飛機(jī)電磁輻射評(píng)估方法

焦毅++馬濤

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0015-02

摘 要：隨著各種大型、大功率電子電氣設(shè)備在飛機(jī)上的應(yīng)用，飛機(jī)的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)人體的健康也會(huì)造成一定的影響。簡(jiǎn)要探討了評(píng)估飛機(jī)電磁輻射的方法，從而明確電磁輻射是否在人體的可接受范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：電磁輻射；最大活動(dòng)包線(xiàn)；功率密度；飛機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：V242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.015

1 電磁輻射及其危害

電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交互變化產(chǎn)生電磁波，并向外發(fā)射，從而形成電磁輻射。電磁輻射有電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的振蕩，分別在2個(gè)互相垂直的方向傳播能量。

人體生命活動(dòng)包含一系列的生物電活動(dòng)，這些生物電對(duì)環(huán)境的電磁波非常敏感。電磁輻射以電磁波的形式傳播，雖看不見(jiàn)，摸不著，聞不到，但卻無(wú)處不在。人體時(shí)時(shí)處于一定能量電磁波輻射環(huán)境中，輻射源的輸出功率越大、頻率越高、距離越近、接觸時(shí)間越長(zhǎng)，輻射強(qiáng)度和人體受到的傷害就越大。電磁輻射危害人體的機(jī)理主要表現(xiàn)為熱效應(yīng)和積累效應(yīng)。對(duì)于長(zhǎng)期接觸電磁輻射的群體，即使功率很小，也可能會(huì)誘發(fā)病變，且電磁輻射對(duì)人體的傷害在短時(shí)間內(nèi)不易察覺(jué)。由于積累效應(yīng)，長(zhǎng)年累月后，電磁輻射的存在會(huì)使人的精力和體力減退，導(dǎo)致人體免疫機(jī)能下降，從而引起癌癥等病變。因此，電磁輻射成為繼廢氣、廢水、廢渣和噪聲后污染環(huán)境的又一大公害。

在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中，電子產(chǎn)品的使用數(shù)量越來(lái)越多，而大功率的輻射源，比如預(yù)警雷達(dá)等也不斷出現(xiàn)在各種類(lèi)型的飛機(jī)（預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等）上。隨著飛機(jī)續(xù)航能力的提升和空中加油技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)機(jī)組人員每次執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間也在不斷延長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致電磁輻射帶來(lái)的傷害也隨之增大。在1991年第一次波斯灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)的A-10“疣豬”攻擊機(jī)共執(zhí)行了8 100項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)，發(fā)射了近31 000發(fā)貧鈾彈。貧鈾彈是由核廢料加工制成的，雖然其穿甲效果不同凡響，但是，發(fā)射貧鈾彈的6管20 mm機(jī)關(guān)炮安裝在機(jī)頭下部，正好在飛行員座椅的正下方，導(dǎo)致A-10攻擊機(jī)的男飛行員睪丸癌的病發(fā)率大大高于其他飛機(jī)的駕駛員。

電磁輻射對(duì)人體健康的影響逐漸被發(fā)現(xiàn)并受到人們的高度重視。在型號(hào)評(píng)估中，裝備使用方也提出對(duì)飛機(jī)電磁輻射的考核要求。本文通過(guò)建立飛機(jī)上機(jī)組人員的活動(dòng)空間，對(duì)飛機(jī)電磁環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究適用于試飛期間的飛機(jī)電磁輻射評(píng)估方法。

2 電磁輻射測(cè)量模型的建立

要想測(cè)量飛機(jī)電磁環(huán)境對(duì)飛行機(jī)組的影響，首先要確定飛行機(jī)組的空間活動(dòng)模型。

飛行員在空中飛行時(shí)，大部分時(shí)間，其姿勢(shì)都是坐在座椅上，雙手握住駕駛盤(pán)，雙腳掌著力在腳蹬上。然而隨著自動(dòng)飛行功能的不斷完善，飛行員雙手和雙腳的位置不再固定，但身體仍坐在座椅上，以應(yīng)付突發(fā)情況。鑒于此，可以以座椅與飛行員接觸的平面、飛行員各個(gè)關(guān)節(jié)為圓心作肢體活動(dòng)曲面，綜合考慮飛行員的生理尺寸，建立飛行員的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行員執(zhí)行任務(wù)時(shí)的最大活動(dòng)包線(xiàn)，具體過(guò)程如下。

