民用飛機(jī)電纜和連接器的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

劉洋++崔英男++李鵬昌++呂明

摘 要：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)是影響飛機(jī)安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。電纜和連接器作為EWIS的重要電氣元件，其設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著EWIS電磁防護(hù)的效果。該文從電磁防護(hù)方面對電纜和連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述和分析，介紹了EWIS的定義和適航相關(guān)要求、電纜屏蔽光覆蓋率設(shè)計(jì)、電纜分類設(shè)計(jì)、電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)及連接器屏蔽端接設(shè)計(jì)等，對民用飛機(jī)的EWIS設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：電氣線路互聯(lián)系統(tǒng) 電磁防護(hù) 電纜 連接器

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0089-02

隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)航空電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，各個(gè)系統(tǒng)正在向著多電化以及全電化方向發(fā)展，飛機(jī)的電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（EWIS）的復(fù)雜程度越來越高，涉及專業(yè)范圍越來越廣，飛機(jī)電磁防護(hù)問題日顯突出。在惡劣的電磁環(huán)境中，電磁干擾輕則影響機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備的性能；重則可能造成飛機(jī)的重大事故。電纜和連接器作為EWIS的重要電氣元件，其設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著EWIS電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的效果。

1 適航要求

2007年底，美國聯(lián)邦航空當(dāng)局（FAA）頒布的25-123修正案中正式提出EWIS概念，即任何導(dǎo)線、線路裝置，或其組合，包括端點(diǎn)裝置，安裝于飛機(jī)的任何部位用于兩個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)之間傳輸電能（包括數(shù)據(jù)和信號）。修正案在FAR25部中新增了H分部—EWIS，將以往分散于各個(gè)系統(tǒng)中的EWIS設(shè)計(jì)要求單獨(dú)歸納成部。

FAR 25部對EWIS電磁干擾防護(hù)做出了相關(guān)規(guī)定，如25.1707規(guī)定：每個(gè)EWIS的設(shè)計(jì)和安裝必須使任何在飛機(jī)上可能發(fā)生的電氣干擾，不會對飛機(jī)或其系統(tǒng)造成危險(xiǎn)影響；承載大電流的電線和電纜（及其相關(guān)的EWIS部件），其設(shè)計(jì)和安裝必須確保足夠的物理分離和電氣隔離，使得在故障情況下，對主要功能相關(guān)電路的損害最小[1]。因此，有必要對EWIS重要元件—電纜和連接器采取電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，減少EWIS方面的電磁干擾以保證飛機(jī)的安全性和可靠性。

2 電纜電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

電纜作為連接電氣設(shè)備、傳輸電能或數(shù)據(jù)的重要載體，常具有較長的物理尺寸，不但容易受到外界干擾源的電磁干擾，也可能作為干擾源向外發(fā)射干擾信號。因此，對電纜本身進(jìn)行電磁防護(hù)設(shè)計(jì)有助于減小電磁干擾，從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)正常工作的目的。使用金屬屏蔽層以及對電纜進(jìn)行分類敷設(shè)安裝是電纜電磁防護(hù)設(shè)計(jì)的重要手段。

2.1 電纜屏蔽光覆蓋率

電纜電磁屏蔽效果通常取決于金屬屏蔽編織層在電纜外部覆蓋的百分比，光覆蓋率為屏蔽層上的孔洞數(shù)量的表示方法。屏蔽光覆蓋率越高，屏蔽層上的孔洞數(shù)量越小，電纜屏蔽層的屏蔽效果就越高。外界電磁能量能夠穿透電纜屏蔽層上的小孔或縫隙而進(jìn)入電纜內(nèi)部，在電纜芯線上產(chǎn)生電磁干擾使傳輸信號失真從而影響系統(tǒng)，反之電纜芯線上傳輸電信號產(chǎn)生的電磁能量也同樣會穿透孔縫而影響其他電纜或電氣設(shè)備的正常工作。因此，屏蔽電纜光覆蓋率的選擇對于電纜的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。電纜屏蔽光覆蓋率最小應(yīng)為85%，具體可依系統(tǒng)關(guān)鍵性、工作頻率以及安裝區(qū)域的電磁環(huán)境進(jìn)行選擇。電磁暴露區(qū)通常指飛機(jī)起落架區(qū)域、翼身整流罩、襟翼、垂尾及平尾區(qū)域等區(qū)域，電磁保護(hù)區(qū)通常是指飛機(jī)增壓區(qū)包括客艙、貨倉等區(qū)域。

