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摘要：飞机速率陀螺传感器组件用于测量飞机的俯仰、滚转与航向角速度，对于飞行品质起着关键作用，关乎飞行安全。本文对一起典型飞机速率陀螺组件故障进行深入分析，找出故障的根本原因，并总结其他常见速率陀螺组件故障类型和解决办法，为后续故障的排除和预防提供参考。
关键词：速率陀螺；液浮式陀螺仪；故障树分析
Keywords：rate gyroscope；liquid floated gyroscope；fault tree analysis
1 概述
速率陀螺组件是飞机飞控系统的核心部件，是一种即使无外界参考信息，也能探测出飞机姿态信息的传感器。速率陀螺组件用于测量3个正交轴的角速率，飞控计算机实时监测并采集速率陀螺组件提供的姿态参数。随着飞机的不断升级，需要更加精准的传感器采集系统来提高飞机飞行安全以及操纵品质。液浮式速率陀螺组件是一种高性能电反馈陀螺仪，尤其适合在恶劣条件下使用，其抗冲击震动性能较强，也常用于火控系统中，由于使用环境恶劣，极端的环境下也造成速率陀螺组件本身故障率偏高。
2 故障现象
某飞机在执行飞行任务后，飞行员反映飞机在空中报俯仰角速率D通道故障。
飞行后通电检查，查看PL故障清单发现故障依旧存在。查看飞参发现，报故的D通道对应速率陀螺组件B通道，而且在飞行过程中B通道俯仰方向无电机自检信号（要求峰峰值15V方波，频率800Hz），同时该方向速率输出信号接近为零。
3 基本原理
飞机上安装两个速率陀螺传感器组件，满足四余度要求，每个速率陀螺传感器组件又由两个俯仰速率陀螺和两个滚转速率陀螺以及电源变换电路和信号调整电路组成，两个通道的结构相同，而又相互独立。
速率陀螺传感器组件，用于测量飞机的俯仰、滚转与航向角速度，并将信号提供给驾驶员操作接口单元，通过总线送给飞行管理计算机用于控制律计算。采用液浮式单自由度速率陀螺，当对于陀螺输入轴有角速率运动时，陀螺将绕其输出轴转动，转动角度与输入角速率成比例，通过同步器可将转角转换为成比例的电压信号进行输出。输出信号经过调理电路调整，以满足与驾驶员操作接口单元的接口要求和性能要求，在结构、电路布局上保证一个LRU含航向、俯仰、倾斜各两个余度。
通过测速线圈速率陀螺，传感器组件可检测陀螺马达的转速，并输出整理后的15V方波信号，供驾驶员操作接口单元进行速率陀螺传感器组件的空中工作检查。驾驶员操作接口单元向速率陀螺传感器组件输入检测指令，通过速率陀螺传感器组件内的力矩器，强迫陀螺马达绕输出轴偏转，使陀螺输出信号，以完成速率陀螺传感器组件的地面检查。
该型陀螺仪主要由同步器、陀螺电机、扭杆、阻尼器等组成，结构原理如图1所示。
该型速率陀螺组件由相互独立的A通道和B通道组成，用于测量飞机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速率，每个通道包括航向、俯仰、倾斜3路输出，共有6路输出。陀螺组件由4只X型速率陀螺仪（航向和俯仰）、2只Y型速率陀螺仪（倾斜）、1块电路板和产品底座等零件组成。陀螺仪敏感载体3个正交轴的角速率信号，电路板为陀螺仪提供相关电源，并将陀螺仪测量的角速率信号转化成正比的直流电压信号，传送给飞控系统。速率陀螺组件的原理框图如图2所示。
4 故障原因分析
针对故障现象，初步判断为速率陀螺组件自身故障或接插件故障。地面通电测试故障现象相同，飞参数据显示速率陀螺组件未将15V方波信号提供给驾驶员操作接口单元，导致速率陀螺组件上电自检不过。针对速率陀螺组件B通道无电机自检信号问题，通过对飞机飞控系统与传感器子系统的分析，结合产品组成及故障现象建立了以速率陀螺组件B通道俯仰方向无电机自检信号为顶事件的故障树（见图3），并逐一进行分析。
4.1 对外电气连接故障排查
首先，采用替换法对速率陀螺组件机箱进行初步分离与定位。将报故障的B通道速率陀螺组件机箱与A通道速率陀螺组件机箱进行互换，通电检测发现故障随速率陀螺组件机箱转移至A通道。排除对外电气连接故障的可能。
4.2 对电路板故障排查
