民用飛機全機閃電間接效應試驗方法淺析

李春芳++史劍鋒

摘 要：民用飛機的閃電防護設計與驗證已成為飛機適航取證的一個重要組成部分，該文介紹了一種基于低電平注入的全機閃電間接效應試驗方法，通過測量機上關鍵/重要電子/電氣系統互連線纜上的感應瞬態(tài)電平，與機載設備瞬態(tài)設計電平相比較，以驗證飛機閃電間接效應防護的充分性和有效性，從而支持飛機適航取證。

關鍵詞：閃電 間接效應 飛機 低電平注入

中圖分類號：V244.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0043-02

閃電間接效應是指外部閃電環(huán)境通過各種耦合機制對機載的航空電子/電氣設備產生干擾導致設備功能的暫時/永久失效，嚴重時將影響飛機的持續(xù)安全飛行和著陸。在現代航空技術中，大量先進航空電子技術的應用，使得飛機對閃電間接效應更加敏感，遭受閃電時損失也會更大。目前，飛機的閃電防護設計已經成為適航認證的一個重要的組成部分，美國聯邦航空管理局（FAA）頒布的聯邦航空規(guī)章中的FAR 25.1316條款，明確了運輸類飛機的閃電間接效應防護設計要求。同時，FAA咨詢通報AC 20-136也明確提出，在飛機的設計階段，需通過全機閃電間接效應試驗，驗證飛機關鍵/重要電子/電氣系統閃電間接效應防護設計的充分性和有效性[1]。因此，對于飛機的主制造商來說，研究和掌握全機閃電間接效應試驗的方法顯得尤為重要。

1 試驗原理

飛機遭遇閃電后，閃電能量通過機體傳導和場耦合到飛機內部執(zhí)行重要功能的設備連接線上形成的電壓和電流瞬態(tài)電平可能會導致設備功能紊亂或者失效，從而影響飛機安全。線上感應的電壓/電流瞬態(tài)稱作實際感應瞬態(tài)電平（Actual Transient Level，ATL）。將這些ATL數據與表征設備耐受閃電能力的飛行關鍵/重要設備的設備瞬態(tài)設計電平（Equipment Transient Design Level，ETDL）比較，以驗證飛機設計中所采取的閃電防護設計的充分性，從而表明飛機的適航符合性，如（圖1）所示。

全機閃電間接效應試驗就是用于獲得飛機系統布線的ATL。為此試驗需要模擬飛機遭遇閃電環(huán)境，一般采用模擬的閃電電流脈沖注入飛機，閃電電流脈沖波形在SAE ARP5412B[2]中明確定義，本文不在累贅。為避免對飛機或設備造成損壞，在試驗中需要對幅值進行縮比。通過放置在飛機內部或附近的示波器測量和記錄在指定的互連導線和電纜中感應的電壓和電流瞬態(tài)電平，然后將被測數據線性外推，從而獲得飛機實際瞬態(tài)電平（ATL）。

2 試驗方法

2.1 試驗布置

試驗布置如（圖2）所示，試驗設施包括飛機、回路導體網絡、電流發(fā)生器、電流發(fā)生器控制裝置和監(jiān)控設備、以及感應瞬態(tài)測量設備的布置。

飛機與回路導體除了在入點和出點處，不可有其他接觸位置。機輪與地平面的回路導體使用絕緣襯墊隔離，絕緣襯墊需承受飛機與回路導體之間的高電壓，通常要求具有35 KV以上的耐高壓能力。

回路導體鋪設在機身四周，形狀依據機身、機翼與尾翼位置布置，這樣可以盡量使電流在機身上的分布均衡，但對于大型飛機，架設這樣的回路導體網絡不太方便，也不現實，因此在通常情況下，可將回路導體作為地平面安裝在機身、機翼和尾翼下方，如圖3所示。這種構型不利之處是會導致機身下半部接近地平面處的電流密度偏大，而機身上半段的電流密度偏低，例如機身頂部及駕駛艙窗口位置。試驗時，應確保整個回路導體網絡具有良好的導電性能。

2.2 試驗

全機閃電間接效應試驗是重大的全機試驗，試驗需重點關注一下幾點：

（1）待測電纜選取

全機閃電間接效應試驗的測量對象是與飛機飛行關鍵/重要系統相關的導線，但是要對所有與飛行關鍵/重要系統相關的導線都進行感應電壓和感應電流測量是不切合實際的。因此，在實際中只需選擇一些典型的導線進行測量，所選擇的導線的敷設路徑應遍布整個飛機的所有典型位置。通常情況下，每個系統應選擇一根以上的線，如果可能的話，還應包括屏蔽和非屏蔽線。

