民用飛機高強度射頻防護適航驗證要求研究

許廣明 項 勇 潘超英

（中航工業(yè)洪都650所，江西 南昌 330024）

民用飛機高強度射頻防護適航驗證要求研究

許廣明 項 勇 潘超英

（中航工業(yè)洪都650所，江西 南昌 330024）

介紹了美國聯(lián)邦航空管理局和中國民用航空局民用飛機高強度射頻防護適航審定要求發(fā)展現(xiàn)狀，研究了美國聯(lián)邦航空管理局民用飛機高強度射頻防護適航符合性要求，并對中國高強度射頻防護適航工作的開展提出了一些建議。

民用飛機； HIRF； 防護； 適航審定

高強度射頻（HIRF）主要來自于雷達、無線電、電視和其它地基、船載或機載射頻（RF）發(fā)射器發(fā)射的電磁能量。復雜的電磁環(huán)境不利于飛機電子和電氣系統(tǒng)的運行，嚴重時甚至可能導致航空器系統(tǒng)故障失效，從而造成嚴重后果。

隨著實現(xiàn)持續(xù)安全飛行和著陸的電子和電氣系統(tǒng)大量推廣，數(shù)據(jù)總線和處理器運行速度的增加，高度集成的電路和插件，高靈敏度的電子設(shè)備大量使用，復合材料的大量使用也減少了電磁屏蔽，使得民用飛機更加易受HIRF影響。例如在外部高強度電磁輻射環(huán)境的影響下，飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、以及航姿系統(tǒng)等會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定或參數(shù)顯示錯誤等問題，繼而引發(fā)飛行事故。民用飛機對電子電氣系統(tǒng)的HIRF防護要求呈顯著增加的趨勢。

在歐美等發(fā)達國家，民用飛機都有各自相應的HIRF防護適航要求，而HIRF防護正成為制約我國民用飛機適航審定的難點。

1 國內(nèi)外HIRF防護適航要求發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 FAA HIRF防護發(fā)展現(xiàn)狀

FAA于1998 年4月2日出版的文件N8110.71《運行在HIRF環(huán)境下的航空器合格審定指南》，給出了在HIRF環(huán)境中運行的飛機的合格審定指南[1]。多年來，在缺少HIRF適航條款的情況下，F(xiàn)AA/JAA（歐洲聯(lián)合航空局）針對不同的飛機研制項目，制定了關(guān)于HIRF防護的專用條件和問題紀要，從而保證了近年所研制的民用飛機，均按照FAA/JAA的HIRF防護要求進行設(shè)計、分析和適航符合性驗證。

通過多年的理論研究和實踐檢驗，F(xiàn)AA于2007年8月6日在聯(lián)邦航空條例（FAR）第23、25、27、29部增加了的高強輻射場防護條款23.1308、25.1317、27.1317和29.1317，并于2007年7月30日頒發(fā)了咨詢通告AC20-158《運行在HIRF環(huán)境下的航空器電子和電氣系統(tǒng)合格審定》，提供了HIRF防護驗證符合性指南。

1.2 中國民機HIRF防護要求發(fā)展現(xiàn)狀

中國民機HIRF防護研究尚處于起步階段，與國際上日趨成熟的民機HIRF防護存在很大的差距。在HIRF設(shè)計防護技術(shù)、預測分析技術(shù)、適航符合性驗證等方面有待進行深入研究；未頒布過飛機HIRF防護的標準、規(guī)范；未進行過設(shè)備級、系統(tǒng)級、飛機級符合性驗證試驗；也尚未開展過HIRF的仿真分析等[2]。

2006 年，中國民用航空局（CAAC）在借鑒FAA N8110.71的基礎(chǔ)上，頒發(fā)了咨詢通告AC-21-1317《航空器高強輻射場HIRF防護要求》。針對具體型號采取制定HIRF專用條件來開展HIRF審定，要求與FAA相同。

2 民用飛機HIRF防護適航審定要求

2.1 FAR25.1317 HIRF防護適航要求

(a) 除本條（d）規(guī)定的以外，對于其功能失效會影響或妨礙飛機繼續(xù)安全飛行和著陸的每個電氣和電子系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，以符合以下要求：

● 當飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環(huán)境I 時和暴露后，其功能不會受到不利影響；

● 飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環(huán)境I 后，系統(tǒng)及時地自動恢復其功能的正常運行，除非系統(tǒng)的這種功能恢復與該系統(tǒng)其他運行或功能要求相沖突；和

● 當飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環(huán)境II 時和暴露后，系統(tǒng)不會受到不利影響。

(b) 對于其功能失效后會嚴重降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子和電氣系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，當提供這些功能的設(shè)備暴露于附錄L 中描述的HIRF 設(shè)備測試水平1 或2 時，系統(tǒng)不會受到不利影響。