给故障速率陀螺机箱更换一个检验合格的陀螺仪，进行机上通电检查，故障消失。检测其输出因数和电机自检输出方波信号频率均正常，将故障件的陀螺仪安装至另一合格速率陀螺组件机箱，在B通道航向上机通电测试，故障跟随至B通道航向发生。排除电路板故障的可能。
4.3 对陀螺仪故障排查
在专用测试台上对故障陀螺仪进行测试。陀螺仪输出标度因数为0mV/（°/s），正常情况下合格的陀螺仪输出标度因数为30mV/（°/s）；同时，陀螺电机无自检输出信号波形，也没有电机旋转的声音，因此确认是陀螺仪故障或是陀螺仪接插件故障。
4.4 陀螺儀接插件排查
拆下故障速率陀螺组件，用万用表直流电阻档测量插头相关电阻值，如表1所示，除插头5号与3号针之间的电机I相的电阻值为开路外，其余信号都在合格范围内。拆解插头观察5号针和3号针，发现5号针焊锡量偏少，连接引线有脱落现象，测量发现线路不通，确定5号针虚焊。
5 速率陀螺组件常见故障的排除与预防
液浮式陀螺仪精度高、可靠性高、环境适应能力强，但是结构复杂、生产成本高，常用于航空、航天、武器等要求精度高、使用环境恶劣的系统中，极端的使用环境也造成速率陀螺组件本身故障率偏高。通过对多起飞机速率陀螺组件故障的排除与总结，将故障原因大致进行以下分类，以便于故障的预防和排除。 5.1 单通道电机自检不通过
某飞机在地面试车时进行飞控自检，查看故障清单发现俯仰SMRD信号监控故障（B通道）。停车后进行地面通电检查，故障现象依然存在。查看飞参，发现报故的B通道对应速率陀螺组件A通道，试车过程中A通道俯仰方向出现无电机自检信号，同时该方向速率输出信号接近为零。检查速率陀螺组件发现陀螺电机轴承出现非正常磨损，导致陀螺电机转速变慢或堵转，无法发出自检方波。更换速率陀螺组件后故障排除。
当出现类似故障时，应先进行速率陀螺组件机箱的外观检查，包括插头、插座的连接情况和内部的接线情况，再通过飞机配电系统检查供电是否正常，最后对速率陀螺组件进行检查，结合飞机试车及通电检查数据，检查各通道有无电机自检信号。
5.2 速率陀螺通道故障导致飞控降级
某飞机滑出前机上报“速率陀螺‘R、Y’故障”“飞控信号降级”，飞行员按“复位”按钮后故障消失，飞行后判读飞参数据，判定左速率陀螺传感器组件机箱故障。
对速率陀螺传感器组件机箱执行轴承更换，并更换B通道电连接器以及插座。更换完成后在系统试验台上进行联试，零位、速率输出、电机自检信号均正常，装机使用，系统工作正常。
当出现上述类似故障时，应先检查插头、插座的连接情况和内部的接线情况，如果是插头、插座故障，则进行修理或更换，之后再进行下一步检查；如插头、插座完好，则检查系统供电是否正常；最后对速率陀螺组件进行检查，结合飞机通电检查数据，检查与上级控制单元及信号输出单元的通信情况。
5.3 速率陀螺底座零位较大导致姿态参数不符
某飞机在空中，飞行员故障清单中报“飞控信号降级4”故障，在飞控显示页面速率陀螺栏中，B通道有“P”字符出现。查看飞参，发现飞行中B通道俯仰速率故障，该方向速率输出信号为-2V。
上述故障出现后，检测速率陀螺组件零位偏差至200mV。对其进行调整，之后多次检查故障没有复现。
速率陀螺组件通过4个托架螺钉固定在机体上，4个弹簧齿套分别套在各托架螺钉上，再用4个卡环分别卡在托架螺钉的槽内。这种设计方式虽有放松作用，但在高强度飞行过程中，由于底座安装面与托架摩擦以及飞机自身的飞行作用，均可能导致底座零位较大。实际工作中，零位不准会间接导致转动角速率等参数出现偏差。因此，日常维护时，应频繁检查速率陀螺组件周边有无碰撞痕迹，以及插座、涂漆、螺钉的完好性。
6 总结
通过对飞机速率陀螺组件工作原理的分析和上述典型故障案例的介绍，认识到掌握故障定位和排除方法可提高外场维护人员的业务水平，最大程度地缩短维修时间。传感器系统的工作状态直接决定着飞行安全和飞行品质，速率陀螺组件实时监测飞机的姿态，保障着飞行安全。做好速率陀螺组件的维护，能让飞机达到一个更优的工作状态，对于保障飞行有着非常重要的作用。
参考文献
[1]董勁峰，和德安. 液浮速率陀螺仪的研究和改进[J].传感器技术，2003（7）.
[2]惠恩宣.浅谈液浮速率陀螺零位精度问题[J].自动驾驶仪与红外技术，2001（1）.