（2）閃電電流通道

飛機具有典型的閃電附著點和流出點。試驗應選擇特定的閃電進入/流出附著點對，作為測試電流在機身上的傳導路徑，以使機內所有電纜線束都處于最惡劣的閃電環(huán)境中。一般典型的閃電電流通道如下表1所示：

（3）試驗安全

使用全幅值波形可能造成飛機或設備的損壞，通常情況下，使用的典型電流峰值范圍在1～20 KA之間，在不損壞飛機或設備的前提下，盡可能采用較高的幅值。通過放置在飛機內部或附近的示波器測量和記錄在指定的互連導線和電纜中感應的電壓和電流瞬態(tài)。然后將被測數據線性外推到所要求的全幅值。

試驗飛機的結構和功能應該完整，機上飛行關鍵/重要的電子電氣設備的互連線束安裝完畢，機上的試飛設備或試飛電纜需拆除或進行電隔離處理。試驗過程中飛機系統不上電。接觸器、斷路器、設備電源開關設置為連接狀態(tài)，保持電路的連續(xù)性。燃油系統、電子爆炸設備等需進行保護處理。電子爆炸設備可由等效的設備替換，可燃性燃油蒸汽需從油箱清除，并注入氮氣，降低燃油蒸汽密度及含量。

試驗中使用的電平雖然是經過幅值縮小后的較低電平，但模擬的閃電試驗涉及到一些高壓設備的使用和操作，例如電容組和電弧開關，其使用方式和涉及的電氣能量都超過了引起人員傷害所需的電平。因此，一定要采取安全預防措施并嚴格按照試驗程序執(zhí)行，確保在做試驗期間試驗人員不會與測試電路中任何帶電的部件相接觸。需重點關注大量流經包含燃油的機身區(qū)域的電流，需確保可能存在燃油蒸汽的區(qū)域不會出現電弧[4]。

（4）試驗結果

本試驗沒有明確的通過/失敗準則。本試驗的目的是確定機上安裝的導線和電纜上感應的ATL，用其和設備的瞬態(tài)設計電平（ETDL）相比較。通用的指導原則是ATL與ETDL之間應該至少有6dB的裕度。如果ATL比ETDL大，或者兩者之間所具有的裕度比所要求的值小，那么就必須對系統安全的影響進行評估。如果發(fā)現存在潛在的危險，那么必須尋求一些措施以減小設備對閃電間接效應的敏感性。endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導線上的開路電壓（Voc）測量：被測導線遠端接地，測量端開路，測量導線開路端與鄰近地之間的感應電壓；

單根導線上的短路電流（Isc）測量：被測導線兩端都接地，測量出現在單根導線上的感應電流；

電纜束上感應電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導線與其兩端的設備斷開，導線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結構短接，導線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導線的屏蔽層在導線的兩端都與鄰近結構搭接。線纜束感應電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結語

現代航空技術的日益發(fā)展，使得閃電間接效應對民用飛機機載電子/電氣系統的影響也日益顯現，同時，適航當局對民用飛機的閃電間接效應防護設計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應防護設計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應防護設計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導線上的開路電壓（Voc）測量：被測導線遠端接地，測量端開路，測量導線開路端與鄰近地之間的感應電壓；

單根導線上的短路電流（Isc）測量：被測導線兩端都接地，測量出現在單根導線上的感應電流；

電纜束上感應電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導線與其兩端的設備斷開，導線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結構短接，導線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導線的屏蔽層在導線的兩端都與鄰近結構搭接。線纜束感應電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結語

現代航空技術的日益發(fā)展，使得閃電間接效應對民用飛機機載電子/電氣系統的影響也日益顯現，同時，適航當局對民用飛機的閃電間接效應防護設計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應防護設計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應防護設計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導線上的開路電壓（Voc）測量：被測導線遠端接地，測量端開路，測量導線開路端與鄰近地之間的感應電壓；

單根導線上的短路電流（Isc）測量：被測導線兩端都接地，測量出現在單根導線上的感應電流；

電纜束上感應電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導線與其兩端的設備斷開，導線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結構短接，導線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導線的屏蔽層在導線的兩端都與鄰近結構搭接。線纜束感應電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結語

現代航空技術的日益發(fā)展，使得閃電間接效應對民用飛機機載電子/電氣系統的影響也日益顯現，同時，適航當局對民用飛機的閃電間接效應防護設計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應防護設計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應防護設計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint