潛在電路分析在航空武器發(fā)射控制電路的應(yīng)用＊

王先超 杜向輝 陳曉東

（1.海軍駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室 洛陽 471009）（2.空軍駐洛陽地區(qū)軍事代表室 洛陽 471009）

1 引言

在傳統(tǒng)的航空武器產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了消除系統(tǒng)的缺陷，要進行各種行之有效的分析，除了各種條件下常規(guī)的產(chǎn)品試驗與測試外，還有諸如故障樹分析、失效模式與影響分析、危害性分析、安全性分析等加強手段，目的是分析出各元件對系統(tǒng)失效的影響。在產(chǎn)品的日常檢測和維護中，一旦發(fā)現(xiàn)異常，一般也會從某個元件的功能是否失效開始著手進行分析。上述的各種分析手段都是以元件失效作為分析的基礎(chǔ)，強調(diào)元件失效與整個系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系。

然而，所有異常都來自于元件失效的前提是系統(tǒng)的設(shè)計是沒有任何缺陷的。事實上，我們所設(shè)計的復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部往往可能存在各種非期望的狀態(tài)，而這些狀態(tài)很有可能帶來產(chǎn)品在特定條件下的功能失效。傳統(tǒng)的設(shè)計過程不能對系統(tǒng)設(shè)計的完整性進行全面有效的檢查，其最大的癥結(jié)是不能判斷出系統(tǒng)在非元器件失效狀態(tài)下會出現(xiàn)什么樣的異常情況。最常見的情形就是在實現(xiàn)特定功能時，系統(tǒng)內(nèi)部存在潛在電路（Sneak Circuit）［1～2］，由于難于發(fā)現(xiàn)而成為事故隱患。針對潛在電路這種與元件失效無關(guān)的事故因素，美國波音公司于1967年開始研究旨在預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在電路的潛在電路分析技術(shù)（Sneak Circuit Analysis—SCA）［3～5］，在一定程度上取得了成功［6］。

隨著航空武器系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提高，在設(shè)計中潛在電路的存在難以避免。為此本文在闡述了SCA基本原理的基礎(chǔ)上，用SCA技術(shù)的基本分析方法從系統(tǒng)局部對某型航空武器系統(tǒng)的部分電路進行分析，成功地保證了導(dǎo)彈發(fā)射控制的可靠性，并為計算機輔助SCA系統(tǒng)提供了必要的設(shè)計依據(jù)。

2 潛在電路分析綜述

2.1 潛在電路的概念

潛在電路的概念最早是由美國波音公司在完成阿波羅登月計劃期間針對電子電氣系統(tǒng)提出來的。波音公司通過對許多重大故障與事故案例的研究，發(fā)現(xiàn)有許多故障與事故并不是由于元器件失效引起的，而是由于系統(tǒng)設(shè)計方案之中固有的狀態(tài)引起的。在這些狀態(tài)下，系統(tǒng)存在著某些設(shè)計者未認識到的電回路，不同程度地傳遞著某種能量流、信息流或控制信號流。系統(tǒng)的有關(guān)部分一旦被這些潛流所激發(fā)，就會產(chǎn)生非預(yù)期的功能，或是抑制了預(yù)期的功能，引起系統(tǒng)故障，有時還會造成嚴重事故，使得設(shè)備損壞和人員傷亡。此外研究表明，在復(fù)雜的氣路、液路系統(tǒng)中也存在某些潛在路徑，同樣具有嚴重的危害。

2.2 潛在電路的種類和特點

潛在電路的產(chǎn)生源于系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)設(shè)計中的人為因素［7～9］，其種類主要有：1）潛在通道：使電流、能量或邏輯沿著意外的通道或意外的方向流動。這個錯誤的能量流動有時會引導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行錯誤的功能，或者錯過正常的功能。2）潛在定時：使事件以意外的或矛盾的順序出現(xiàn)。3）潛在指示：錯誤地或不明確地顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致操作人員可能采取不需要的或錯誤的動作。4）潛在標識：對系統(tǒng)功能進行錯誤地或含糊不清地標識。

