失速保护系统迎角零向跳变研究

张兆亮，吴 讯，傅璟裔，刘艳涛

上海飞机设计研究院航电部，上海 201210

0 引言

飞机机动迎角过大或遇到紊流的情况下，流过机翼表面的气流出现分离，导致飞机出现失速现象，严重失速将导致机毁人亡。为满足飞机适航要求，必须对飞机进行失速保护。失速保护系统必须工作正常，才能对飞机提供有效保护，如果失速保护系统出现故障，如迎角传感器故障，可能导致系统丧失失速保护作用，进而对飞机产生不利的影响。本文对某型飞机失速保护系统的迎角零向跳变故障进行了研究，利用故障树分析了故障原因。

1 迎角零向跳变现象及影响

某型飞机采用左右对称的失速保护系统配置对飞机提供失速保护。在失速保护系统研发试飞中，发现在大迎角情况下，右侧局部迎角接近失速迎角阈值时，右侧局部迎角出现零向跳变。

飞机迎角达到失速告警迎角后，继续增大并达到失速迎角时，失速保护系统将产生推杆指令给推杆保护装置，使飞机低头增速，从而改出失速状态。在两侧失速保护系统均发出推杆信号后，推杆保护装置才能驱动驾驶杆使飞机低头。如果迎角零向跳变出现在两侧均产生推杆信号的过程中，则推杆告警信号将中断，导致推杆保护装置暂停工作，飞机迎角有可能继续增大，极端情况下，飞机将进入深失速。

2 迎角跳变故障分析与定位

失速保护计算机将迎角传感器原始角度输出，经过滤波修正等计算后得到局部迎角，再通过校线转换得到机身迎角。迎角传感器出现硬件故障或失速保护计算机软件存在缺陷均有可能导致失速保护系统迎角出现跳变，在对失速保护系统硬件和软件深入分析后，建立简化故障树图，如图1 所示。

图1 迎角跳零故障树简图

根据故障树简图，通过排除法对迎角跳变故障进行以下定性分析：

1）飞机机动

飞行迎角随着飞机机动情况而变化，剧烈的机动使得采集迎角出现相应剧烈变化。根据图1 分析，迎角出现跳变时，飞机的侧向加速度和法向加速度比较平稳，没有瞬间剧烈的机动动作。飞行过程中，飞行迎角变化是一个连续渐变的过程，但图1 中迎角跳变比较突然，不符合正常飞行时迎角变化规律，可以排除飞机机动引起的迎角传感器跳变。

2）迎角传感器硬件故障

迎角传感器风标测量部分出现机械故障，如电位计接触不可靠，或迎角信号数字采集接口存在虚焊等硬件故障，均有可能引起迎角信号不稳定，出现跳变现象。经分析，迎角传感器硬件故障可归为设备故障，当更换新的迎角传感器后，故障应该消失；但对风标传感器更换后，通过转动风标模拟飞行试验时，故障依然存在，因此迎角传感器存在硬件故障的可能性被排除。

3）迎角数据处理缺陷

根据试验数据分析，局部迎角存在迎角零向跳变现象，但转换得到的机身迎角并没有相应的跳变。可以判断得到：原始迎角信号从采集前端传输到迎角数据处理模块之间一直是正常的，至此排除数据处理模块存在软件缺陷的可能性。

4）输出接口程序缺陷

失速保护系统输出接口程序包含三个通道的数据传输：SPC-1、Cross Side 和SPC-2 通道。SPC-1 通道用于将局部迎角、机身迎角和失速告警等数据输出给机上系统；Cross Side实现左右两套失速保护系统之间的数据传输备份，提高系统安全性；SPC-2 通道主要输出失速推杆信号给推杆保护装置。由迎角零向跳变均在局部迎角快接近失速迎角才出现的试验分析结果，可以判定失速保护计算机输出接口程序存在一定的缺陷，如接口程序在处理3 个通道的数据传输请求时可能发生了时序紊乱，从而导致了迎角跳变故障的发生。

3 迎角零向跳变机理

ARINC 429 通信总线标准具有很强的抗干扰能力、数据传输效率高等优点，在民用飞机和军机中得到了广泛应用。

为了提高资源利用率，输出接口程序通过共享4 个8 bit 寄存器来处理3 个通道数据输出请求。当处理SPC-1 和Cross Side 两个通道数据传输请求时，采用软件定时方法实现；为了给飞机提供实时失速保护功能，接口处理程序采用硬件定时中断来处理SPC-2 通道数据传输请求。当飞机迎角接近失速保护迎角时，SPC-2 通道激活，并启动硬件定时器每10ms 发送一次数据。研究发现，当出现迎角零向跳变现象时，接口处理程序在响应硬件定时器中断请求，正在将SPC-2 通道待发送数据写入共享寄存器。当写入完成并启动ARINC 429 发送模块将数据传输至429 输出总线后，输出接口处理程序继续响应SPC-1 或Cross Side 通道被定时器中断打断前未执行完的数据发送请求，但此时共享寄存器中的数据已经发生变化，SPC-1 或Cross Side 通道之前写入到寄存器中的数据被SPC-2通道数据覆盖，数据完整性丢失，从而导致SPC-1 或Cross Side 通道局部迎角发生零向跳变。

4 解决方案

在准确捕捉迎角零向跳变机理的基础上，本文提出了一种基于响应优先的故障解决方案，即当接口处理程序在响应SPC-1 或Cross Side 通道请求前，关闭硬件定时器中断，响应完SPC-1或Cross Side通道请求后，再打开硬件定时器中断。经实验室测试，以及实际试飞验证，本文提出的解决方案是切实可靠的。

5 结论

本文针对某机型失速保护系统研发工程实践中出现的迎角输出跳变故障，建立了故障树；依据故障树，采用排除法，定位故障原因，并捕捉故障点；进而提出了一种基于响应优先权的故障解决方案。系统测试和研发试飞结果表明该方案正确可行。本文提出的基于故障树的故障定位及捕捉方法在工程实践中具有一定的参考价值。

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