軍用飛機電氣線路系統戰傷模式與搶修技術

趙漢武，張 濤，郝 明，楊 佳

(空軍工程大學航空機務士官學校，河南信陽，464000)

2000年以來，航空產業的蓬勃發展和公眾對航空安全的極端關注，使得電氣線路及其相關部附件等成為研究熱點[1-2]。2007年，美國聯邦航空局(FAA)創造性地將飛機上的所有線路及相關部附件等視為一個獨立的系統，稱之為“電氣線路互聯系統(EWIS)”[3]，并提出了相關的設計、維護與管理要求。我國民航局也在2011年修訂相關適航標準，在適航審查、維護檢查等工作中單列了對EWIS系統的要求[4]。

軍用飛機上，美軍針對電氣線路互聯系統，也出臺了多個指南手冊等，如MIL-HDBK-522A《通用線路檢查標準》、MIL-HDBK-525《EWIS系統完整性檢查大綱》、NAVAIR 01-1A-505-1《飛機電氣線路安裝及修理手冊》等[5-7]。

為提高航空裝備維護保障的針對性和有效性，我軍也開始引進相關理念并開展研究。近年來空軍、海軍航空兵部隊針對電氣線路的相關研究中，逐漸開始使用“電氣線路系統”這一術語，所涉及的研究對象基本與民航領域的EWIS一致。海軍航空大學肖楚琬[8]、航空工業綜合技術研究所何鐘武[9]等研究了軍機EWIS標準化相關的問題，文獻[10～12]討論了軍機EWIS維護相關的若干問題，空軍有關部門也制定了電氣線路系統完整性檢查的指導文件。

戰傷搶修是提高飛機生存力與航空兵部隊持續作戰能力的重要手段[13]?，F代戰爭中，各種地面防空武器、空空導彈威力強大，對軍用飛機造成的戰傷不只涉及機體結構，而且包括機體內部的各種系統。其中，電氣線路系統作為飛機上的一個重要支持系統，在飛機上承擔著為各功能系統提供電力和傳輸信號與數據的重要功能,其任一部分在遭遇戰傷后如果不進行修復，輕則會影響飛機相關功能系統的作戰使用，重則會導致嚴重的飛行安全事故[14]。因此，對電氣線路系統進行搶修是整個飛機戰傷搶修中的一項重要內容。

對電氣線路系統的戰傷搶修建立在對其損傷模式分析的基礎上。文獻[15]對電氣線路系統進行了故障模式研究和影響分析，但主要針對老化損傷，沒有涉及到戰時損傷這一情況；文獻[16]對軍用裝備電纜的戰場損傷進行了分類，但未能覆蓋飛機電氣線路系統的全部要素，而且缺少對損傷影響的分析；文獻[11]提出了一種飛機電網絡戰傷的仿真評估系統建模方法，為戰傷模式的分類研究提供了基礎；文獻[17]則對當前軍用飛機上線路布設不規范所造成的風險進行了量化評估。

在上述工作的基礎上，本文嘗試從軍用飛機電氣線路系統所包括的全部對象出發，梳理其損傷類型，分析其戰傷模式及影響，并在此基礎上，給出電氣線路系統戰傷檢測、應急修復的方法建議，為軍用飛機戰傷搶修、戰時保障提供借鑒。

1 電氣線路系統戰傷模式及影響分析(DMEA)

與飛機上的結構件損傷模式相比，電氣線路系統的損傷在表現形式上具有隱蔽性強、形式多樣的特點；與此同時，不同的損傷帶來的影響也存在多樣性，這都給電氣線路系統損傷模式的研究增加了難度(參見表1)。

表1 電氣線路系統損傷模式及影響分析

盡管如此，對電氣線路系統的損傷模式進行研究，對于損傷的統計與描述規范化、線路戰傷的檢測，以及輔助飛機功能系統進行戰傷的評估等，仍具有積極的意義。

為更大范圍地覆蓋當前飛機電氣線路系統所包含的對象，同時涵蓋不同的損傷類型，這里按照損傷對象的不同，將電氣線路系統的損傷分為電線電纜損傷、電連接器損傷、接線端子/接地損傷等幾大類，然后再將不同對象的損傷再根據具體類型細分，具體分類詳見表1。同時，根據損傷對象與損傷程度的不同，進行了初步的影響分析，并按照國家軍用標準進行了嚴酷度分析[18]。圖1給出了幾種典型的電氣線路系統損傷的實例。

圖1 電氣線路系統部分損傷模式示例

損傷模式及影響分析(damage mode and effects analysis，DMEA)是對飛機戰傷進行評估的基礎，也是故障模式及影響分析(failure mode and effects analysis，FMEA)在戰場環境下的延伸。DMEA指的是確定戰斗損傷所造成的損壞程度，以提供因威脅機理所引起的損傷模式對武器裝備執行任務功能的影響，進而有針對性地提出設計、維修、操作等方面的改進措施[18]。