作者简介
程斌，助理工程师，主要从事飞机维修保障工作。
万引伟，助理工程师，主要从事飞机维修保障工作。
刘少平，工程师，主要从事飞机维修保障工作。
关键词：速率陀螺；液浮式陀螺仪；故障树分析
Keywords：rate gyroscope；liquid floated gyroscope；fault tree analysis
1 概述
速率陀螺组件是飞机飞控系统的核心部件，是一种即使无外界参考信息，也能探测出飞机姿态信息的传感器。速率陀螺组件用于测量3个正交轴的角速率，飞控计算机实时监测并采集速率陀螺组件提供的姿态参数。随着飞机的不断升级，需要更加精准的传感器采集系统来提高飞机飞行安全以及操纵品质。液浮式速率陀螺组件是一种高性能电反馈陀螺仪，尤其适合在恶劣条件下使用，其抗冲击震动性能较强，也常用于火控系统中，由于使用环境恶劣，极端的环境下也造成速率陀螺组件本身故障率偏高。
2 故障现象
某飞机在执行飞行任务后，飞行员反映飞机在空中报俯仰角速率D通道故障。
飞行后通电检查，查看PL故障清单发现故障依旧存在。查看飞参发现，报故的D通道对应速率陀螺组件B通道，而且在飞行过程中B通道俯仰方向无电机自检信号（要求峰峰值15V方波，频率800Hz），同时该方向速率输出信号接近为零。
3 基本原理
飞机上安装两个速率陀螺传感器组件，满足四余度要求，每个速率陀螺传感器组件又由两个俯仰速率陀螺和两个滚转速率陀螺以及电源变换电路和信号调整电路组成，两个通道的结构相同，而又相互独立。
速率陀螺传感器组件，用于测量飞机的俯仰、滚转与航向角速度，并将信号提供给驾驶员操作接口单元，通过总线送给飞行管理计算机用于控制律计算。采用液浮式单自由度速率陀螺，当对于陀螺输入轴有角速率运动时，陀螺将绕其输出轴转动，转动角度与输入角速率成比例，通过同步器可将转角转换为成比例的电压信号进行输出。输出信号经过调理电路调整，以满足与驾驶员操作接口单元的接口要求和性能要求，在结构、电路布局上保证一个LRU含航向、俯仰、倾斜各两个余度。
通过测速线圈速率陀螺，传感器组件可检测陀螺马达的转速，并输出整理后的15V方波信号，供驾驶员操作接口单元进行速率陀螺传感器组件的空中工作检查。驾驶员操作接口单元向速率陀螺传感器组件输入检测指令，通过速率陀螺传感器组件内的力矩器，强迫陀螺马达绕输出轴偏转，使陀螺输出信号，以完成速率陀螺传感器组件的地面检查。
该型陀螺仪主要由同步器、陀螺电机、扭杆、阻尼器等组成，结构原理如图1所示。
该型速率陀螺组件由相互独立的A通道和B通道组成，用于测量飞机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速率，每个通道包括航向、俯仰、倾斜3路输出，共有6路输出。陀螺组件由4只X型速率陀螺仪（航向和俯仰）、2只Y型速率陀螺仪（倾斜）、1块电路板和产品底座等零件组成。陀螺仪敏感载体3个正交轴的角速率信号，电路板为陀螺仪提供相关电源，并将陀螺仪测量的角速率信号转化成正比的直流电压信号，传送给飞控系统。速率陀螺组件的原理框图如图2所示。
4 故障原因分析
针对故障现象，初步判断为速率陀螺组件自身故障或接插件故障。地面通电测试故障现象相同，飞参数据显示速率陀螺组件未将15V方波信号提供给驾驶员操作接口单元，导致速率陀螺组件上电自检不过。针对速率陀螺组件B通道无电机自检信号问题，通过对飞机飞控系统与传感器子系统的分析，结合产品组成及故障现象建立了以速率陀螺组件B通道俯仰方向无电机自检信号为顶事件的故障树（见图3），并逐一进行分析。
4.1 对外电气连接故障排查
首先，采用替换法对速率陀螺组件机箱进行初步分离与定位。将报故障的B通道速率陀螺组件机箱与A通道速率陀螺组件机箱进行互换，通电检测发现故障随速率陀螺组件机箱转移至A通道。排除对外电气连接故障的可能。
4.2 对电路板故障排查
给故障速率陀螺机箱更换一个检验合格的陀螺仪，进行机上通电检查，故障消失。检测其输出因数和电机自检输出方波信号频率均正常，将故障件的陀螺仪安装至另一合格速率陀螺组件机箱，在B通道航向上机通电测试，故障跟随至B通道航向发生。排除电路板故障的可能。