(c) 對于其功能失效后會降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子和電氣系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，當提供這些功能的設(shè)備暴露于附錄L 中描述的HIRF 設(shè)備測試水平3 時，系統(tǒng)不會受到不利影響。

(d) 在2012 年12 月1 日前，如果其功能故障后會妨礙繼續(xù)安全飛行和著陸的電子或電氣系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，在符合以下要求時可以不用滿足(a)款的規(guī)定：

● 系統(tǒng)先前已經(jīng)符合2007 年12 月1 日前頒發(fā)的FAR 21.16 規(guī)定的專用條件；

● 表明符合專用條件后系統(tǒng)的HIRF 抗干擾特性沒有改變；和

● 提供以前表明符合專用條件的數(shù)據(jù)。

表1提供了適用的HIRF規(guī)章相應的失效條件分類和系統(tǒng)HIRF審定等級[4]。

表1 HIRF 失效條件和系統(tǒng)HIRF審定等級

圖1概括了對于系統(tǒng)要求A級HIRF審定的符合性步驟。圖2[4]概括了對于系統(tǒng)要求的B或C級HIRF審定的符合性步驟。

從圖1和圖2可以看出，A、B和C級系統(tǒng)HIRF符合性流程可以分為4個步驟：確定評估的系統(tǒng)，定義飛機和系統(tǒng)HIRF防護環(huán)境，選用HIRF符合性驗證方法，驗證HIRF防護有效性。

圖2 B和C級系統(tǒng)符合性流程

2.3 評估系統(tǒng)的確定

民機HIRF符合性驗證的首要工作是評估飛機上要求進行HIRF的系統(tǒng)。主要工作是確定系統(tǒng)的失效類別和HIRF審定等級，應以測量影響飛機和系統(tǒng)安全程度的方式來評估系統(tǒng)遭受的HIRF影響。分析方法類似于FAR 23.1308、25.1317、27.1317和29.1317的符合性過程。系統(tǒng)的HIRF評估工作有時單獨或與其它相關(guān)的系統(tǒng)組合一起評估。評估應覆蓋：

● 所有飛機正常工作模態(tài)、飛行階段和工作條件；

● 所有失效條件和對飛機工作和機組的影響；

● 要求的任何糾正措施。

系統(tǒng)應基于安全評估確定的失效條件分類，僅導致災難、危險或重要失效條件的執(zhí)行或分配功能的系統(tǒng)適用HIRF規(guī)章。安全評估應考慮系統(tǒng)失效、故障或誤解信息的所有潛在的不利影響，同時還要考慮系統(tǒng)對于不同的飛行階段會產(chǎn)生不同的失效條件，在不同的飛行階段可能適用的不同的HIRF要求。例如，自主飛行控制系統(tǒng)在自主著陸時可能存在災難性的失效情況，而自主飛行控制系統(tǒng)在巡航運行時可能存在危險的故障情況。

FAA要求的適航審查對象僅限于飛機上的關(guān)鍵和重要電子和電氣系統(tǒng)，即根據(jù)系統(tǒng)安全評估得出的A級、B級和C級電子和電氣系統(tǒng)。

2.4 HIRF環(huán)境的確定

HIRF評估所確定的系統(tǒng)必須依據(jù)適航規(guī)章給出的外部HIRF環(huán)境I、II和III。選定適用飛機的外部HIRF環(huán)境。外部HIRF環(huán)境將穿透飛機，在電子電氣系統(tǒng)安裝處產(chǎn)生內(nèi)部的HIRF環(huán)境。內(nèi)部HIRF環(huán)境是多種因素綜合的結(jié)果。如飛機的材料，結(jié)構(gòu)的搭接，縫隙和開口的位置和尺寸，飛機內(nèi)部的再輻射，以及飛機的共振特性等。

2.5 HIRF符合性驗證

2.5.1 HIRF 符合性計劃

應確定一個HIRF符合性計劃以便清晰的識別和規(guī)定HIRF審定要求、HIRF防護設(shè)計、設(shè)計試驗和用來作為符合性一部分的分析行為。HIRF符合性計劃應和FAA討論并提交，在執(zhí)行前得到FAA批準。如果飛機、系統(tǒng)或安裝在FAA批準后進行設(shè)計更改，修訂的HIRF符合性計劃應提交FAA進行批準。HIRF符合性計劃應包括以下內(nèi)容。

