雙發(fā)電機無人機電氣系統(tǒng)可靠性預計與分配

胡中華，許 昕，陳 中，曹劍坤

（中國電子科技集團公司 第三十八研究所，合肥230088）

某型飛艇電氣系統(tǒng)， 主要由發(fā)電機電源統(tǒng)、電池電源、充電器、電容盒、一次配電盒、電氣控制盒1、電氣控制盒2、電氣控制盒3 和電氣控制盒4 組成。 其主要作用是提供、傳輸、分配飛艇各工作階段用電設備所需要的各種形式的電能， 對飛艇動力、飛控、導航、測控、燃油、環(huán)控等系統(tǒng)實現(xiàn)可靠電氣控制[1-2]。

可靠性是指系統(tǒng)或設備在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的任務的能力[1]。 可靠性預計和分配是飛艇方案論證階段的一項重要工作，合理的可靠性預計與分配可以預估飛艇平均無故障時間和維修時間，有助于評估方案優(yōu)缺點，找出電氣系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡模型中影響系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，并進行改進設計。 可靠性預計的準確性和合理性不僅應借鑒類似產(chǎn)品的已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，同時要建立可靠性分析模型，進行科學評估和計算，完成系統(tǒng)各單元（設備）的可靠性預計和分配，并最終確保滿足系統(tǒng)可靠性指標要求[3-4]。

1 可靠性設計準則

根據(jù)性能指標、技術特點、環(huán)境適應性、安全性、電磁兼容性、軟件可靠性等因素，從可靠性設計上進行保證，提高系統(tǒng)可靠性[5-7]。

1.1 簡化設計

簡化設計是可靠性設計應遵循的基本原則，主要包括：①盡可能以最少的元器件、零部件來滿足產(chǎn)品的功能要求；②盡可能采用標準化、模塊化、系列化設計，提高互換性和通用化程度；③最大限度地壓縮和控制原材料、元器件、零部件的品種、規(guī)格和數(shù)量。

1.2 繼承性設計

實施合理的繼承性設計是可靠性的重要保證之一。 發(fā)電機、配電盒設計繼承了其他飛艇配電的設計思想， 并在此基礎上做進一步的改進和完善。依托軟件進行仿真分析；充分利用先進精密制造設備保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3 冗余設計

冗余設計可以提高產(chǎn)品的任務可靠性。 冗余設計應以有關的權衡分析為依據(jù)。 由冗余所獲得的可靠性增長，不要被由于構成冗余布局所需的轉換器件、誤差檢測器和其他外部器件所增加的失效所抵消。

電氣系統(tǒng)的電源使用雙冗余設計，發(fā)電機主電源與應急蓄電池的功能相同、 互為冗余， 并且對2個電源的工作狀態(tài)可以實時檢測。

1.4 降額設計

降額設計時應注意以下幾點：①對于電子、電氣和機電元器件，根據(jù)GJB/Z 35—1993《元器件降額準則》，對不同類別的元器件按照不同的應用情況進行降額；②降額與簡化設計、產(chǎn)品體積、重量、成本等因素有矛盾時，應綜合權衡；③降額參數(shù)應切合元器件主要應力參數(shù)，才能使產(chǎn)品可靠性得到提高；④不能用降額的方法去補償?shù)唾|(zhì)量元器件的可靠性。

1.5 防瞬態(tài)過應力設計

防瞬態(tài)過應力設計是確保電路穩(wěn)定、可靠的一種重要方法。 必須重視相應的保護設計，比如：在受保護的信號線和吸收高頻的地線之間加裝電容；為了防止電壓超過額定值（鉗位值），采用二極管或穩(wěn)壓管來保護；利用串聯(lián)電阻來限制電流值等[4]。

1）環(huán)境防護設計 采用防潮濕、防鹽霧和防霉的三防設計；結構上采用緩沖減震設計，增強系統(tǒng)的沖擊和振動的防護能力。

2）電磁兼容設計 為使電氣系統(tǒng)與其他相關電子電氣設備、器件互不干擾，可靠運行，采取以下主要措施：

電氣系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源模塊會產(chǎn)生輻射干擾，干擾通過傳輸線、機殼等向空間輻射，而各模塊化插件的電路又會通過電源線、機殼、信號線甚至從空間直接接收這些干擾，因此系統(tǒng)設計時考慮特殊重要信號走屏蔽地層，減少接收干擾，也減少對外干擾；在電源處加濾波電容，降低輸出紋波以滿足器件的供電要求；在電氣系統(tǒng)設計中全面考慮系統(tǒng)中輻射干擾和傳導干擾對其工作狀態(tài)的影響，要求滿足電磁兼容空軍七項要求，減小電氣系統(tǒng)對其他系統(tǒng)的影響。