需要說明的是，電氣線路系統屬于飛機上的一個支持系統，而非功能系統。這就意味著對其影響的分析難以按照標準化的DMEA流程，從最低約定層次傳遞到上一約定層次乃至初始約定層次，也就意味著對飛機的最終影響是不確定的，或者說是和具體所涉及的功能系統相關的。例如，同樣的電線切斷損傷，如果傳遞的是關鍵任務系統的關鍵信號線路，則損傷的最終影響明顯要超過一般情況下的影響。表1所示的嚴酷度是針對通用電氣線路對高一約定層次的影響衡量，從Ⅳ級至Ⅰ級表示危險影響程度依次增加。具體對整體系統(初始約定層次，比如飛機)的影響，則需要結合具體功能系統進行分析。

2 電氣線路系統戰傷的檢測

戰傷檢測的目的是為了判定飛機的狀態，找出損傷的位置和性質，以便確定合理的排除方法和修理所需的工具、材料等[13]。通常，根據檢測實施地點的不同，飛機上的戰傷檢測分為原位檢測和離位檢測。對電氣線路系統而言，絕大部分的電線、電纜及其組件等無法從飛機上拆卸下來，因此，通常以原位檢測為主，同時，設備宜便攜易用，便于在戰場環境下展開使用。

2.1 外觀檢查

目視外觀檢查是航空裝備維護中最重要也最基本的檢查方法。電氣線路系統戰傷的原因通常為射彈、破片、高溫、應力等，一般都伴有外部損傷或者痕跡，通過目視檢查，輔之以常用的工具即可判斷出大多數的電氣線路系統損傷。

手電筒和反光鏡是外場最常用的外觀檢查工具[5]，如圖2所示。通過反光鏡，可以觀察到可達性比較差的區域中電氣線路系統的損傷情況。對于使用手電筒和反光鏡也無法觀察到的區域，還可以借助內窺鏡(圖2右)等進行觀察。一些先進的內窺鏡具備攝像探頭自帶光源照明的功能，可根據手柄精確控制探照位置，可拍照、錄像、存檔，功能更進一步的內窺鏡還支持測量計算等。

圖2 外觀檢查工具

2.2 電參數測量

在外觀檢查無法確定損傷情況時，需要借助一些通用儀表的電參數測量功能，輔助進行連通性檢查。這些儀表一般都是平時維護使用的便攜式儀表，如萬用表、微歐表、兆歐表等。

還有一些特殊的電纜，常用于傳輸高頻、射頻信號，對信號傳輸的要求非常高。對這類電纜，僅僅測試信號線路的通、斷或者阻值是不夠的，還需要利用相關設備測試線路上的電壓駐波比、插入損耗等參數，這方面可以借助專用的便攜式網絡分析儀完成。

1553B總線是飛機電氣線路中的另一類常見線路。由于這類線路中間采用了耦合器等，無法通過上述儀表來測試線路的完整性。這種情況需要使用專門的總線檢測儀。有些總線檢測儀不僅可以測量信號線路的物理特性(連通、絕緣、錯線、屏蔽性等)，還可以更進一步測試總線通信的誤碼率。

2.3 損傷的檢測定位

線路戰傷不同于平時故障的一個重要特征是其損傷位置的不確定性。線路的戰斗損傷可能會出現在任何位置，也可能會比較隱蔽，通過外觀檢查或者普通的電參數測量儀器，可能無法確定到損傷的具體位置，而在搶修時，這又是需要迫切解決的問題。為解決線路損傷/故障的準確檢測和定位問題，近年來涌現了多種相關技術[19-22]，比較有代表性的是X射線法、巡線法、紅外熱成像法、電容電感測試法、高壓放電法、反射分析法等。其中，反射分析法最適于解決飛機上的線路損傷檢測定位難題。還有一些方法如時域反射分析、頻域反射分析、擴頻時域反射分析法(SSTDR)、駐波法等可視為反射分析法的變種。表2比較了幾種典型檢測定位方法的特點。

表2 損傷檢測與定位方法性能比較

反射分析法的基本原理類似雷達。利用反射法測試時，首先在線路的其中一端注入信號，信號一般是高寬帶信號(以提高損傷定位的精度)。該信號沿著線路傳播，當遇到線路上的阻抗不連續點(接頭、缺陷、斷路、短路、接觸不良等)時，信號會產生反射，部分信號能量將返回到信號注入端。分析被反射回來的信號大小、極性以及其相對于入射信號的延時，可以得知阻抗的具體變化情況，從而與具體線路情況對應起來。從表1對線路的損傷模式分析可以看出，絕大部分電氣線路線的戰傷模式都可以與阻抗異常對應起來。如電線電纜切斷、絕緣層損傷、特種線損傷、電連接器接觸偶損傷、接線端子松動等等，都可以在線路阻抗上得到反映。而且，很重要的一點，飛機上復雜的線路拓撲也能通過阻抗反映且有著明顯的特征，因此就確定了反射分析法相對于其他線路損傷檢測定位方法的優勢[21]。

圖3是美軍在相關手冊[7]中推薦使用的兩種時域反射分析儀表，一種是3M公司的900AST設備(左側)，另一種是ECLYPSE公司的ESP+設備(右側)。這兩種設備在民航維修中也有應用。