● HIRF符合性計劃概要；

● 基于HIRF相關(guān)的安全評估分類的系統(tǒng)識別；

● 飛機和安裝系統(tǒng)的HIRF環(huán)境；

● 驗證方法，例如試驗、分析或相似性；

● 確定每個系統(tǒng)的HIRF符合性合格/不合格準則；

這些合格/不合格準則應得到FAA批準。定義合格/不合格準則的所有影響應是包括系統(tǒng)獨立和相關(guān)特性的可確認和可追蹤的分析結(jié)果。

● 裕度的確定。

基于審定的飛機和系統(tǒng)的HIRF驗證試驗符合性通常不需要裕度?；诜治龌蛳嗨菩源_定符合性需要確定裕度。

2.5.2 HIRF 驗證試驗、分析或相似性計劃

應準備描述詳細的驗證行為的詳細HIRF試驗、分析或相似性計劃。

2.5.2.1 試驗計劃

HIRF符合性驗證試驗的計劃應包括試驗目的、試驗飛機和/或系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)構(gòu)型草圖、建議的試驗安裝和方法、預期的試驗等級、調(diào)幅和頻率帶、合格/不合格準則、試驗計劃和試驗地點。

HIRF符合性試驗計劃還應覆蓋適用的A、B和C級系統(tǒng)和設(shè)備。

HIRF符合性試驗計劃應描述試驗系統(tǒng)和安裝的有關(guān)內(nèi)容，還應反映在HIRF符合性評估的整個過程中完成的任何分析結(jié)果。

2.5.2.2 分析計劃

HIRF符合性分析計劃應包括支持HIRF符合性驗證產(chǎn)生數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和設(shè)備等級的目標。 因為與飛機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的RF場耦合的綜合建模和分析是一項新技術(shù)， 所以分析計劃應與FAA協(xié)調(diào)以確定分析的可接受范圍。 分析計劃包括：分析的目的和范圍、分析中提到的飛機和/或系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)構(gòu)型描述、建議的分析方法、確認分析結(jié)果的步驟、合格/不合格準則。

2.5.2.3 相似性計劃

相似性計劃應包括：相似性評估的目的和范圍、相似性評估的系統(tǒng)、已審定的系統(tǒng)、設(shè)備和飛機的數(shù)據(jù)與新研的飛機和系統(tǒng)安裝之間重要的差別（包括考慮相似性不確定的范圍）。

2.5.3 符合性報告

符合性報告用于闡明試驗、分析或相似性評估的結(jié)論。對于新研或重要改型的飛機，HIRF符合性報告可能包括一些系統(tǒng)和設(shè)備報告、飛機試驗報告和HIRF薄弱性分析報告。報告類型包括試驗報告、分析報告、相似性報告。

2.5.3.1 試驗報告

HIRF符合性試驗結(jié)束后應形成綜合的試驗報告。試驗報告應包括試驗期間設(shè)備或系統(tǒng)性能的描述、不符合HIRF要求的詳細描述、所采取的糾正措施和任何相似性聲明，也應該提供系統(tǒng)性能在試驗期間的任何偏離的理由說明。

2.5.3.2 分析報告

分析報告用于描述分析模型細節(jié)、完成分析使用的方法和分析結(jié)果。報告應確定任何模型不確定性和證明分析計劃中確定的裕度。

2.5.3.3 相似性報告

相似性報告用以表明新研飛機、系統(tǒng)、設(shè)備和安裝的重要特征與已經(jīng)過HIRF審定的飛機或系統(tǒng)的相似性，在差別影響評估過程中，確定與HIRF所有相關(guān)的重要差別。這些報告也應證明相似性計劃中確定的裕度。

2.5.4 符合性驗證方法

HIRF符合性驗證的適用方法包括：驗證試驗、仿真分析和相似性分析。

2.5.4.1 驗證試驗

對失效狀態(tài)為災難性的系統(tǒng)（A類），要求進行設(shè)備級、系統(tǒng)級和飛機級的符合性驗證；對失效狀態(tài)為危害性的系統(tǒng)（B類），要求進行設(shè)備級、系統(tǒng)級的符合性驗證；對失效狀態(tài)為較大的系統(tǒng)（C類），僅要求進行設(shè)備級的符合性驗證。

● 設(shè)備級試驗

可以使用RTCA/DO-160E或最新版本20章的輻射和傳導射頻敏感度實驗室試驗確立設(shè)備HIRF抗擾性。對于A級系統(tǒng)，F(xiàn)AA認為設(shè)備HIRF試驗不是強制的，可用來補充集成系統(tǒng)HIRF試驗。

RTCA/DO-160試驗程序應使用規(guī)章中規(guī)定的設(shè)備試驗等級。使用的試驗等級取決于系統(tǒng)是否分類為B或C級。1或2級設(shè)備HIRF試驗應用于B級系統(tǒng)。3級設(shè)備HIRF試驗應僅適用于C級系統(tǒng)。