4.3 对陀螺仪故障排查
在专用测试台上对故障陀螺仪进行测试。陀螺仪输出标度因数为0mV/（°/s），正常情况下合格的陀螺仪输出标度因数为30mV/（°/s）；同时，陀螺电机无自检输出信号波形，也没有电机旋转的声音，因此确认是陀螺仪故障或是陀螺仪接插件故障。
4.4 陀螺儀接插件排查
拆下故障速率陀螺组件，用万用表直流电阻档测量插头相关电阻值，如表1所示，除插头5号与3号针之间的电机I相的电阻值为开路外，其余信号都在合格范围内。拆解插头观察5号针和3号针，发现5号针焊锡量偏少，连接引线有脱落现象，测量发现线路不通，确定5号针虚焊。
5 速率陀螺组件常见故障的排除与预防
液浮式陀螺仪精度高、可靠性高、环境适应能力强，但是结构复杂、生产成本高，常用于航空、航天、武器等要求精度高、使用环境恶劣的系统中，极端的使用环境也造成速率陀螺组件本身故障率偏高。通过对多起飞机速率陀螺组件故障的排除与总结，将故障原因大致进行以下分类，以便于故障的预防和排除。 5.1 单通道电机自检不通过
某飞机在地面试车时进行飞控自检，查看故障清单发现俯仰SMRD信号监控故障（B通道）。停车后进行地面通电检查，故障现象依然存在。查看飞参，发现报故的B通道对应速率陀螺组件A通道，试车过程中A通道俯仰方向出现无电机自检信号，同时该方向速率输出信号接近为零。检查速率陀螺组件发现陀螺电机轴承出现非正常磨损，导致陀螺电机转速变慢或堵转，无法发出自检方波。更换速率陀螺组件后故障排除。
当出现类似故障时，应先进行速率陀螺组件机箱的外观检查，包括插头、插座的连接情况和内部的接线情况，再通过飞机配电系统检查供电是否正常，最后对速率陀螺组件进行检查，结合飞机试车及通电检查数据，检查各通道有无电机自检信号。
5.2 速率陀螺通道故障导致飞控降级
某飞机滑出前机上报“速率陀螺‘R、Y’故障”“飞控信号降级”，飞行员按“复位”按钮后故障消失，飞行后判读飞参数据，判定左速率陀螺传感器组件机箱故障。
对速率陀螺传感器组件机箱执行轴承更换，并更换B通道电连接器以及插座。更换完成后在系统试验台上进行联试，零位、速率输出、电机自检信号均正常，装机使用，系统工作正常。
当出现上述类似故障时，应先检查插头、插座的连接情况和内部的接线情况，如果是插头、插座故障，则进行修理或更换，之后再进行下一步检查；如插头、插座完好，则检查系统供电是否正常；最后对速率陀螺组件进行检查，结合飞机通电检查数据，检查与上级控制单元及信号输出单元的通信情况。
5.3 速率陀螺底座零位较大导致姿态参数不符
某飞机在空中，飞行员故障清单中报“飞控信号降级4”故障，在飞控显示页面速率陀螺栏中，B通道有“P”字符出现。查看飞参，发现飞行中B通道俯仰速率故障，该方向速率输出信号为-2V。
上述故障出现后，检测速率陀螺组件零位偏差至200mV。对其进行调整，之后多次检查故障没有复现。
速率陀螺组件通过4个托架螺钉固定在机体上，4个弹簧齿套分别套在各托架螺钉上，再用4个卡环分别卡在托架螺钉的槽内。这种设计方式虽有放松作用，但在高强度飞行过程中，由于底座安装面与托架摩擦以及飞机自身的飞行作用，均可能导致底座零位较大。实际工作中，零位不准会间接导致转动角速率等参数出现偏差。因此，日常维护时，应频繁检查速率陀螺组件周边有无碰撞痕迹，以及插座、涂漆、螺钉的完好性。
6 总结
通过对飞机速率陀螺组件工作原理的分析和上述典型故障案例的介绍，认识到掌握故障定位和排除方法可提高外场维护人员的业务水平，最大程度地缩短维修时间。传感器系统的工作状态直接决定着飞行安全和飞行品质，速率陀螺组件实时监测飞机的姿态，保障着飞行安全。做好速率陀螺组件的维护，能让飞机达到一个更优的工作状态，对于保障飞行有着非常重要的作用。
参考文献
[1]董勁峰，和德安. 液浮速率陀螺仪的研究和改进[J].传感器技术，2003（7）.
[2]惠恩宣.浅谈液浮速率陀螺零位精度问题[J].自动驾驶仪与红外技术，2001（1）.
作者简介
程斌，助理工程师，主要从事飞机维修保障工作。
万引伟，助理工程师，主要从事飞机维修保障工作。
刘少平，工程师，主要从事飞机维修保障工作。