1.6 元器件使用要求

元器件選擇與質(zhì)量控制的基本要求如下[8-9]：①確定執(zhí)行規(guī)定功能、性能所需元器件的類型及預期所處的工作環(huán)境；②確定元器件的關鍵性能，包括元器件的壽命、可靠性等；③確定元器件的質(zhì)量水平，包括質(zhì)量等級，是否在優(yōu)選之列等；④估計元器件在應用中所經(jīng)受的應力；⑤確定元器件篩選的方法和措施；⑥確定適當?shù)慕殿~系數(shù)；⑦必須重視元器件的淘汰問題，即設計時應考慮元器件的淘汰、供貨和替代問題，以避免影響使用和保障及由此導致的費用增加；⑧元器件選型參考項目相關規(guī)范。

1.7 靜電防護設計

靜電放電ESD（electro-static discharge）是2 個具有不同電位（由靜電引起）物體之間的電流流動。ESD 會引起半導體器件的損傷，使器件立即失效的幾率約為10%（短路、 開路、 無功能、 參數(shù)發(fā)生變化），而90%的器件則會引入潛在損傷，損傷后電參數(shù)仍符合規(guī)定要求，但減弱了器件的抗過電應力能力，影響了器件的可靠性。 ESD 通?？梢? 種失效模式，突發(fā)性完全失效和潛在性失效。

ESD 防護設計的主要原則如下：①在符合性能要求的同時，綜合考慮技術性能指標，優(yōu)先選擇能提供最高抗靜電放電能力的元器件；②靜電放電敏感元器件的圖樣及其他技術資料上，應有靜電敏感標志和正確的操作方法說明，電路中使用的靜電放電敏感元器件也應有標志；③整個系統(tǒng)要求通過GJB 1389A—2005 有關靜電防護試驗的要求。

2 電氣系統(tǒng)可靠性模型

可靠性建模是進行可靠性預計和分配的基礎[10-13]。根據(jù)可靠性模型的確定原則，飛艇電氣系統(tǒng)的主要功能單元有：發(fā)電機電源（主電源/輔電源，二者并聯(lián)）、電池電源（電池1 和電池2，二者并聯(lián)）、充電器、電容盒、一次配電盒、電氣控制盒1、電氣控制盒2、電氣控制盒3 和電氣控制盒4。

可靠性指標MTBF（mean time between failure，即平均故障間隔時間）是衡量電氣系統(tǒng)在使用的過程中維修的頻次，是維修的度量。 因此，其任何一個牽涉到維修的故障都是責任故障，盡管蓄電池作為電氣系統(tǒng)的應急電源，實現(xiàn)電源的冗余。 但是從執(zhí)行飛行任務的角度出發(fā)，如果出現(xiàn)發(fā)電機故障或者應急蓄電池故障，則飛艇必須返航，此次飛行任務失敗。 因此，飛艇電氣系統(tǒng)將電池電源用最嚴厲的串聯(lián)模型來分析該系統(tǒng)的可靠性（單元內(nèi)部可能存在并聯(lián)，如發(fā)電機電源和電池電源），對不影響電氣系統(tǒng)安全的設備不列入計算（考慮到電纜敷設合理的情況下，可靠性非常高，故不將電纜列入可靠性計算，其他如航行燈、放電刷、地面電源等也不列入）。 飛艇電氣系統(tǒng)各設備之間的邏輯關系可靠性如圖1 所示。

圖1 電氣系統(tǒng)設備可靠性模型Fig.1 Reliability model of electrical system equipment

對于n 路串聯(lián)模型， 平均故障間隔時間MTBF的計算公式為

式中：λ 為電氣系統(tǒng)的總失效率；n 為可靠性模型功能模塊的總數(shù)量；λi為各功能模塊失效率。

3 可靠性加權分配法

由于一個系統(tǒng)中，各分系統(tǒng)與單元所處的環(huán)境不同，以及所采用的元器件質(zhì)量、標準化程度、維修的難易等因素不同，其所能達到的可靠性水平也不同。 因此，分配的權重至少應考慮重要性、復雜性、環(huán)境、標準化、維修性、元器件質(zhì)量等因素[14]。

3.1 重要性因素

重要性即該分機、部件及元器件所發(fā)生失效對整機及分機的可靠性影響程度的大小。 在此以所謂重要性因子Kj1來表示，有

式中：mj為由第j 個分機失效引起的系統(tǒng)失效數(shù)；pj為第j 個分機失效數(shù)；L 為重要性因素系數(shù)。 對于串聯(lián)模型來說，各個分機每次失效都會引起整機的失效，故Kj1=L。 而在某些情況時，分系統(tǒng)失效并不一定影響到系統(tǒng)失效，因此Kj1

3.2 復雜性因素

根據(jù)各分機復雜程度及包含元器件多少進行分配。 對于復雜的分機，實現(xiàn)其可靠性指標較困難，因而分配其可靠性指標低些。 復雜性程度用Kj2表示。 在新研制的產(chǎn)品方案確定階段，不可能詳細確定各分系統(tǒng)究竟有多少元器件，但根據(jù)經(jīng)驗，可以概略知道各分系統(tǒng)復雜程度。