根據(jù)中國(guó)飛行員選拔標(biāo)準(zhǔn)，建立飛行員的靜態(tài)模型，如圖1所示。

（a）飛行員靜態(tài)側(cè)視圖

（b）飛行員靜態(tài)俯視圖

圖1 飛行員靜態(tài)模型

選取飛行員選拔的最大標(biāo)準(zhǔn)作為靜態(tài)模型的尺寸，根據(jù)測(cè)量需求和飛行員的姿態(tài)，以腳掌為基準(zhǔn)線(xiàn)，列舉主要尺寸，具體如表1所示。

以733號(hào)運(yùn)-8飛機(jī)上型號(hào)為T(mén)ZY-1-F的飛行員座椅（尺寸為：870 mm×550 mm×1 340 mm，長(zhǎng)×寬×高）為例，根據(jù)座椅和飛機(jī)的活動(dòng)空間對(duì)活動(dòng)范圍的影響，參考圖1，制訂人體關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍，具體如表2所示。

參考圖1，依據(jù)各視圖的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和活動(dòng)肢體的長(zhǎng)度，得出飛行員坐在型號(hào)為T(mén)ZY-1-F的座椅上的最大活動(dòng)包線(xiàn)，如圖2所示。

3 電磁輻射的測(cè)量

3.1 測(cè)量參數(shù)

電磁輻射的定量指標(biāo)主要有功率密度、電場(chǎng)密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。單位時(shí)間、單位面積內(nèi)所接收或發(fā)射的高頻電磁能量叫做功率密度，常用單位為W/cm2；空間各處電場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向的物理量叫做電場(chǎng)密度，常用單位為V/m；空間各處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向的物理量叫磁場(chǎng)強(qiáng)度，常用單位為A/m。

由于飛機(jī)的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，電磁波的頻率比較高，大部分頻率在3～3×105 MHz?，F(xiàn)在的儀器在電場(chǎng)和磁場(chǎng)測(cè)量方面存在較大的技術(shù)困難，且三者之間可以換算或等效換算，所以，一般可通過(guò)測(cè)量功率密度來(lái)評(píng)估電磁輻射的強(qiáng)度。

3.2 測(cè)量點(diǎn)的確定

本文的第2節(jié)中已經(jīng)確定了飛行員的最大活動(dòng)包線(xiàn)，且在包線(xiàn)范圍內(nèi)不存在除人體外的其他輻射源（在測(cè)量中，不考慮人體自身輻射的影響）。由于距離越短，電磁輻射強(qiáng)度越大，因此，可以根據(jù)最大活動(dòng)包線(xiàn)，參考飛機(jī)的設(shè)備布局情況，考慮人體重要器官的位置，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)如下：①橫軸方向，最大尺寸的2個(gè)點(diǎn)（手臂水平位置時(shí)），最低位置的左右2個(gè)點(diǎn)（小腿左右擺動(dòng)極限位置時(shí)）；②縱軸方向，最大尺寸的1個(gè)點(diǎn)（小腿水平位置時(shí)），最高位置的1個(gè)點(diǎn)（手臂上擺到極限位置時(shí)）；③垂直軸方向，最高點(diǎn)1個(gè)（頭頂位置），最低點(diǎn)1個(gè)（小腿在垂直位置時(shí)）；④人體重要器官部位取3個(gè)點(diǎn)，即眼部、胸部、腹部各1個(gè)點(diǎn)。