潛在電路的特點可歸納為：1）潛伏性。潛在電路的案例雖然往往表現(xiàn)為“出人預(yù)料”和“突然發(fā)生”，但潛在狀態(tài)卻是系統(tǒng)設(shè)計中的一種固有狀態(tài)，一般與元器件失效無關(guān)。2）存在的客觀性和普遍性。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)中潛在狀態(tài)的存在與系統(tǒng)的復(fù)雜性成“正比”關(guān)系。3）其它特點。絕大多數(shù)潛在問題表現(xiàn)為“后果嚴重，發(fā)現(xiàn)困難，糾正容易”的特點。

3 潛在電路分析的基本原理

3.1 基本分析方法

潛在電路分析的基本方法為拓撲結(jié)構(gòu)分析法。其基本思想是：1）工作狀態(tài)和控制關(guān)系分析。被分析系統(tǒng)的工作狀態(tài)和控制關(guān)系是對系統(tǒng)進行潛電路分析的關(guān)鍵步驟，只有明確系統(tǒng)的工作狀態(tài)，才能正確建立各種線索表實施對系統(tǒng)的分析。2）查找相似結(jié)構(gòu)。拓撲學(xué)研究表明，對復(fù)雜系統(tǒng)進行逐級劃分和簡化的最終結(jié)果，是把復(fù)雜的電路毫無例外地劃分成五種簡單電路模式的組合形式，這五種基本電路模式本身是很容易把握的。再根據(jù)結(jié)構(gòu)功能相似原理，借助系統(tǒng)劃分手段逐級向上合并出所有可能的電流行為。3）列出與每個基本拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)的線索表。線索表能夠為發(fā)現(xiàn)基本拓撲結(jié)構(gòu)或其組合中可能出現(xiàn)的所有設(shè)計缺陷提供指南，幫助分析人員確定潛在電路狀態(tài)。

3.2 潛在電路的基本拓撲結(jié)構(gòu)

潛在電路分析理論認為，所有的電路網(wǎng)絡(luò)樹都是由五種基本的電路拓撲模式［12］所組成，見圖1。這些基本模式是：1）直線型（I型）。電路網(wǎng)絡(luò)樹中從任意一個電源到地的任何一條直通路徑。2）電源拱型（Y型）。由網(wǎng)絡(luò)樹中任意兩條首邊不相同，但至第一相交點之后所有邊均相同的直線型所構(gòu)成。3）接地拱型（倒Y型）。由網(wǎng)絡(luò)樹中任意兩條首邊相同，但至第一條不相同的邊后再沒有交點的直線型所構(gòu)成。4）組合拱型（X型）。由網(wǎng)絡(luò)樹中任意兩條相交，并在其間有且僅有唯一交點的直線型所構(gòu)成。5）H型。網(wǎng)絡(luò)樹中任意兩條有且僅在中間有相重、但方向相反的邊的直線型所構(gòu)成。

圖1 潛在電路的基本拓撲結(jié)構(gòu)

此外，對于軟件系統(tǒng)來說，由于軟件流程圖和硬件電路系統(tǒng)在組成元素上有著很大的相似性，可以將軟件指令變換為硬件電路網(wǎng)絡(luò)樹模型再進行分析。

4 某型空空導(dǎo)彈發(fā)射控制基本原理

某型空空導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的基本工作原理見圖2，導(dǎo)彈通過發(fā)射架電路與載機電路交聯(lián)。載機電路包括：武器電門、導(dǎo)彈發(fā)射按鈕、武器發(fā)射繼電器。

