設(shè)備閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)研究

摘 要：隨著復(fù)合材料、全權(quán)限發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)、集成模塊化航電等先進(jìn)技術(shù)的大量應(yīng)用，民用飛機(jī)對(duì)閃電間接效應(yīng)防護(hù)的要求也越來越高。閃電間接效應(yīng)防護(hù)的關(guān)鍵是閃電防護(hù)需求的確定和閃電防護(hù)指標(biāo)的制定。該文從適航指標(biāo)到需求確定，乃至閃電間接效應(yīng)防護(hù)指標(biāo)預(yù)估進(jìn)行了研究，用于飛機(jī)設(shè)計(jì)初期在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析條件下的閃電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)開展。雖然此方法獲得的結(jié)果不能完全與實(shí)際狀態(tài)一致，但簡單有效，仍不失一個(gè)好方法。

關(guān)鍵詞：閃電間接效應(yīng) 試驗(yàn)電平 防護(hù)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：V267文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（c）-0008-02

民用飛機(jī)在飛行過程中遭遇閃電的事件時(shí)有報(bào)到。據(jù)有關(guān)資料介紹，每架客機(jī)平均每年大約遭遇4～5次不同程度雷擊現(xiàn)象。根據(jù)作用機(jī)制和產(chǎn)生的后果，閃電效應(yīng)可分為兩類：閃電直接效應(yīng)和閃電間接效應(yīng)。閃電間接效應(yīng)是指當(dāng)飛機(jī)遭到閃電后，外部閃電通過電磁耦合在設(shè)備接口上的產(chǎn)生的感應(yīng)電流和電壓，當(dāng)其超過設(shè)備的敏感電平時(shí)就可能造成設(shè)備損壞或功能受擾，甚至于危及飛機(jī)的持續(xù)安全飛行和著陸。

閃電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一是設(shè)備閃電防護(hù)指標(biāo)的確定。指標(biāo)制定的準(zhǔn)確與否決定了飛機(jī)設(shè)計(jì)后期更少的設(shè)計(jì)更改和更好的經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)計(jì)需求

閃電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)需求來自于適航條款和客戶的需求。需求的正確、完整與否是機(jī)載電子、電氣設(shè)備防護(hù)指標(biāo)準(zhǔn)確確定的前提；不同安全性等級(jí)功能的系統(tǒng)/設(shè)備所對(duì)應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)要求不同，指標(biāo)也不同。

基于適航要求，飛機(jī)閃電防護(hù)需求如下：

a）飛機(jī)應(yīng)被保護(hù)免受SAEARP 5412A[1]所述閃電環(huán)境而引起災(zāi)難性影響；

b）機(jī)載關(guān)鍵、重要系統(tǒng)、設(shè)備應(yīng)符合FAR25.1316[2]要求，免受閃電間接效應(yīng)影響。

上述需求分解到系統(tǒng)/設(shè)備，分析FAR25.1316Amendment25-134[3]可知，OEM應(yīng)通過合理的系統(tǒng)、線纜設(shè)計(jì)和安裝確保關(guān)鍵（LevelA）系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能在飛機(jī)遭遇閃電期間和之后不受到任何不利影響，重要/主要的功能可以受到不利影響，但應(yīng)在閃電環(huán)境過后能夠及時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)；重要/主要（LevelB/LevelC）系統(tǒng)的重要/主要功能可以受到不利影響，但應(yīng)在閃電環(huán)境過后及時(shí)恢復(fù)；D、E級(jí)功能無適航要求。

結(jié)合AC20-136B[4]，適航需求分解到設(shè)備：A級(jí)設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)電平（ETDL）應(yīng)比實(shí)際瞬態(tài)電平（ATL）大一倍，即至少6dB安全余量；B、C級(jí)設(shè)備的ETDL應(yīng)不小于ATL。

2 指標(biāo)制定

根據(jù)DO-160G[5]，設(shè)備閃電間接效應(yīng)防護(hù)指標(biāo)包含兩類3個(gè)試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)要求由1位字母和數(shù)字組成。其中，字母代表波形組類型，數(shù)字代表防護(hù)電平等級(jí)，實(shí)例見圖1。

兩類試驗(yàn)分別為：

插針試驗(yàn)，屬于損傷容限試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)設(shè)備耐受閃電環(huán)境而不發(fā)生永久損壞的能力；

單擊、多擊和多脈沖試驗(yàn)，屬于功能受擾試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)設(shè)備耐受閃電環(huán)境而不發(fā)生功能受擾的能力；

