某型飛機鐵鳥接地技術研究

王偉琪

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引言

系統(tǒng)需求驗證是民用飛機研制過程中不可缺少的一個階段，也是民機適航取證的核心活動之一。作為系統(tǒng)需求驗證的主要方法，不同層級的系統(tǒng)集成與驗證試驗被規(guī)劃實施，用來驗證各個層級的系統(tǒng)需求。在民用飛機研制過程中，為了完成一系列的系統(tǒng)集成與驗證試驗就需要規(guī)劃配套的民機系統(tǒng)地面模擬試驗環(huán)境，建造相應的飛機系統(tǒng)級地面模擬試驗平臺。由本體臺架、試驗件（包括結構試驗件、系統(tǒng)試驗件以及電纜試驗件等）、試驗設備組成的鐵鳥綜合試驗臺（以下簡稱“鐵鳥”）是民機型號研制的一個非常關鍵的試驗平臺。它是按真實飛機1:1的比例研制，主要集成了主飛控、高升力、液壓、起落架及剎車等機械系統(tǒng)，同時具備與電源、航電系統(tǒng)交聯(lián)的能力，伴隨著民機的整個生命周期，承擔研發(fā)試驗、適航取證試驗以及航線運營支持試驗。接地是民機鐵鳥試驗平臺方案設計、研制以及安裝調試中都無法逃避的問題。接地方案以及實施的好壞將直接影響民機鐵鳥各相關系統(tǒng)用電試驗件（機載設備）、試驗設備工作的正常運行以及試驗人員的人身安全。本文將著重對某型飛機鐵鳥試驗臺及其涉及的試驗設備接地技術進行研究。

1 接地基本定義

民機對機載設備的接地有專門的接地設計規(guī)范，而試驗設備作為專用的儀器系統(tǒng)除了特別的接地要求，也有與之對應的國家行業(yè)標準（HG/T 20513-2000 儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)定）。由于飛機運行環(huán)境與試驗設備工作環(huán)境之間存在差異，所以在機載設備與試驗設備接地上，兩者之間既有相同之處，也存在差異。

1）殼體地（Case Ground）：電流回路經(jīng)過設備安裝表面。

2）機架地（Chassis Ground）：搭接線從設備殼體通過連接器到結構。

3）電氣地（Electrical Ground）：從設備到結構之間的導電回路。

4）屏蔽地（Shielding Ground）：將設備殼體接地端子、內外導線屏蔽層接地，以抑制外來干擾，也可減少設備之間的電磁干擾影響。

5）信號地（Signal Ground）：為保證非隔離的信號具有穩(wěn)定統(tǒng)一的基準電位而設置的接地。

6）電搭接（Bond）：為飛機金屬試驗件之間以及試驗件、設備、附件與飛機機體結構之間提供穩(wěn)定的低阻抗電氣通路，從而防止它們之間產生電磁干擾電平。為電源電流提供返回通路，也是防電擊、靜電防護、閃電防護以及保證天線性能最佳的必要措施。搭接的良好與否，直接影響飛機的安全和性能。

2 接地方式

1）單點接地

單點接地是以結構上的某一點作為參考地，既可以串聯(lián)，也可并聯(lián)如圖1和圖2所示。串聯(lián)的單點接地由于公用同一個噪聲點，容易引起串聯(lián)干擾，接地效果不佳。但是串聯(lián)單點接地具有走線簡單的優(yōu)點。串聯(lián)接地連接不能使用在功率級別相差較大的電路上，因為高功率級的系統(tǒng)/設備會干擾低功率級的系統(tǒng)/設備。當使用該方法時，距離接地點最近的系統(tǒng)/設備最容易被干擾。并聯(lián)接地是最好的單點接地法，每個電路的地電位是自己的地電流和阻抗的函數(shù)，所以它們之間不容易產生干擾，但缺點是走線量較大。

圖1 串聯(lián)接地

圖2 并聯(lián)接地

2）多點接地

如圖3所示，多點接地使用在高頻和數(shù)字電路中。將電路連接到最近的可用低電阻地平面上，經(jīng)常是機架或者飛機結構。地平面的感應較小從而地平面電阻較低。電路和地平面間的連接應盡量的短以使它們間的電阻最小。

圖3 多點接地

4 鐵鳥試驗臺接地方案

1）鐵鳥臺架

某型飛機鐵鳥臺架由機頭、前機身、中機身、中后機身、中后機身、尾翼段、左機翼段、右機翼段、測試間及樓梯護欄組成。左右機翼段呈對稱結構，主要由前梁組件、后梁組件、前后梁連接組件、三角區(qū)等組成。鐵鳥臺架主體選用鋼制型材，其他安裝支架、護欄采用鋁合金或不銹鋼材料。