當飛行員接通武器電門，按下導(dǎo)彈發(fā)射按鈕，武器發(fā)射繼電器工作，給導(dǎo)彈發(fā)射架提供一個發(fā)射電流。發(fā)射架電路中的點火繼電器根據(jù)這個發(fā)射電流對導(dǎo)彈進行點火，使導(dǎo)彈發(fā)射離軌。當飛行員按下“應(yīng)急發(fā)射”按鈕，應(yīng)急發(fā)射繼電器工作，接通發(fā)射架電路中的應(yīng)急點火繼電器，使導(dǎo)彈發(fā)射離軌。

圖2 導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的基本原理圖

在作戰(zhàn)、飛行訓(xùn)練和地面維護中，導(dǎo)彈走火、導(dǎo)彈無法投放或無法應(yīng)急投放等故障時有發(fā)生。其主要原因是載機上的發(fā)射繼電器點或發(fā)射架上的點火繼電器在非工作狀態(tài)下誤動作，或在工作狀態(tài)下不能動作，其原因涉及導(dǎo)彈發(fā)射控制電路與其他機載設(shè)備電路的相互影響。

5 某型導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的潛在電路分析

5.1 工作狀態(tài)分析

為有效、全面地分析導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的潛在電路，必須全面了解飛機在地面維護、空中飛行時導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的工作狀態(tài)及控制關(guān)系。具體內(nèi)容包括：1）分析各控制電門、開關(guān)、繼電器在不同的狀態(tài)下，導(dǎo)彈發(fā)射控制電路中電流的走向。2）明確各電流信號對導(dǎo)彈發(fā)射控制的作用情況，列出導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的控制關(guān)系表。

圖3是某型導(dǎo)彈的發(fā)射控制電路圖。空空導(dǎo)彈的發(fā)射受發(fā)射條件控制，具體的發(fā)射過程是：1）飛行員按發(fā)射按鈕S1，如果不滿足導(dǎo)彈發(fā)射條件（截獲目標、目標在規(guī)定的限角之內(nèi)），則沒有允許發(fā)射信號，此時三極管Q1不導(dǎo)通，繼電器K2不動作，K2－1，K2－2兩觸點處于斷開狀態(tài)，無法實施發(fā)射任務(wù)。2）如果滿足導(dǎo)彈發(fā)射條件，則三極管Q1導(dǎo)通，繼電器K2動作，K2－1，K2－2兩觸點處于閉合狀態(tài)，從導(dǎo)彈發(fā)射按鈕上傳下來的＋27V信號其中一路通過K2－1，R2，D1，Q1驅(qū)動繼電器K2，使K2處于自鎖狀態(tài)。另外一路分別通過導(dǎo)彈的接觸偶J3和J4打開導(dǎo)彈保險并點火啟動燃氣電機。同時，繼電器 K1動作，觸點 K1－1閉合，讓DT100電磁鐵受到激勵，打開機械鎖，使得導(dǎo)彈能在發(fā)動機的推力下離梁。但由于沒有啟動彈上電源，Q2截止，K3不通電，其觸點K3－1處于斷開狀態(tài)，所以飛機上的＋27V不能傳遞給接觸偶J5和J6，無法給出發(fā)動機點火和引信點火。當發(fā)射裝置檢測到彈上燃氣電機電壓達到規(guī)定的值后，Q2飽和導(dǎo)通，繼電器K3通電，使得K3－1導(dǎo)通，此時飛機上的＋27V信號給發(fā)動機和引信點火，當發(fā)動機推力達到一定值后，導(dǎo)彈離梁，完成一次正常發(fā)射。應(yīng)急發(fā)射時，需要打開機械保險K0，按發(fā)射按鈕S2后直接給DT100電磁鐵通電解鎖，并實現(xiàn)發(fā)動機和引信點火。

圖3 導(dǎo)彈發(fā)射控制電路

在一個作戰(zhàn)、訓(xùn)練的飛行起落中，空空導(dǎo)彈的檢查、使用過程為：地面掛彈、地面通電檢查、飛行巡航、截獲目標、導(dǎo)彈解鎖、發(fā)射（應(yīng)急發(fā)射）等階段，導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的狀態(tài)控制矩陣如表1所示。其中，“off”表示斷開，“on”表示接通。