● 系統(tǒng)級試驗

集成系統(tǒng)輻射和傳導的RF敏感度試驗室試驗應按A級系統(tǒng)執(zhí)行。試驗選擇的HIRF場強和線束電流應基于飛機評估確定的衰減外部HIRF環(huán)境，設(shè)備級試驗不能充分表明集成系統(tǒng)HIRF符合性。

● 飛機級試驗

對于飛機試驗兩個主要方法是飛機高電平試驗和飛機低電平耦合試驗。飛機高電平場照射試驗包括以等于HIRF規(guī)章內(nèi)適用的外部HIRF環(huán)境的試驗等級輻射飛機。飛機低電平耦合試驗涉及測量機體衰減和傳輸函數(shù)，以至于內(nèi)部HIRF電場和電流能與集成系統(tǒng)試驗等級相比較?？紤]飛機尺寸和外部HIRF環(huán)境照射的實際情況，飛機低電平耦合試驗可能比高電平場照射試驗（要求用外部HIRF環(huán)境照射整個飛機）更適合于大型飛機的試驗。

2.5.4.2 仿真分析

仿真分析一般用于飛機設(shè)計前期，用來發(fā)現(xiàn)不足之處，以減少風險。

2.5.4.3 相似性分析

相似性分析一般用于改進、改型的飛機，用原型機的數(shù)據(jù)來進行類比分析。

2.6 HIRF防護維修要求

按照適航規(guī)章的要求，為保證HIRF防護的完整性，在持續(xù)適航文件中應給出最低維修要求，確定定期維修的時間間隔、專用試驗和檢查措施，以確保HIRF的整體防護作用不會降低。若要對飛機或系統(tǒng)進行更改，則應對HIRF防護等級的影響（包括對持續(xù)適航文件HIRF有關(guān)內(nèi)容的影響）進行評估。

3 對我國HIRF防護適航驗證的建議

HIRF防護適航驗證是適航取證過程中不可缺少的項目，飛機全壽命周期內(nèi)都要保持其完整性。由于各方面的原因，目前我國尚未開展自己領(lǐng)空范圍內(nèi)的HIRF 環(huán)境調(diào)查，因此尚無條件完全獨立地制定符合中國國情的可用于飛機合格審定的飛機外部HIRF 環(huán)境要求。然而，我國民用飛機的設(shè)計、改裝、審定和運行現(xiàn)狀又迫使我們必須制定自己的相關(guān)政策，加強我國HIRF防護適航要求的研究和應用。

3.1 加快適航標準的更新

針對我國HIRF防護有關(guān)標準和應用方面落后等不足，應積極借鑒國外已有的成熟適航要求，充分考慮我國的國情現(xiàn)狀，加快制定和完善我國適航規(guī)章中HIRF防護有關(guān)要求。

3.2 提高我國HIRF防護試驗基礎(chǔ)能力

為了增強我國型號的自主研制能力，航空工業(yè)有關(guān)單位和民航局必須加強合作，逐步建立可供型號研制的并且得到民航認可的A、B和C級電子電氣系統(tǒng)的設(shè)備級、系統(tǒng)級和飛機級的有關(guān)HIRF驗證試驗能力，提高我國HIRF防護試驗基礎(chǔ)能力。

3.3 結(jié)合具體型號研制，深入開展HIRF防護符合性驗證方法研究

通過研究AC20-158和SAE ARP5583等HIRF防護適航審定相關(guān)資料，深入開展飛機及機載設(shè)備對外部電磁環(huán)境的屏蔽和抗電磁干擾相關(guān)分析技術(shù)和試驗研究。并且在型號驗證過程中不斷積累經(jīng)驗，在行業(yè)中推廣，在實踐中不斷完善，提高我國航空工業(yè)HIRF防護適航驗證能力。

總之，隨著我國HIRF防護研究和應用不斷深入，驗證方法和試驗能力不斷完善，必將縮短民機研制周期，降低民機研制費用，有利于提升我國民機HIRF防護設(shè)計水平，促進我國民機的快速發(fā)展。

[1] AC-21-1317 航空器高強輻射場（HIRF）保護要求[S].

[2] 蘇多，栗牧懷，舒小華. 民用航空器HIRF防護適航驗證方法和審定政策研究[J]. 國際航空，2009.

[3] FAR25 Airworthiness Standards:Transport Category Airplanes [S].2007.

[4] AC20-158 The Certification of Aircraft Electrical and Electronic System for Operation in the High-Intensity Radiated Fields（HIRF）Environment[S].

（編輯：雨晴）

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C

1003-6660（2014）01-0044-05

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.012

[收修訂稿日期] 2014-09-04