2）鐵鳥地基

根據(jù)實驗室廠房鐵鳥建造工藝要求，鐵鳥承重區(qū)地基敷設需鋪設橫、縱兩個方向的鋼筋網(wǎng)，如圖4所示。在鐵鳥臺立柱位置還預埋有鋼板。承重區(qū)立柱預埋板與非預埋板區(qū)域使用不同尺寸的鋼筋網(wǎng)格。所有鋼筋和鋼筋之間具有足夠牢固的焊點，使鋼筋網(wǎng)鋪設后為一整體構件。預埋板通過螺紋鋼筋支撐，螺紋鋼筋下部采用彎鉤形式，通過焊點與地基鋼筋網(wǎng)連接。鐵鳥立柱再通過立柱底板及螺栓螺母采用單立柱單鋼板方式連接在一起。

圖4 地基鋼筋網(wǎng)敷設示意圖

3）銅排網(wǎng)絡

根據(jù)GB50169-92《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》的規(guī)定以及機械系統(tǒng)專業(yè)的接地要求，鐵鳥地基中若干位置還設置有獨立的接地樁。同時，鐵鳥臺架上及地基中敷設有兩套銅排網(wǎng)絡。銅排截面應符合熱穩(wěn)定、均壓和機械強度的要求，不小于10mm2。臺架上的銅排網(wǎng)絡用以鐵鳥臺上飛控、液壓等系統(tǒng)試驗件及試驗設備的接地需求；地基中的銅排網(wǎng)絡、鋼筋網(wǎng)絡以及接地樁相互連接，構成完整的鐵鳥接地體，該接地體的接地電阻不大于1歐姆。

4）電纜橋架

為了給分布在鐵鳥臺架上駕駛艙、設備艙、左翼、右翼、尾翼等部位上的各種試驗件、試驗設備，提供電纜互聯(lián)的通道，如圖5所示，某型飛機鐵鳥試驗臺還安裝有配套的電纜橋架。它與鐵鳥臺架銅排一起貫穿于鐵鳥平臺各個部段。兩者之間需可靠連接，連接點保證為兩個以上。電纜橋架由支架、托臂和安裝附件等組成，采用鋁制材質槽式結構，通過連接板連接。連接板的兩端連接固定螺栓配有2個防松墊圈，確保橋架可靠接地。兩槽體間的連接電阻不大于0.1歐姆。橋架的所有非導電部分的鐵件均相互連接和跨接，使之成為一連續(xù)導體。安裝完成后需做連續(xù)性檢驗，要求連續(xù)性電阻不大于1歐姆。同時，電纜橋架本身和電纜橋架蓋板均必須加裝保護地線。

圖5 鐵鳥電纜橋架及銅排走向示意圖

5）廠房供電形式

鐵鳥試驗臺所在的綜合試驗廠房采用三相五線制的供電形式，為廠房內所有設施提供初始電源。三相五線制的電氣供電線路包括A、B、C三根相線，一根中性線（N線、零線），一根地線（PE線），能夠有效隔離了三相四線制供電方式造成的危險電壓，使設備外殼電位始終處在“地”電位，消除了設備產生危險電壓的 隱患。

6）鐵鳥試驗臺接地網(wǎng)絡

如圖6所示，整個鐵鳥試驗臺采用聯(lián)合接地方式，將試驗廠房電氣地（PE地）、鐵鳥臺架鋼結構、地基接地體、銅排網(wǎng)絡、電纜橋架等以電搭接形式連接起來，構成鐵鳥試驗環(huán)境的接地系統(tǒng)（下文簡稱“鐵鳥地”），實現(xiàn)了安全保護接地（防雷、防靜電、防電擊等）與試驗接地（電氣接地、設備接地和屏蔽接地等）的完整統(tǒng)一。

圖6 某型飛機鐵鳥試驗臺接地網(wǎng)絡

4 鐵鳥地面模擬試驗電源及接地

按照某型飛機鐵鳥試驗環(huán)境的規(guī)劃，需研制鐵鳥地面模擬試驗電源系統(tǒng)（以下簡稱“地面電源系統(tǒng)”），在機械系統(tǒng)調試階段和單獨試驗工況下，向鐵鳥相關系統(tǒng)所有用電試驗件供電，以保證其正常工作。地面電源系統(tǒng)的供電品質與飛機供電品質要求一致，能夠真實地反映用電試驗件在飛機上的工作狀態(tài)。