2.2 電纜分類及敷設(shè)安裝設(shè)計(jì)

電纜中承載的電流會在臨近的電纜芯線中產(chǎn)生干擾，稱為串?dāng)_。控制串?dāng)_影響的方法有很多，其中最有效的方法就是增加電纜間的距離。因此多根電纜并行敷設(shè)時(shí)，按照承載電流的信號進(jìn)行分類，確定每根電纜的隔離代碼并按電磁敏感程度排序，同時(shí)在空間允許的情況下，電纜應(yīng)盡量分組成束并保持合適的距離以確保布線隔離符合安全性要求。

電纜隔離代碼通常包含電磁兼容分類代碼、系統(tǒng)/電源余度代碼以及額外的系統(tǒng)敷設(shè)代碼。電磁兼容分類代碼主要根據(jù)承載電流的電壓、載流量以及電路頻率等特性把電纜分類，并考慮不同類別導(dǎo)線的電磁敏感度以及發(fā)射特性。敷設(shè)代碼是用于識別像飛控（電傳）、燃油測量系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制與監(jiān)測等特殊系統(tǒng)的電纜，這些系統(tǒng)易受外界電磁干擾影響，除使用金屬屏蔽保護(hù)外，應(yīng)與其他系統(tǒng)電纜分離敷設(shè)。

電纜敷設(shè)時(shí)，相同隔離代碼的導(dǎo)線可被綁扎敷設(shè)在一起組成線束，彼此間沒有空間隔離。不同隔離代碼的線束之間，結(jié)合電磁敏感程度因素以及上述三種隔離代碼隔離間距的要求，采用最大隔離距離敷設(shè)。盡可能確保不兼容導(dǎo)線/電纜不被綁扎在一起，如果此要求不能完全滿足，應(yīng)使綁扎在一起的不兼容導(dǎo)線在敷設(shè)時(shí)盡快分離[2]。

為減少由線束回路產(chǎn)生的電磁干擾，電纜敷設(shè)應(yīng)盡量靠近飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)（包括金屬蒙皮、隔框、長桁、地板梁等），并遠(yuǎn)離機(jī)身開口區(qū)域，如：機(jī)窗、艙門、維修口蓋等；如果電纜敷設(shè)在開口區(qū)域或主金屬結(jié)構(gòu)可提供的屏蔽作用很小的區(qū)域時(shí)，電纜外部應(yīng)增加金屬外屏蔽層。在駕駛艙，電纜應(yīng)敷設(shè)在儀表板后部、遮光罩下部，并盡量靠近金屬機(jī)身和風(fēng)擋的下部。敷設(shè)在電磁暴露區(qū)關(guān)鍵系統(tǒng)的導(dǎo)線必須具有雙層屏蔽，敷設(shè)在機(jī)身內(nèi)部關(guān)鍵系統(tǒng)電纜應(yīng)敷設(shè)在金屬走線槽內(nèi)或具有一層屏蔽。

3 連接器電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

連接器是實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間或線束之間電氣連接的部件。合理選擇與使用連接器是所有飛機(jī)EWIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。連接器的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)很大程度上對飛機(jī)安全性和可靠性造成影響。對于連接器電磁防護(hù)，除考慮連接器殼體材料和表面處理方式等自身因素外，還需考慮屏蔽電纜端接方式、連接器插針布局以及連接器與結(jié)構(gòu)搭接等因素。

3.1 連接器屏蔽端接設(shè)計(jì)

屏蔽電纜抑制干擾的能力除與其屏蔽層自身屬性有關(guān)外，還與屏蔽層的端接方式密切相關(guān)。即使同一種電纜，由于傳輸信號的頻率不同，屏蔽層也應(yīng)采用不同的端接方式。在工程上，電纜屏蔽層的端接必須根據(jù)具體情況來確定。

