无人机回收系统故障分析

魏昌全

摘 要：为找到无人机回收系统故障的原因，运用故障树分析法建立故障树模型，为故障排查指明方向，并定位故障。根据故障排查结果，对故障部件进行故障模式、机理影响分析，确定故障模式和影响，找出故障发生的根本原因和故障机理，提出改进措施，有助于提高无人机回收系统的可靠性。

关键词：无人机 回收故障 故障树分析 故障模式机理影响分析

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0056-02

随着无人机技术的不断发展，无人机广泛应用于各个领域，满足不同需求的新型无人机不断涌现。具有飞行高度低、飞行速度快、雷达散射截面积小、可回收等特点的无人机是新型无人机发展的重要方向。该型无人机在研制试飞回收阶段发生故障，无人机回收失败坠毁，为查明故障原因，提出改进措施，提高无人机回收可靠性，采用故障树分析[1，2]（FTA）和故障模式、机理影响分析[3]（FMMEA）相结合的方法进行故障分析。

1 总体思路

基于FTA-FMMEA[4]进行无人机回收系统故障分析的总体思路。

首先通过对无人机回收故障现象的描述分析，确定故障树分析的顶事件，根据顶事件形成的原因寻找中间事件和底事件，建立故障树模型，针对故障树模型中的各底事件逐项进行分析排查，从而定位故障。针对定位的故障部件进行故障模式、机理影响分析，确定其潜在的故障模式及影响，分析各故障模式的故障原因及故障机理，并提出相应的改进措施，从而提高该型无人机的回收可靠性。

2 基于FTA的故障分析

2.1 故障描述及顶事件确定

无人机在研制试飞回收过程中发生故障的具體表现形式为：无人机到达回收启动点后，飞控系统正常发送回收系统的回收时序指令，回收伞舱盖解锁机构正常工作，伞舱盖正常弹开和分离。但是，回收伞舱中的回收伞未出舱，回收系统未发挥减速、稳降作用，无人机继续向前飞行，运动参数满足自毁判据后，无人机打舵自毁。通过对无人机残骸进行检查，发现回收系统的抛伞机构未工作，仍整体留在无人机回收伞舱内。

通过上述故障描述可知，此次无人机回收故障的原因是抛伞机构未工作，中断了无人机的回收流程，导致回收伞未起到减速、稳降作用，使无人机运动参数满足自毁判据，从而打舵自毁。因此，在对此次回收故障进行故障树分析时，将抛伞机构未工作作为顶事件F。

2.2 故障树建立

抛伞机构工作的基本流程为：飞控计算机发出抛伞机构工作指令→抛伞指令经电气线路传送至相应继电器→继电器闭合→接通启动机构启动线路→集热器熔断→点燃启动药→点燃推进药柱→推进药柱燃烧产生能量由喷管喷出产生推力→在推力作用下运动壳体由固定机构射出→经连接带实现回收伞出舱。通过分析抛伞机构工作的基本流程，以抛伞机构未工作为顶事件，可建立如图2所示故障树。

图2中各事件符号代表意义如下：F表示抛伞机构未工作；F1表示抛伞机构失效；F2表示抛伞机构未收到工作指令；F3表示启动机构失效；F4表示运动机构失效；F5表示工作指令未传到抛伞机构；F6表示继电器故障；X1表示固定机构变形；X2表示飞控计算机未发出工作指令；X3表示启动机构集热器失效；X4表示启动机构启动药失效；X5表示启动机构导线故障；X6表示启动机构插头未连接；X7表示运动机构推进药柱失效；X8表示运动壳体损伤；X9表示运动机构挡板脱落；X10表示运动机构胶圈失效；X11表示运动机构喷管堵塞；X12表示无人机电气线路故障；X13表示无人机电池电压不满足抛伞机构工作要求；X14表示继电器1故障；X15表示继电器2故障。

用上行法[5]可求得故障树模型如下：

F=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X12+X13+X14、X15

2.3 故障定位

通过对飞行试验遥测数据进行判读可知，飞控计算机发出了抛伞机构工作指令，无人机电池电压满足抛伞机构工作要求。因此，故障X2和X13可排除。

通过复查无人机技术准备表格和技术准备工作照片可知，抛伞机构外观正常、工作阻值正常，启动机构插头正常连接。因此，故障X1、X5、X6可排除。

通过对无人机残骸中与抛伞机构工作指令相关的电气控制装置电路、连接电缆进行检查，电气控制装置的继电器1、继电器2动作正常，电缆连接正常。因此，故障X12、X14、X15可排除。