地面電源系統(tǒng)主要由交/直流變電柜、電源控制柜、PMG供電模擬裝置、外置配電箱、遠程控制終端、傳感器（電壓、電流、頻率等）幾部分組成。其中，交流變電柜及PMG供電電源作用是將380V三相交流電轉換成額定電壓為115V（電壓最小可調范圍97～134V）、360～800Hz寬變頻、三相四線制、Y型連接。

直流變電柜則是將380V三相交流電轉換成額定電壓為28V（電壓最小可調范圍18～32V，電壓調節(jié)通過艾普斯28V電源柜調節(jié)）。

交流變電柜、PMG供電電源、直流變電柜、電源控制柜、外置配電箱的殼體都與廠方供電的保護地（PE線）相連。直流變電柜的28V輸出端的負極與鐵鳥臺架銅排網(wǎng)絡相連。

5 試驗設備及接地

除前述地面電源系統(tǒng)外，還需研制其他配套試驗設備以滿足鐵鳥試驗需求。

1）飛機系統(tǒng)信號仿真設備。為了模擬機械系統(tǒng)外圍其他系統(tǒng)信號，建立飛控系統(tǒng)的交聯(lián)工作環(huán)境，在機械系統(tǒng)鐵鳥試驗中需使用到飛機系統(tǒng)信號仿真設備（以下簡稱“信號仿真設備”）。該設備用來模擬航電、電源、動力等交聯(lián)系統(tǒng)向飛控、液壓等機械系統(tǒng)發(fā)出的 信號。

2）試驗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。為了采集、存儲、顯示和處理鐵鳥試驗中的試驗數(shù)據(jù)，需要研制專用試驗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（以下簡稱“數(shù)采系統(tǒng)”）。它用來測量主翼面偏度、手柄信號、油壓、油溫、流量、供電電壓及系統(tǒng)內部及交聯(lián)總線信號等。

3）模式切換與故障注入系統(tǒng)。為了截斷鐵鳥上相關系統(tǒng)信號線路，引入真實飛機系統(tǒng)信號與仿真飛機系統(tǒng)信號的切換以及簡單電氣故障的模擬，需研制模式切換與故障注入系統(tǒng)（以下簡稱“模式切換”）。對鐵鳥試驗而言，其作用主要有：（1）截取機械系統(tǒng)內部以及與外部交聯(lián)系統(tǒng)之間的信號，為數(shù)采系統(tǒng)提供信號采集接口；（2）實現(xiàn)信號仿真設備發(fā)出的航電仿真信號與真實仿真信號的切換；（3）在鐵鳥故障試驗中，設置信號斷開故障。

信號仿真設備、數(shù)采系統(tǒng)、模式切換等試驗測試設備對接地要求同樣重要，主要表現(xiàn)在設備安全保護地與信號地兩個方面。這三套試驗設備都涉及板卡、機箱及機柜。根據(jù)安全保護要求，所有的機箱外殼與機柜應有良好連接，機柜外殼又應該與220VAC中的地線相連，確保機箱和機柜不存在累積電荷或電壓，保證操作人員的安全。同時，由于某些板卡信號通道的參考基準地與機箱背板都與220VAC中的地線相連，若測試設備涉及對機械系統(tǒng)內部或系統(tǒng)間交聯(lián)信號的截取采集，比如對相關系統(tǒng)的傳感器、總線信號截取抽引時，一方面要求系統(tǒng)信號屏蔽線兩端及所有中斷處應接地。測試設備的測試線纜也需做好屏蔽，并保證與機柜地的可靠連接；另一方面，數(shù)采系統(tǒng)和模式切換系統(tǒng)本身尤其需要加強抗干擾設計，不能因為這些測試系統(tǒng)的引入而對機載計算機與傳感器的正常工作造成影響，更不能危機機載計算機的安全?？刹扇∪缦掠行Т胧?/p>

1）隔離電路。在被試系統(tǒng)與測試系統(tǒng)間配置隔離電路，減少串擾的同時保證截取信號的電氣特性；

2）電源濾波。在交流電源輸入端加入電源濾波器來抑制由電源引入的干擾，提高電源的穩(wěn)定品質。

6 結論

本文在介紹了接地基本概念的基礎上，根據(jù)實際應用總結并詳細介紹了某型飛機鐵鳥試驗環(huán)境的接地技術方案。文中所述的接地方案在更大范圍內試驗平臺之間的“共地”以及其他型號飛機鐵鳥（系統(tǒng)）試驗平臺的研制具有積極的參考作用。

參考文獻：

[1]HG/T 20513-2000,儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)定[S].西安:華陸工程科技有限責任公司,2014.

[2]GBT 13869-2008,用電安全導則[S].北京:中國標準出版社,2008.