3.3 測(cè)量構(gòu)型的確定

在飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，幾乎所有的電子設(shè)備均處于額定功率甚至是最大功率的工作狀態(tài)。按照從嚴(yán)考核的原則，在地面考核時(shí)，應(yīng)依據(jù)安全規(guī)定，盡可能讓發(fā)動(dòng)機(jī)和雷達(dá)等電子設(shè)備的所有輻射源保持在最大工作狀態(tài)。對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)和特種飛機(jī)，應(yīng)讓所有的外掛物，比如導(dǎo)彈、電子吊艙等保持在戰(zhàn)勤位置，并處于通電狀態(tài)，且戰(zhàn)斗機(jī)航炮的炮彈應(yīng)是最大基數(shù)。

在測(cè)量電磁輻射時(shí)，應(yīng)盡量選在外界干擾最小、與實(shí)際應(yīng)用條件最相近的環(huán)境下進(jìn)行。在測(cè)量之前，應(yīng)關(guān)閉除必須使用的儀器等之外的所有輻射源（比如手機(jī)、對(duì)講機(jī)等設(shè)備），盡量使用自帶直流電源的測(cè)量?jī)x器設(shè)備。如果必須使用交流電源線(xiàn)，應(yīng)使用屏蔽線(xiàn)。

4 電磁輻射的評(píng)估

飛機(jī)上的電磁輻射大部分由微波（300～3×105 MHz）、超短波（30～300 MHz）、短波（3～30 MHz）組成，且由于電磁環(huán)境比較復(fù)雜，因此，可根據(jù)脈沖波的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。在可接受范圍內(nèi)的功率密度和日劑量（1 d接受輻射的總量，按8 h計(jì)算）安全限值范圍如表3所示。

在實(shí)際工作中，可以將飛機(jī)上所有的輻射源看成一個(gè)擁有多頻段的輻射源，利用儀器對(duì)第i個(gè)測(cè)量位置的各個(gè)頻段范圍內(nèi)的j個(gè)頻點(diǎn)（可通過(guò)示波器測(cè)量電磁環(huán)境中存在的j個(gè)波段）功率密度進(jìn)行n次測(cè)量，結(jié)果記為Pijn，然后根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算，即：

（1）

（2）

式（1）（2）中： 為第i個(gè)測(cè)量位置的第j個(gè)頻點(diǎn)的平均功率密度； 為最大活動(dòng)包線(xiàn)內(nèi)第j個(gè)頻點(diǎn)的平均功率密度。

利用式（3）進(jìn)行評(píng)判，即：

（3）

式（3）中：Aj為第j個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平均功率密度（查表3得出）。

當(dāng)測(cè)量值的計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足式（3）時(shí)，表示電磁輻射在人體可接受范圍內(nèi)；當(dāng)測(cè)量值的計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足式（3）時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的措施保護(hù)人員的身體健康；當(dāng)電磁輻射不滿(mǎn)足要求時(shí)，除了采用被動(dòng)的措施（比如穿戴防輻射服等）外，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定造成較大影響的頻點(diǎn)和輻射源，并以此為據(jù)針對(duì)輻射源進(jìn)行電磁防護(hù)的設(shè)計(jì)更改。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立試飛期間飛機(jī)電磁輻射的評(píng)估方法，可以為用戶(hù)提供使用依據(jù)，也可以利用此方法確定輻射影響較大的設(shè)備，為設(shè)計(jì)的更改提供參考。此方法不僅可以運(yùn)用于飛機(jī)電磁輻射對(duì)機(jī)組人員影響的評(píng)估中，也可以評(píng)估電磁輻射對(duì)布置在有大型地面輻射源附近的工作區(qū)和生活區(qū)的影響，以減小對(duì)人體健康的傷害。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：焦毅（1986—），男，高級(jí)工程師，主要從事適航、安全性與標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究。馬濤（1975—），男，高級(jí)工程師，主要從事適航、安全性與標(biāo)準(zhǔn)化方面的研究。

〔編輯：白潔〕