表1 控制關(guān)系表

5.2 構(gòu)建某型導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的網(wǎng)絡(luò)樹

依據(jù)圖3建立系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)樹如圖4，圖中用一個二極管和一個開關(guān)表示三極管（用DQ1和SQ1來表示Q1），繼電器的觸點用開關(guān)表示，線圈用負載電阻表示，某些特點相同的電阻合并（如R4、R5合并成為R45）。

圖4 網(wǎng)絡(luò)樹結(jié)構(gòu)

5.3 導(dǎo)彈發(fā)射控制電路拓撲圖

為了分析硬件中可能存在的潛在電路，將電路分解為基本拓撲結(jié)構(gòu)的組合。在導(dǎo)彈發(fā)射控制電路中，存在一個I型電路和一個倒Y型電路（圖5），還有4個H型電路（圖6）。

圖5 倒Y型拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 4個H型拓撲結(jié)構(gòu)

5.4 導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的線索表

根據(jù)分解得到的基本拓撲結(jié)構(gòu)，建立導(dǎo)彈發(fā)射控制電路的線索表。

1）對于I型的單線網(wǎng)絡(luò)，可以劃分成三條判斷潛在通路的線索：（1）當需要負載時，開關(guān)、繼電器觸點是否處于斷開狀態(tài)。（2）當不要負載時，開關(guān)、繼電器觸點是否處于閉合狀態(tài)。（3）開關(guān)、繼電器觸點的標志，是否反映負載的真實功能。即負載接入或脫離電路時，開關(guān)、繼電器觸點是否指示斷開或閉合。

2）對于倒Y型電路，可以劃分成如下判斷潛在通路的線索：（1）當一個電門合上，或接通一個繼電器，是否會加上一個不期望的負載。（2）一個負載是否可能為多條通路所控制。（3）在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，是否存在傳遞電流通路。（4）不正確的開關(guān)轉(zhuǎn)換順序是否導(dǎo)致不期望的結(jié)果。（5）是否存在繼電器動作時間競爭。（6）在繼電器線路中是否存在時間間隙或時間重疊。（7）在轉(zhuǎn)換電壓的上升沿或下降沿，繼電器或串連的負載上是否存在不期望的接通或斷開。（8）在電源和接地通路之間是否需要電氣自鎖。（9）當不期望的電流流過時，二極管或限流器是否導(dǎo)通。（10）當電流流過一個抑制二極管時是否導(dǎo)致不期望的結(jié)果。

3）對于“H”型電路，其線索表示為以上兩種線索的組合，同時還要考慮以下線索：（1）在中間的支路中，是否存在不期望的反向電流。（2）對于接地的任何節(jié)點是否可以通過其他的路徑連接到另外一條通路的電源上。

5.5 分析結(jié)果

按照建立的線索表，對照表1所示的控制關(guān)系，對導(dǎo)彈發(fā)射架發(fā)射控制電路中的“I”型、倒“Y”型、“H”型電路進行分析，可以得出結(jié)論：在導(dǎo)彈發(fā)射架發(fā)射控制電路中不存在潛在電路，若不考慮元件失效系統(tǒng)將能可靠工作。工程實踐證明了分析的正確性。

6 結(jié)語

本文將SCA技術(shù)的基本方法應(yīng)用于對某型航空武器發(fā)射控制電路的分析，確保了系統(tǒng)中不存在潛在電路。工程實踐表明，此分析方法能夠有效地提高系統(tǒng)的可靠性。以本文介紹的方法為基礎(chǔ)，可以進一步開發(fā)計算機輔助潛在電路分析系統(tǒng)，從而提高分析的效率，滿足日趨復(fù)雜的武器系統(tǒng)設(shè)計需要。

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