圖3 美軍推薦使用的2種TDR類儀表：3M公司900AST和ECLYPSE公司ESP+

反射分析法的突出優點是其定位的準確性。其測試結論可告知維修人員線路損傷點距離測試端的準確距離，但其局限也在于此，因為該方法無法反映出損傷點具體在哪一塊蒙皮或面板之下，而后者才是維修人員更希望得到的提示。因此，反射分析法往往還需要配合包含有線束三維空間敷設模型的計算機輔助設備等，以便為維護人員提供更有效的提示。其次，線路損傷定位的精度與具體采用的信號樣式、處理方法有關。簡單的駐波分析實現成本低，但是精度有限，在一般戰斗機上意義有限(線路普遍較短，或者損傷點距離測試端點近，容易陷入測試盲區)；高級的時域反射分析通過使用大帶寬信號和復雜的信號處理技術，可以獲得高分辨力，但是設備成本高，部隊人員學習的成本也比較高。

綜上所述，在實際應用中，確定電氣線路系統的損傷，往往需要采用上述方法中多種方法的綜合。同時，部隊尤其需要重視一些新技術在平時線路維護中的應用，為戰時能力的轉換奠定基礎。

3 電氣線路系統戰傷的應急修理

為提高部隊飛機電氣線路系統的搶修效率，本文著眼當前需求，從搶修方案制定、方法選擇、搶修工具選用上給出一些建議，以供參考。

3.1 搶修方案制定

搶修方案制定是指在掌握電氣線路系統損傷基本情況的基礎上，綜合戰場環境、任務需求、人力、工具、設備、器材等因素后，做出的修理方法(包括推遲修理)選擇。

從電氣線路系統在飛機上的作用地位以及其損傷模式考慮，對于電氣線路系統的搶修，應該確立3個基本的原則：一是恢復損傷的必要功能項目的性能，二是確保非任務必要項目的安全，三是盡可能快地完成修復。

制定搶修方案時可參照圖4所示的流程圖進行。首先根據損傷檢查、檢測、定位的結果，進行電氣線路系統的損傷影響分析，然后根據飛機作戰任務必要項目(系統、子系統、部件)需求，確定是否可以推遲修理、是否具備標準修理的條件和可能、是否具備應急修理的條件和可能等，相應地做出推遲修理、標準修理、應急修理的具體方案，或者是放棄修理。

圖4 電氣線路系統搶修方案制定流程圖

3.2 應急修理方法

只要不帶來直接的安全威脅，制定方案時可視情采用以下一種和幾種方法的綜合：推遲、拆換、重構、原位修復、現場制配等。

對于備用系統的線路，或者非任務必要系統的線路損傷，可采用簡單的絕緣和屏蔽處理后，推遲修理；對于通用性強、同時又易于拆下的電纜如高頻線、1553B總線短截線，或者卡箍、端子等，可以采用拆換的方法，快速完成搶修；對于某些接線盒或配電板損傷，可以采用死接頭短接兩端線路的方法，繞過損傷的接線部件，實施重構搶修(圖5)；對于可達性較好的普通低頻電線，可以實施原位修復(如圖6和圖7所示，分別對應普通電線和屏蔽電纜的修復)；對于同軸電纜損傷、電連接器損傷、總線損傷等，還可以采用現場制配的方法。

圖5 重構修復接線盒損傷示例

圖6 原位修復普通電線

圖7 原位修復屏蔽電纜

3.3 修理工具

在電氣線路修理方面，通常應使用專用的工具箱。工具箱配備齊套的工具與材料，便于外場和戰場條件下展開使用。由于不同的飛機使用了不同種類的電連接器、接觸件、端子等，所以各機型對應的線路修理工具也不完全相同。例如，DMC公司為美軍推出了適用于各型軍用飛機的線路修理專用集成式工具箱。這些工具箱便于攜帶，既可用于平時修理，也用于戰傷搶修，避免了戰時工具臨時更換帶來的麻煩。

同時，在一些工具設備選用上，也應有相應的規范，以確保安全性和有效性。一個典型的例子是加熱工具(焊接導線、加熱熱縮套管兩用)的選用。美軍在進行電氣線路修理時，區分了內場修理、外場修理、有油液暴露(油箱破損、油箱內作業、油路損傷等情況)時的修理幾種不同情況，每種情況分別選用何種類型的加熱工具，在美軍的相關規范[7]中都有明確，這種規范性的做法值得借鑒。

4 結語

從系統的觀點來研究飛機上電氣線路相關的問題，可提升其整體的維修性、可靠性與保障性水平。本文嘗試對電氣線路系統的戰傷模式進行分類和規范，并完成了初步的DMEA分析，其結論可作為其他機載系統戰傷評估的基礎。對于電氣線路系統的戰傷檢測與定位難題，對比了相關方法的優缺點，重點介紹了反射分析法在線路檢測定位上的應用。最后，對于電氣線路系統的應急修理，給出了搶修方案制定的原則與流程，也介紹了一些應急修理的方法與工具，可為當前航空兵部隊相關保障提供支持。