民用飛機(jī)音頻系統(tǒng)靜電效應(yīng)仿真

夏大旺

【摘要】 在民用飛機(jī)的研制期間，飛機(jī)試飛過程中出現(xiàn)過數(shù)次地空通信失效現(xiàn)象。經(jīng)過一系列的分析及試驗(yàn)，確認(rèn)地空通信失敗可能是因?yàn)轱w機(jī)在穿越云層時(shí)，音頻控制板所在的音頻通信系統(tǒng)產(chǎn)生靜電效應(yīng)所引起。本文根據(jù)民用飛機(jī)內(nèi)部音頻系統(tǒng)分布及特性建立模型，根據(jù)模型仿真結(jié)果建立等效電路進(jìn)行計(jì)算，最后提出故障解決方法。

【關(guān)鍵字】 民用飛機(jī) 通信失效 音頻系統(tǒng) 靜電效應(yīng)

一、引言

靜電效應(yīng)通常是由于物體內(nèi)部電子受到外部作用時(shí)從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體引起的，此時(shí)得到電子的部分或者物體帶負(fù)電，失去電子的部分或者物體帶正電，當(dāng)這種電子轉(zhuǎn)移累積到一定程度，并在合適的情況下便產(chǎn)生靜電效應(yīng)。飛機(jī)穿過云層所發(fā)生的靜電效應(yīng)主要是因?yàn)轱w機(jī)飛行過程中機(jī)體與云層發(fā)生摩擦導(dǎo)致電子轉(zhuǎn)移而引起。

二、飛機(jī)音頻系統(tǒng)模型建立

2.1 音頻系統(tǒng)組成及架構(gòu)

民用飛機(jī)的音頻系統(tǒng)主要以無線電接口裝置（RIU）和音頻控制板（ACP）為核心，能夠?qū)?dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、內(nèi)話系統(tǒng)、旅客廣播系統(tǒng)進(jìn)行語音處理和控制的系統(tǒng)。如圖1所示，音頻系統(tǒng)主要包括兩套無線電接口裝置、三塊音頻控制板、三塊音頻插孔板以及駕駛員話筒耳機(jī)等外圍設(shè)備。音頻系統(tǒng)可提供以下功能：

a） 提供導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)音頻信息；

b） 為機(jī)組提供語音告警信息；

c） 為內(nèi)話系統(tǒng)、旅客廣播系統(tǒng)提供選擇控制；

d）提供應(yīng)急情況下地空語音通信功能；

e）為駕駛艙語音記錄器提供音頻輸入源。

2.2 系統(tǒng)模型建立

對(duì)于建立仿真模型來說，完全按照當(dāng)前飛機(jī)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立模型是很困難的，同時(shí)也是不明智的。本節(jié)將根據(jù)音頻系統(tǒng)所在位置的電氣特性，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）科學(xué)建立其仿真模型。

對(duì)于民用飛機(jī)來說，機(jī)體采用的是金屬蒙皮，整個(gè)機(jī)身都為等勢(shì)體。飛機(jī)的客艙、電子電氣設(shè)備艙、駕駛艙、前起落架艙等之間都有金屬板隔開，且該金屬板都與機(jī)體直接相連，所以這些金屬板與機(jī)體也為等勢(shì)體。由于音頻控制板、無線電接口裝置均位于駕駛艙，所以在建立模型時(shí)，只使用駕駛艙結(jié)構(gòu) [1]。

與駕駛艙建模相似，音頻控制板和音頻插孔板存在較多的細(xì)小結(jié)構(gòu)，但是這些結(jié)構(gòu)對(duì)于靜電仿真影響較小，所以在建模過程中只保留其主體結(jié)構(gòu)，此處不再贅述。

三、音頻系統(tǒng)靜電效應(yīng)仿真

飛機(jī)發(fā)生故障架次飛機(jī)與其它未發(fā)生該類型故障架次飛機(jī)構(gòu)型略有不同，主要區(qū)別在于音頻插孔板的位置的更改。

系統(tǒng)采用的ANSYS/EMAG軟件進(jìn)行靜電效應(yīng)仿真[2]。云層電量設(shè)置為10庫侖，云層與飛機(jī)之間的垂直距離為50米，飛機(jī)速度為150米每秒，仿真距離為200米。圖2給出飛機(jī)在原始位置時(shí)音頻系統(tǒng)靜電效應(yīng)隨飛行距離的變化所產(chǎn)生的電壓示意圖，圖3給出飛機(jī)在更改后位置時(shí)音頻系統(tǒng)靜電效應(yīng)隨飛行距離的變化所產(chǎn)生的電壓示意圖。

從圖2和圖3中可以看出，更改位置后音頻控制板與音頻插孔板之間的靜電效應(yīng)電壓差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始位置下靜電效應(yīng)電壓差。由于兩者之間依靠導(dǎo)線導(dǎo)通，較大的電壓差勢(shì)必造成較大的放電電流。從電磁學(xué)考慮，飛機(jī)在穿過大量帶電云層時(shí)，靜電效應(yīng)不斷累積，最終將超過音頻控制板與音頻插孔板抗噪能力，導(dǎo)致音頻系統(tǒng)發(fā)生故障。

根據(jù)上述分析可知，若能夠使音頻控制板與音頻插孔板積累的電荷在發(fā)生靜電效應(yīng)后迅速泄放掉，可以顯著減少音頻系統(tǒng)受靜電效應(yīng)影響。為了使二者在發(fā)生靜電效應(yīng)時(shí)能夠迅速泄放電流，對(duì)發(fā)生故障的構(gòu)型飛機(jī)工程上采取了改善設(shè)備等電位搭接的方式解決音頻系統(tǒng)靜電效應(yīng)問題，其搭接導(dǎo)體選用了較小長寬比的搭接件，以保證更好的搭接效果，之后故障未再發(fā)生。

四、結(jié)論

民用飛機(jī)對(duì)機(jī)載設(shè)備的體積和重量具有嚴(yán)格的要求，相對(duì)于地面設(shè)備，其內(nèi)部空間小，設(shè)備安裝位置集中且繁多，各種信號(hào)互有干擾，因此對(duì)于設(shè)備的靜電效應(yīng)的防護(hù)提出了更高的要求。本文從工程實(shí)際問題出發(fā)，通過分析原因、建立模型、仿真結(jié)果、得出結(jié)論的方法解決民用飛機(jī)研制過程中音頻系統(tǒng)失效問題，為飛機(jī)研制積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王濤. 電磁場計(jì)算中的時(shí)域有限差分法的研究[D]. 吉林大學(xué)， 2005.

[2] 劉尚合， 周萬珍， 孫秋紅. 靜電放電電磁脈沖理論建模與作用機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， （2）：87-92.