系统电信号中的问题

通过直接并线或转接等方式抽引飞机系统的各类电信号，由于设计中保护隔离措施设计不到位，常造成对飞机原系统正常功能的干扰，并影响发生故障时的隔离判断。

2.3 设计制图中的标识差错问题

由于计算机制图中屏幕尺寸和制图方式的限制，设计中系统接线频繁出现连接关系标识差错（大型改装的设计量大，其设计中出现标识差错的数量更多）。

2.4 改装加装系统的各类电气接地设计问题

承载强信号、弱信号、电源信号的电气线路，或承载交、直流信号的电气线路，或承载高频、低频信号等电气线路中的信号地线和屏蔽地线，以及设备的电源地线和机械地线等常出现混乱接地的现象，影响系统的总体电磁兼容性能。

2.5 改装电气设计中的元器件选型问题

由于对加装设备的电气特性分析不全面等原因，导致设计中常出现控制保护器件、电气接插件和导线等材料的选型差错，使改装系统电源线路的载流量、压降等性能不符合设备工作要求或大量无谓增加改装成本。

3 提高改装电气设计可靠性的方法和途径

3.1 规范改装加装系统的引、配电设计

提高改装加装系统配电控制盒等改装自制控制盒及其相关线路的首次通电检验合格率。为此，规范化的设计步骤可归纳为：

第1步 全面分析加装设备的用电需求。

包括：设备使用电压的上、下门限值，设备的额定工作电流、最大冲击电流，以及耐受电源转换的时间等指标。

第2步 全面了解和分析飞机电源系统的特性指标。

包括：分析正常状态和应急状态（单台发电机故障或全机断电等）情况下的飞机剩余电功率、各飞机配电盘的工作条件、被改装飞机电源系统的电源种类、飞机电源系统在应急状态下的不同转换处理方式等。

第3步 根据分析结果选择加装系统的引、配电设计方案。

其中，针对较复杂引、配电控制系统的设计应绘制原理图，并在原理图设计阶段进行必要的模拟推演，检验设计系统的控制逻辑和各项指标是否满足技术要求。

第4步 通电进行功能检测。

条件许可的情况下，在地面进行设计系统中配电控制盒等改装自制控制盒的装机前地面通电检测，验证系统的各项功能满足设计要求。

3.2 规范抽引信号的设计

防止信号抽引干扰飞机系统正常工作，提高信号抽引施工的合格率。其具体的设计步骤可归纳为：

第1步 具体分析抽引信号的特性。

明确抽引信号与飞机系统间的接口关系、信号的电气定义、具体接线形式等，并与设计、制造方以书面方式将信号特性确定下来，避免测试系统与飞机系统间在原理上出现匹配问题。

需要了解的信号特性主要有：

电压特性：28VDC、5VDC、10VDC、15VDC、115V/400HzAC等；

功率特性：大功率电源类、小功率信号类、电源相关类等；

频率特性：以50kHz为界分为高频信号和低频信号。

第2步 具体分析抽引信号的相关飞机系统电路，确定最优抽引方式。

在最终确定抽引方式时应以“简单，合理，易于施工，便于维护检查”为原则。具体要求有：

选择适合的施工部位

应首选在开敞性良好，且易于施工、维护和检查的部位进行具体的信号抽引施工。

选择适合的施工方式

可供选择的顺序为：在飞机设计制造厂所预留的测试接口处抽引 → 转接方式抽引 → 端子方式并线抽引 → 压接死结头方式并线抽引 → 焊接方式并线抽引。

注意：当选择使用在飞机线路上采用并线方式抽引信号时，应在距离抽引部位20 cm～50 cm距离内设置快卸插头座，以便实现抽引信号相关测试线路与飞机系统的隔离，便于在发生干扰时进行改装线路的隔离检查和故障判断。

第3步 为电源系统相关信号的抽引选择加装保护隔离装置。

电源电压信号应注意在距离抽引部位20 cm范围内（可根据实际情况适当调整）加装保险装置。

电源电流信号当采用串联分流器方式抽引时，应注意首选在设备的电源负线上加装分流器（图1）。若必须在设备的电源正线上加装分流器，则必须注意在分流器信号线的两端同时加装保险丝，并同时对分流器加装机械保护罩（图2）。

图1 负端加装分流器接线图

图2 正端加装分流器接线图

3.3 使用新设计方法

在设计过程中，通过建立标准化制图流程和元器件图库，使用新的设计方法和设计软件，以及加强设计后的校对工作等，可有效减少设计中的接线错误，提高设计效率，增加系统设计的可靠性。

对以往改装电气图纸中出现接线错误的原因进行统计分析后发现，95%以上的接线错误为导线两端的线号标识错误，发生错误的主要原因为使用计算机制图的过程中在导线的两端分别使用简单的“复制→粘贴→修改”方式进行标注，此种方法极易产生人为差错，在“修改”的过程中容易因遗忘、疏忽发生标识编写错误，随着图纸设计量的增大，此类错误的绝对数量也随之增加。

当前避免此类差错的办法主要有以下几个。3.3.1 改进现有设计方法

在计算机制图的过程中，在导线的一端使用简单的“复制→粘贴→修改”方式进行标注，而另一端仅使用“复制→粘贴”方式进行标注，使得设计中可直接对已完成标注的导线起始端编号进行校对，保证了导线终止端与起始端标注的一致性，从技术上减少发生标识编写错误的几率；