屏蔽層端接方式主要分為pigtail式端接和360 °屏蔽端接。pigtail式端接是將屏蔽引線以接線柄方式搭接到連接器尾附件或就近的金屬結(jié)構(gòu)上。如果采用pigtail式端接，引線可等效為電感，則線束屏蔽層產(chǎn)生的干擾電流將在引線上產(chǎn)生共模電壓，通過屏蔽層與電纜芯線之間的雜散電容而作用在芯線上，另外也會通過芯線與引線之間的耦合而在芯線上產(chǎn)生電磁干擾。但由于其結(jié)構(gòu)形式簡單，對現(xiàn)場工藝要求不高以及重量輕等特點(diǎn)，廣泛用于對系統(tǒng)要求不高的情況。360 °屏蔽端接是指將電纜或線束的金屬屏蔽層與連接器尾附件金屬表面環(huán)繞接觸。360 °屏蔽端接通常用于以下三種情況：（1）多根電纜組成線束使用的外金屬屏蔽層在連接器尾附件處的屏蔽端接；（2）同軸電纜屏蔽層在連接器尾附件處的屏蔽端接；（3）線束中單獨(dú)多芯屏蔽電纜使用特殊金屬環(huán)在連接器尾附件處的屏蔽端接。如果采用360 °屏蔽接地，電纜屏蔽層的電流將通過連接器外殼流入大地，屏蔽層與外殼之間沒有共模電壓產(chǎn)生，且屏蔽層上無電磁泄漏窗口，因此電磁防護(hù)最好的辦法是屏蔽層在連接器處以360 °方式端接。

屏蔽層端接方式的選擇也與系統(tǒng)關(guān)鍵性、工作頻率、安裝區(qū)域的電磁環(huán)境有關(guān)。如果線束從電磁暴露區(qū)進(jìn)入電磁保護(hù)區(qū)時(shí)，則線束屏蔽應(yīng)采用360 °端接。同軸電纜的屏蔽層接地不能使用pigtail式，否則無法給信號提供良好的共模抑制或降噪能力，且還會引起電纜絕緣層的退化和電纜特性阻抗的不匹配。

3.2 連接器其他電磁防護(hù)設(shè)計(jì)

連接器插針布局，需要考慮所連接導(dǎo)線的電磁防護(hù)要求。應(yīng)盡可能確保電磁兼容的導(dǎo)線使用同一連接器，當(dāng)無法滿足時(shí)，優(yōu)化插針布局使干擾最小，防止因插針分配不當(dāng)造成電路之間的相互影響，例如盡量避免交流115 V、400 Hz的插針與低功率插針（如直流28 V和5 V）相鄰布局。工程上選用足夠插針數(shù)的連接器，充分利用空針或接地備用插針隔離不同電磁類別的導(dǎo)線。由于射頻電路易與其他電路產(chǎn)生干擾，所以同軸電纜應(yīng)盡量單獨(dú)使用同軸連接器。此外，音頻信號線應(yīng)和其回路安排在相鄰的插針上，輸入信號線和輸出信號線不允許綁扎在一起通過同一個(gè)連接器。

連接器與金屬結(jié)構(gòu)之間的搭接也會影響EWIS設(shè)計(jì)的電磁防護(hù)，工程上要求連接器外殼到機(jī)身參考地之間應(yīng)采用直接接觸形式搭接，且搭接阻抗需小于2.5 mΩ，以維持電纜屏蔽層的完整性和保持電纜低損耗傳輸?shù)奶匦浴?/p>

4 結(jié)語

解決好電纜和連接器的電磁防護(hù)問題是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不僅需要考慮導(dǎo)線和連接器本身的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)，還應(yīng)考慮EWIS系統(tǒng)內(nèi)部件之間協(xié)同工作時(shí)的電磁防護(hù)要求以及EWIS與其他系統(tǒng)互聯(lián)而產(chǎn)生的電磁防護(hù)設(shè)計(jì)要求。此外，飛機(jī)上某些區(qū)域由于空間限制或其他原因，無法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采取其他效果相當(dāng)?shù)拇胧╇姶欧雷o(hù)偏離設(shè)計(jì)，但必須通過相應(yīng)的分析或試驗(yàn)驗(yàn)證，證明其不會危及飛機(jī)的安全運(yùn)行。由于篇幅有限，仍然存在不少問題和不足之處尚待更深入研究和探討。

參考文獻(xiàn)

[1] FAA.CFR Part25.Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes[S].FAA.2008.

[2] 航空航天工業(yè)部.HB 6524——91飛機(jī)電線、電纜電磁兼容性分類及布線要求[S].航空航天工業(yè)部，1991.endprint