军用飞机电气线路系统战伤模式与抢修技术

赵汉武，张 涛，郝 明，杨 佳

(空军工程大学航空机务士官学校，河南信阳，464000)

2000年以来，航空产业的蓬勃发展和公众对航空安全的极端关注，使得电气线路及其相关部附件等成为研究热点[1-2]。2007年，美国联邦航空局(FAA)创造性地将飞机上的所有线路及相关部附件等视为一个独立的系统，称之为“电气线路互联系统(EWIS)”[3]，并提出了相关的设计、维护与管理要求。我国民航局也在2011年修订相关适航标准，在适航审查、维护检查等工作中单列了对EWIS系统的要求[4]。

军用飞机上，美军针对电气线路互联系统，也出台了多个指南手册等，如MIL-HDBK-522A《通用线路检查标准》、MIL-HDBK-525《EWIS系统完整性检查大纲》、NAVAIR 01-1A-505-1《飞机电气线路安装及修理手册》等[5-7]。

为提高航空装备维护保障的针对性和有效性，我军也开始引进相关理念并开展研究。近年来空军、海军航空兵部队针对电气线路的相关研究中，逐渐开始使用“电气线路系统”这一术语，所涉及的研究对象基本与民航领域的EWIS一致。海军航空大学肖楚琬[8]、航空工业综合技术研究所何钟武[9]等研究了军机EWIS标准化相关的问题，文献[10～12]讨论了军机EWIS维护相关的若干问题，空军有关部门也制定了电气线路系统完整性检查的指导文件。

战伤抢修是提高飞机生存力与航空兵部队持续作战能力的重要手段[13]。现代战争中，各种地面防空武器、空空导弹威力强大，对军用飞机造成的战伤不只涉及机体结构，而且包括机体内部的各种系统。其中，电气线路系统作为飞机上的一个重要支持系统，在飞机上承担着为各功能系统提供电力和传输信号与数据的重要功能,其任一部分在遭遇战伤后如果不进行修复，轻则会影响飞机相关功能系统的作战使用，重则会导致严重的飞行安全事故[14]。因此，对电气线路系统进行抢修是整个飞机战伤抢修中的一项重要内容。

对电气线路系统的战伤抢修建立在对其损伤模式分析的基础上。文献[15]对电气线路系统进行了故障模式研究和影响分析，但主要针对老化损伤，没有涉及到战时损伤这一情况；文献[16]对军用装备电缆的战场损伤进行了分类，但未能覆盖飞机电气线路系统的全部要素，而且缺少对损伤影响的分析；文献[11]提出了一种飞机电网络战伤的仿真评估系统建模方法，为战伤模式的分类研究提供了基础；文献[17]则对当前军用飞机上线路布设不规范所造成的风险进行了量化评估。

在上述工作的基础上，本文尝试从军用飞机电气线路系统所包括的全部对象出发，梳理其损伤类型，分析其战伤模式及影响，并在此基础上，给出电气线路系统战伤检测、应急修复的方法建议，为军用飞机战伤抢修、战时保障提供借鉴。

1 电气线路系统战伤模式及影响分析(DMEA)

与飞机上的结构件损伤模式相比，电气线路系统的损伤在表现形式上具有隐蔽性强、形式多样的特点；与此同时，不同的损伤带来的影响也存在多样性，这都给电气线路系统损伤模式的研究增加了难度(参见表1)。

表1 电气线路系统损伤模式及影响分析

尽管如此，对电气线路系统的损伤模式进行研究，对于损伤的统计与描述规范化、线路战伤的检测，以及辅助飞机功能系统进行战伤的评估等，仍具有积极的意义。

为更大范围地覆盖当前飞机电气线路系统所包含的对象，同时涵盖不同的损伤类型，这里按照损伤对象的不同，将电气线路系统的损伤分为电线电缆损伤、电连接器损伤、接线端子/接地损伤等几大类，然后再将不同对象的损伤再根据具体类型细分，具体分类详见表1。同时，根据损伤对象与损伤程度的不同，进行了初步的影响分析，并按照国家军用标准进行了严酷度分析[18]。图1给出了几种典型的电气线路系统损伤的实例。

图1 电气线路系统部分损伤模式示例

损伤模式及影响分析(damage mode and effects analysis，DMEA)是对飞机战伤进行评估的基础，也是故障模式及影响分析(failure mode and effects analysis，FMEA)在战场环境下的延伸。DMEA指的是确定战斗损伤所造成的损坏程度，以提供因威胁机理所引起的损伤模式对武器装备执行任务功能的影响，进而有针对性地提出设计、维修、操作等方面的改进措施[18]。

需要说明的是，电气线路系统属于飞机上的一个支持系统，而非功能系统。这就意味着对其影响的分析难以按照标准化的DMEA流程，从最低约定层次传递到上一约定层次乃至初始约定层次，也就意味着对飞机的最终影响是不确定的，或者说是和具体所涉及的功能系统相关的。例如，同样的电线切断损伤，如果传递的是关键任务系统的关键信号线路，则损伤的最终影响明显要超过一般情况下的影响。表1所示的严酷度是针对通用电气线路对高一约定层次的影响衡量，从Ⅳ级至Ⅰ级表示危险影响程度依次增加。具体对整体系统(初始约定层次，比如飞机)的影响，则需要结合具体功能系统进行分析。

2 电气线路系统战伤的检测

战伤检测的目的是为了判定飞机的状态，找出损伤的位置和性质，以便确定合理的排除方法和修理所需的工具、材料等[13]。通常，根据检测实施地点的不同，飞机上的战伤检测分为原位检测和离位检测。对电气线路系统而言，绝大部分的电线、电缆及其组件等无法从飞机上拆卸下来，因此，通常以原位检测为主，同时，设备宜便携易用，便于在战场环境下展开使用。

2.1 外观检查

目视外观检查是航空装备维护中最重要也最基本的检查方法。电气线路系统战伤的原因通常为射弹、破片、高温、应力等，一般都伴有外部损伤或者痕迹，通过目视检查，辅之以常用的工具即可判断出大多数的电气线路系统损伤。

手电筒和反光镜是外场最常用的外观检查工具[5]，如图2所示。通过反光镜，可以观察到可达性比较差的区域中电气线路系统的损伤情况。对于使用手电筒和反光镜也无法观察到的区域，还可以借助内窥镜(图2右)等进行观察。一些先进的内窥镜具备摄像探头自带光源照明的功能，可根据手柄精确控制探照位置，可拍照、录像、存档，功能更进一步的内窥镜还支持测量计算等。

图2 外观检查工具

2.2 电参数测量

在外观检查无法确定损伤情况时，需要借助一些通用仪表的电参数测量功能，辅助进行连通性检查。这些仪表一般都是平时维护使用的便携式仪表，如万用表、微欧表、兆欧表等。

还有一些特殊的电缆，常用于传输高频、射频信号，对信号传输的要求非常高。对这类电缆，仅仅测试信号线路的通、断或者阻值是不够的，还需要利用相关设备测试线路上的电压驻波比、插入损耗等参数，这方面可以借助专用的便携式网络分析仪完成。

1553B总线是飞机电气线路中的另一类常见线路。由于这类线路中间采用了耦合器等，无法通过上述仪表来测试线路的完整性。这种情况需要使用专门的总线检测仪。有些总线检测仪不仅可以测量信号线路的物理特性(连通、绝缘、错线、屏蔽性等)，还可以更进一步测试总线通信的误码率。

2.3 损伤的检测定位

线路战伤不同于平时故障的一个重要特征是其损伤位置的不确定性。线路的战斗损伤可能会出现在任何位置，也可能会比较隐蔽，通过外观检查或者普通的电参数测量仪器，可能无法确定到损伤的具体位置，而在抢修时，这又是需要迫切解决的问题。为解决线路损伤/故障的准确检测和定位问题，近年来涌现了多种相关技术[19-22]，比较有代表性的是X射线法、巡线法、红外热成像法、电容电感测试法、高压放电法、反射分析法等。其中，反射分析法最适于解决飞机上的线路损伤检测定位难题。还有一些方法如时域反射分析、频域反射分析、扩频时域反射分析法(SSTDR)、驻波法等可视为反射分析法的变种。表2比较了几种典型检测定位方法的特点。

表2 损伤检测与定位方法性能比较

反射分析法的基本原理类似雷达。利用反射法测试时，首先在线路的其中一端注入信号，信号一般是高宽带信号(以提高损伤定位的精度)。该信号沿着线路传播，当遇到线路上的阻抗不连续点(接头、缺陷、断路、短路、接触不良等)时，信号会产生反射，部分信号能量将返回到信号注入端。分析被反射回来的信号大小、极性以及其相对于入射信号的延时，可以得知阻抗的具体变化情况，从而与具体线路情况对应起来。从表1对线路的损伤模式分析可以看出，绝大部分电气线路线的战伤模式都可以与阻抗异常对应起来。如电线电缆切断、绝缘层损伤、特种线损伤、电连接器接触偶损伤、接线端子松动等等，都可以在线路阻抗上得到反映。而且，很重要的一点，飞机上复杂的线路拓扑也能通过阻抗反映且有着明显的特征，因此就确定了反射分析法相对于其他线路损伤检测定位方法的优势[21]。

图3是美军在相关手册[7]中推荐使用的两种时域反射分析仪表，一种是3M公司的900AST设备(左侧)，另一种是ECLYPSE公司的ESP+设备(右侧)。这两种设备在民航维修中也有应用。

图3 美军推荐使用的2种TDR类仪表：3M公司900AST和ECLYPSE公司ESP+

反射分析法的突出优点是其定位的准确性。其测试结论可告知维修人员线路损伤点距离测试端的准确距离，但其局限也在于此，因为该方法无法反映出损伤点具体在哪一块蒙皮或面板之下，而后者才是维修人员更希望得到的提示。因此，反射分析法往往还需要配合包含有线束三维空间敷设模型的计算机辅助设备等，以便为维护人员提供更有效的提示。其次，线路损伤定位的精度与具体采用的信号样式、处理方法有关。简单的驻波分析实现成本低，但是精度有限，在一般战斗机上意义有限(线路普遍较短，或者损伤点距离测试端点近，容易陷入测试盲区)；高级的时域反射分析通过使用大带宽信号和复杂的信号处理技术，可以获得高分辨力，但是设备成本高，部队人员学习的成本也比较高。

综上所述，在实际应用中，确定电气线路系统的损伤，往往需要采用上述方法中多种方法的综合。同时，部队尤其需要重视一些新技术在平时线路维护中的应用，为战时能力的转换奠定基础。

3 电气线路系统战伤的应急修理

为提高部队飞机电气线路系统的抢修效率，本文着眼当前需求，从抢修方案制定、方法选择、抢修工具选用上给出一些建议，以供参考。

3.1 抢修方案制定

抢修方案制定是指在掌握电气线路系统损伤基本情况的基础上，综合战场环境、任务需求、人力、工具、设备、器材等因素后，做出的修理方法(包括推迟修理)选择。

从电气线路系统在飞机上的作用地位以及其损伤模式考虑，对于电气线路系统的抢修，应该确立3个基本的原则：一是恢复损伤的必要功能项目的性能，二是确保非任务必要项目的安全，三是尽可能快地完成修复。

制定抢修方案时可参照图4所示的流程图进行。首先根据损伤检查、检测、定位的结果，进行电气线路系统的损伤影响分析，然后根据飞机作战任务必要项目(系统、子系统、部件)需求，确定是否可以推迟修理、是否具备标准修理的条件和可能、是否具备应急修理的条件和可能等，相应地做出推迟修理、标准修理、应急修理的具体方案，或者是放弃修理。

图4 电气线路系统抢修方案制定流程图

3.2 应急修理方法

只要不带来直接的安全威胁，制定方案时可视情采用以下一种和几种方法的综合：推迟、拆换、重构、原位修复、现场制配等。

对于备用系统的线路，或者非任务必要系统的线路损伤，可采用简单的绝缘和屏蔽处理后，推迟修理；对于通用性强、同时又易于拆下的电缆如高频线、1553B总线短截线，或者卡箍、端子等，可以采用拆换的方法，快速完成抢修；对于某些接线盒或配电板损伤，可以采用死接头短接两端线路的方法，绕过损伤的接线部件，实施重构抢修(图5)；对于可达性较好的普通低频电线，可以实施原位修复(如图6和图7所示，分别对应普通电线和屏蔽电缆的修复)；对于同轴电缆损伤、电连接器损伤、总线损伤等，还可以采用现场制配的方法。

图5 重构修复接线盒损伤示例

图6 原位修复普通电线

图7 原位修复屏蔽电缆

3.3 修理工具

在电气线路修理方面，通常应使用专用的工具箱。工具箱配备齐套的工具与材料，便于外场和战场条件下展开使用。由于不同的飞机使用了不同种类的电连接器、接触件、端子等，所以各机型对应的线路修理工具也不完全相同。例如，DMC公司为美军推出了适用于各型军用飞机的线路修理专用集成式工具箱。这些工具箱便于携带，既可用于平时修理，也用于战伤抢修，避免了战时工具临时更换带来的麻烦。

同时，在一些工具设备选用上，也应有相应的规范，以确保安全性和有效性。一个典型的例子是加热工具(焊接导线、加热热缩套管两用)的选用。美军在进行电气线路修理时，区分了内场修理、外场修理、有油液暴露(油箱破损、油箱内作业、油路损伤等情况)时的修理几种不同情况，每种情况分别选用何种类型的加热工具，在美军的相关规范[7]中都有明确，这种规范性的做法值得借鉴。

4 结语

从系统的观点来研究飞机上电气线路相关的问题，可提升其整体的维修性、可靠性与保障性水平。本文尝试对电气线路系统的战伤模式进行分类和规范，并完成了初步的DMEA分析，其结论可作为其他机载系统战伤评估的基础。对于电气线路系统的战伤检测与定位难题，对比了相关方法的优缺点，重点介绍了反射分析法在线路检测定位上的应用。最后，对于电气线路系统的应急修理，给出了抢修方案制定的原则与流程，也介绍了一些应急修理的方法与工具，可为当前航空兵部队相关保障提供支持。