閃電具有頻率低、幅值大、持續(xù)時(shí)間短特點(diǎn)，耦合性質(zhì)為磁場耦合，耦合方式分兩類：結(jié)構(gòu)IR阻抗耦合和開口耦合，由設(shè)備安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)特性（材料類型、結(jié)構(gòu)開口/縫隙的大小和位置），及互聯(lián)電纜敷設(shè)路徑的電磁防護(hù)特性決定。不同的耦合方式和線纜屏蔽特性，感應(yīng)在設(shè)備和互聯(lián)線纜上的閃電波形類別不同，對(duì)設(shè)備功能干擾形式也不同（如表1）。

開口耦合適用于機(jī)身外部或內(nèi)部具有較大電磁開口區(qū)域，或雖安裝在電磁保護(hù)區(qū)但存在線纜與電磁開放區(qū)設(shè)備相接的設(shè)備。阻抗耦合適用于CFC區(qū)域或未良好搭接金屬結(jié)構(gòu)區(qū)域的設(shè)備，此時(shí)導(dǎo)線將暴露在以波形5A或波形4為代表的再分布閃電電流（長波電流）下。

試驗(yàn)類別確定是防護(hù)指標(biāo)確定的第一步，第二步是確定試驗(yàn)等級(jí)，每一等級(jí)適用的電磁環(huán)境狀態(tài)見表2。

實(shí)際指標(biāo)制定時(shí)，除考慮表2所列因素外還需考慮設(shè)備安全性等級(jí)。A級(jí)設(shè)備應(yīng)具有6dB安全余量；B、C級(jí)設(shè)備由于無安全余量要求，指標(biāo)可在A級(jí)設(shè)備基礎(chǔ)上降一等級(jí)；D、E級(jí)設(shè)備無適航要求只有經(jīng)濟(jì)性要求，可根據(jù)波音、空客習(xí)慣只作插針試驗(yàn)，且試驗(yàn)等級(jí)比B、C要求再低一等級(jí)，用于確保設(shè)備不會(huì)因?yàn)殚W電而頻繁損壞。

插針試驗(yàn)電平與電纜束試驗(yàn)電平可不同，單擊/多擊和多脈沖組試驗(yàn)電平也可不一致。由于插針試驗(yàn)信號(hào)直接注入線芯，未考慮導(dǎo)線屏蔽作用，為提高安全性建議A級(jí)設(shè)備線纜束試驗(yàn)等級(jí)比插針試驗(yàn)高一等級(jí)。

3 波形及試驗(yàn)方法的適用性

不同波形適用于不同試驗(yàn)方法，只有正確的選擇試驗(yàn)方法才可確保試驗(yàn)的有效性，試驗(yàn)波形與試驗(yàn)方法的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

電簡單設(shè)備可采用絕緣耐壓試驗(yàn)或高電壓（Hi-pot）試驗(yàn)代替插針注入試驗(yàn)。電簡單設(shè)備必須是無源設(shè)備，沒有EMI濾波器、瞬態(tài)抑制器，或其它通過機(jī)殼地與飛機(jī)結(jié)構(gòu)相連的類似電路元件，如：作動(dòng)器、線性可變差分互感器（LVDTs）、速度傳感器等。絕緣耐壓試驗(yàn)電平應(yīng)至少為規(guī)定的閃電試驗(yàn)電平的峰值。當(dāng)待測(cè)針腳有偏置電壓時(shí)，絕緣耐壓試驗(yàn)電平應(yīng)是閃電試驗(yàn)電平疊加偏置電壓。

電纜束試驗(yàn)盡管也具有損傷容限測(cè)試能力，但其不能代替插針試驗(yàn)。電纜束試驗(yàn)干擾通過電流互感器加注在一束導(dǎo)線上，單根導(dǎo)線上感應(yīng)的干擾小于插針試驗(yàn)的電平，因此電纜束試驗(yàn)比插針試驗(yàn)更容易通過。

4 結(jié)語

由于機(jī)上線纜敷設(shè)的環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際敷設(shè)的互聯(lián)線纜可能經(jīng)過不同的電磁防護(hù)區(qū)，因此實(shí)際線纜上感應(yīng)的波形和電平與預(yù)估電平可能存在一定的差異，尤其是復(fù)材環(huán)境下。但在飛機(jī)設(shè)計(jì)初期，在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算分析的條件下基于上述定義確定防護(hù)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)仍具有指導(dǎo)性意義，但最終的試驗(yàn)電平還應(yīng)通過后續(xù)研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行不斷的修訂和更新。

參考文獻(xiàn)

[1]SAE ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms.

[2]CCAR/FAR 25，Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes.

[3]FAR 25.1316 Amendment 25-134，Airworthiness Standards； Electrical and Electronic System Lightning Protection.

[4]AC 20-136B，Protection of Aircraft Electrical/Electronic Systems Against the Indirect Effects of Lightning.

[5]DO-160G，RTCA Document DO-160 versions D，E，F(xiàn)，and G， “Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment”.