通过对故障抛伞机构分解检查可知，运动机构喷管未堵塞、运动机构胶圈未失效、运动机构挡板未脱落、运动壳体未损伤、运动机构推进药柱未工作，启动机构集热器熔断、启动机构启动药未工作。因此，故障X3、X8、X9、X10、X11可排除，故障X4、X7不可排除。

由于启动机构启动药正常工作是运动机构推进药柱工作的先决条件，因此，顶事件F（抛伞机构未工作）的故障原因为启动机构启动药失效，即故障X4。

3 故障模式、机理影响分析

3.1 故障模式及影响分析

启动机构启动药采用三级启动方式，由热敏药、次启动药、主启动药组成。启动机构启动药可能存在的故障模式为热敏药失效、次启动药失效、主启动药失效。上述任一故障模式发生，都将导致启动机构启动失败，抛伞机构无法工作，无人机回收失败。

3.2 故障原因

热敏药失效、次启动药失效、主启动药失效的故障原因分析如下。

（1）药剂漏装。如果在启动机构装配过程中，装配工人漏装热敏药、次启动药、主启动药中的任意一种药剂都将导致相应的故障模式发生，从而导致启动机构启动失败。

（2）药剂工作前脱落。热敏药、次启动药与集热器通过绸垫封装在一起，如果封装时管壳收口压接不到位，在外界震动条件下易造成绸垫脱落，热敏药和次启动药将脱落于主启动药内，从而导致集热器工作时产生的热能无法有效传递，造成启动机构启动失败。

（3）药剂受潮。如果抛伞机构长期存储在湿度过高的环境中，且没有采取有效的控制措施，则热敏药、次启动药、主启动药容易受潮，任意一种药剂受潮都将导致相应的故障模式发生，从而导致启动机构启动失败。

（4）药剂药量不足。如果在启动机构装配过程中，装配工人在装填热敏药、次启动药、主启动药中任意一种药剂时没有达到要求的药量，都将导致启动机构的传热过程中断，造成启动机构启动失败。

（5）药剂制药不匀。热敏药液使用时，需搅拌工艺，长时间放置后会出现药液分层，影响热敏药性能。

3.3 改进措施

人为失误出现了9次，温湿度控制出现了3次，震动冲击出现了2次。人为失误主要出现在热敏药、次启动药、主启动药的装配环节，温湿度控制和震动冲击主要出现在存储、使用环节。因此，提出如下改进措施。

（1）规范启动药装配工艺流程。

制作启动药装配工艺流程表，细化热敏药、次启动药、主启动药装配工艺流程，明确装配先后顺序及各药剂药量，明确热敏药、次启动药封装时管壳收口和绸垫固定要求，明确热敏药液搅拌工艺要求等。装配工人应严格按照装配工艺流程表进行装配操作，逐项对照检查，对于关键操作（例如：管壳收口、绸垫固定等）应拍照为证，最后应签字确认。

（2）强化验收环节把控。

启动机构批次验收环节应派专人对启动药装配过程中产生的技术资料（装配工艺流程表、照片）进行复查，并明确启动机构批次验收需进行震动试验。

（3）明确启动机构存储、使用条件。

给出启动机构存储时的温湿度控制要求，明确启动机构使用过程中的注意事项，应严格按照要求进行存储、使用。

4 结语

本文运用FTA-FMMEA综合分析法对无人机在研制试飞回收阶段发生的故障进行分析，通过FTA分析确定了故障原因为启动机构启动药失效。通过FMMEA分析明确了启动机構启动药潜在故障模式及影响，分析了其故障原因及故障机理，并提出了相应的改进措施，提高了启动机构启动药可靠性，从而提高了无人机回收系统可靠性。

参考文献

[1] 王古常，吴一波.无人机控制与导航系统故障分析及备件优化[J].兵工自动化，2015，34（1）：79-81.

[2] 陈云霞，关理想，巩芳.基于FTA的无人机机轮刹车系统安全性分析[J].机电工程技术，2012，41（7）：115-117.

[3] 陈颖，高蕾，康锐.基于故障物理的电子产品可靠性仿真分析方法[J].中国电子科学研究院学报，2013，8（5）：444-448.

[4] 李志强，王茜，武宏程，等.基于FTA-FMMEA的某型导弹发动机失效分析[J].航空兵器，2014（6）：62-66.

[5] 孙华，唐晓庆，李瑞.FMECA和FTA综合分析法在动密封系统中的应用[J].装备学院学报，2015，26（6）：82-88.