3.3.2 加强校对工作

加强图纸设计者自身的校对和专人校对工作，从设计人员方面减少设计中的标注差错。

3.3.3 采用新技术

将来可采用新的电气图设计软件（如CHI制图软件等），对图中的导线、电气元件等按照预先设定好的标注规则自动进行标注，避免人为标注差错的发生。

3.4 规范设计中的元器选型

规范设计中的导线和电气接插件等材料的选型，防止出现电气接插件和导线等选型差错。

3.4.1 设计中的导线选型

在设计过程中基于飞机改装的特殊性，如：飞机上的施工空间相对狭小，对使用材料的重量要求严格，环境温度、压力变化剧烈，油污严重，电磁环境复杂等，因此飞机改装中大量选择使用耐磨、耐高温、耐航空油料、导电性能好、柔韧性好的航空特种高温镀银导线。

为避免导线的选型差错，设计时应根据加装设备的用电需求和使用环境仔细加以选择。规范的导线选型步骤如下：

第1步 统计用电设备的额定工作电流和最大起动电流；

第2步 分析用电设备的最低/最高门限电压和电源的额定电压；

第3步 分析改装电缆的长度和敷设路径中的环境条件（包括：温度、高度和集束密度等）；

第4步 分析传输信号的特性，如：电压、电流、频率、功率等；

根据上述分析结果，按照HB 5795《航空导线载流量》的相关规定或相关航空导线产品的载流量图表选择导线。

通常情况下，除配电盒等控制盒内部连线、导线的屏蔽连线和屏蔽接地连线可使用普通高温导线外，其它所有改装使用电缆均应使用高温屏蔽导线，以最大限度地防止电磁兼容问题的发生。

在改装中某些情况下还用到要其它类型的专用导线，其选型和使用的注意事项如下：

在连接K型热电偶传感器的导线设计中，应选用专用航空高温镍铬-镍硅型补偿导线，且设计中应注意保持该型导线的连续；

在传输1553B总线和453总线信号的线路设计中，应选用专用航空高温1553B总线，且注意该总线分为总线（白色）和子线（蓝白色）两种，设计时，应根据信号的具体抽引部位仔细选择；

在传输模拟视频信号和部分时间信号的线路设计中，应选用专用同轴电缆，该电缆分为75Ω和50Ω两大类，其导线外径从1.5mm到11mm又分为10多种规格，设计时，可根据传输信号的阻抗特性、传输距离和信号衰减量等因素具体选择；

在传输环境振动传感器（如：7240C型振动传感器）信号的线路设计中，应选用专用低噪声电缆，该电缆分为耐高温型和普通型两种，在设计中应根据导线的应用环境具体选择。

3.4.2 规范设计中电气接插件和控制保护器件等器件的选型，确保改装选用器件的电气指标满足改装系统的设计需求。

选择的电气接插件和控制保护器件等器件是否合适直接影响设计系统工作的稳定可靠，选型的关键在于其工作时间、电压、电流和频率与设计系统负载间的匹配。其具体设计步骤包括：

第1步 确定工作电流。

选用器件的工作电流主要由其承载的用电设备的电气指标决定。

多数情况为n台设备并联工作，但由于各设备间电气特性的差异，n台设备不会出现最大工作电流同时叠加的现象，因此选用器件的工作电流可由下列公式确定：

当n＝1时，ID＝I1MAX；

当n＞1时，ID＝I1E＋I2E＋……＋I(n-1)E＋MAX（I1MAX，I2MAX，……， InMAX）；

公式中：ID为选用器件的工作电流；I(n-1)E为除拥有最大工作冲击电流设备以外的其它用电设备的额定工作电流；InMAX为n台用电设备中最大的工作冲击电流。

第2步 确定工作电压。

选用器件的工作电压由其承载的用电设备的工作电压决定。

当前的装机设备工作电压主要有28VDC、115V/400HzAC、220V/50HzAC等几种，未来还会出现270VDC的电压，而适用于各种工作电压的控制保护器件和电气接插件等材料的型号不尽相同，因此设计者应仔细根据需要选择。

第3步 分析工作环境。

分析每一条电气线路的工作环境，包括：温度、高度、各个方向的机械载荷及设备工作时间等。

第4步 分析选用器件电气特性。

控制保护器件、电气接插件和导线材料的工作电压、工作电流、工作频率、工作方式和承受过载能力等。

第5步 选择器件。

根据以上结果，结合经济性、防人为差错、可操作性和采购周期等因素，选择适合的元器件。

3.5 严格规范屏蔽的设计

为了使改装电缆的屏蔽能够发挥最大效能，避免导线间通过屏蔽产生耦合干扰，使屏蔽可靠有效的接地，在设计过程中必须谨慎考虑。其设计的基本原则如下：

承载高频信号和低频信号的导线，以及大功率电源线路等的屏蔽应分别接地；

高频信号线（信号频率≥50kHz）应设计为至少两端接地，低频信号线（信号频率＜50kHz）则应保证单端接地，且保证屏蔽连续；

屏蔽的接地点应远离大功率用电设备电源负线的接地区域；

接地点应在便于施工的部位，对于大量使用复合材料的飞机应注意选择合适的金属接地部位。

4 结束语

保证飞机改装电气设计工作的可靠性对科研试飞工作至关重要。当前在改装电气设计工作中存在着诸多可靠性不足的问题，本文对影响改装电气设计可靠性的因素进行了分析，并有针对性地提出了提高改装电气设计工作可靠性的设计规范和原则（此部分内容即将纳入新版的《试验机改装操作细则》），对今后改装电气设计工作具有一定的指导作用。

影响改装电气设计可靠性的因素很多，有设计方法的原因，也有受设计软硬件条件限制的原因，因此要有效提高改装电气设计工作的可靠性，在今后的改装电气设计工作中必须牢固树立“质量优先于进度”的理念，大力引进和开发使用更具智能化的电气设计软件，并立足自身特点，坚持走“有试飞改装特色的标准化、规范化的道路”。