3.3 環(huán)境因素

在分配可靠性指標時，要考慮環(huán)境條件。 環(huán)境條件不同，對設備的可靠性影響也就不同，分配給該設備的可靠性指標也就不同。 處于惡劣環(huán)境的設備，分配的可靠性指標就要低些。 為此，引入環(huán)境因子Kj3，由于系統(tǒng)處于相同使用環(huán)境，故Kj3取值相同。

3.4 標準化因素

大量采用成熟標準件設備的可靠性高，而采用非標準件和新研制的不成熟的零部件多的設備，其可靠性就低， 在分配時應降低對后者的可靠性要求。 為此引入標準件因子Kj4。

3.5 維修性因素

電氣系統(tǒng)各設備若能周期性地進行方便的維護，能方便、有規(guī)律地進行監(jiān)視和檢查；或者當出現(xiàn)故障時能方便地排除，則分配給該設備的可靠性指標低一些。 同時還要考慮有無故障自動檢測電路。為此在分配時引入維修因子Kj5。

3.6 元器件質(zhì)量因素

在進行可靠性分配時，應了解各設備所采用的元器件質(zhì)量水平，有的分機不得不采用較多的可靠性水平低的元器件，對其提出過高的可靠性要求是不合理的，因而分配的可靠性指標要低些。 像電池等具有電芯的設備，其可靠性水平必然比軍用元器件低。 為此在分配時引入元器件質(zhì)量因子Kj6。

3.7 可靠性工程加權分配法分配公式與計算

在可靠性指標分配時，不僅要考慮上述因素，根據(jù)產(chǎn)品的特點和情況，可能還要考慮其他因素，如信號質(zhì)量因素和干擾因素等。

在分配時，各因子（K）取值以某單元為標準單元，其分配加權因子Kj1=1 時，其他單元與標準單元相比較，根據(jù)具體情況按照經(jīng)驗進行選取。 對于指數(shù)分布串聯(lián)結構模型的系統(tǒng)，其分配公式為

式中：MTBFj為第j 個分機（或部件）平均故障間隔時間；MTBFs為整機（或系統(tǒng)）平均故障間隔時間；Kji為第j 個分機第i 個分配加權因子。

根據(jù)該電氣系統(tǒng)的組成，采用可靠性工程加權分配法進行分配。 分配中以發(fā)電機電源為標準單元，其各項分配加權因子取為1，其他與電氣設備比較，具體取值見表1。

表1 分配加權因子Kji 的取值Tab.1 Value of distribution weighting factor Kji

表中，Vj和K 為

若要求電氣系統(tǒng)MTBF>700 h， 按照25%左右的余量計算，電氣系統(tǒng)MTBF 設計指標約為875 h，按可靠性指標分配公式的分配結果如下：

4 可靠性預計

電氣系統(tǒng)各設備可靠性及失效率指標見表2。其中，配電盒根據(jù)元器件、線纜、焊點等進行計算。

由表2 可知，系統(tǒng)各組成部分的MTBF 值均滿足各自設備的分配指標。 其中，主發(fā)電機與主發(fā)電機GCU 串聯(lián)，輔發(fā)電機、輔發(fā)電機GCU 與TRU 轉換單元串聯(lián)， 二者再并聯(lián)形成發(fā)發(fā)電機電源單元；電池1 與電池2 并聯(lián)形成電池電源單元；發(fā)電機電源單元、電池電源單元與全部其他設備串聯(lián)。 根據(jù)表2 計算得到的各種設備的工作失效率，從工作失效率的角度看， 單臺發(fā)電機產(chǎn)生故障的概率較高，但通過并聯(lián)余度設計，大大提高了發(fā)電機電源的可靠性。 此外，配電盒等電子設備可靠性相對較高。

經(jīng)計算，得到系統(tǒng)MTBF 值為1181.32 h，滿足系統(tǒng)要求MTBF≥700 h 的指標要求，可靠性預計及分配合理可行。

表2 設備可靠性及失效率指標Tab.2 Equipment reliability and failure rate index

5 結語

針對某型飛艇電氣系統(tǒng)進行可靠性分析，分析提高電氣系統(tǒng)可靠性的基本方法， 包括簡化設計、繼承性設計、冗余設計、降額設計、防瞬態(tài)過應力設計和靜電防護設計等。 根據(jù)飛艇電氣系統(tǒng)的設備功能組成建立飛艇電氣系統(tǒng)可靠性模型，并通過可靠性加權分配法進行可靠性指標分配，為電氣系統(tǒng)初步設計提供了可靠性依據(jù)。 最后各電氣設備實際可靠性指標預計電氣系統(tǒng)的可靠性指標，結果滿足系統(tǒng)指標要求，分配及預計合理可行。 該方法不僅適用于飛艇，同樣適用于對無人機、系留氣球等航空器的電氣系統(tǒng)的可靠性研究。