運(yùn)輸類旋翼航空器高強(qiáng)輻射場(chǎng)防護(hù)適航符合性驗(yàn)證方法研究

黃書雅

（中航工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始，隨著電子和電氣系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電磁波和輻射對(duì)航空器的影響開(kāi)始日益顯現(xiàn)。1967 ～2000 年，先后有幾架飛機(jī)和直升機(jī)受到影響發(fā)生事故，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故原因包括機(jī)載高度表顯示錯(cuò)誤、槳葉伺服機(jī)構(gòu)失效、通信系統(tǒng)受到干擾，這幾起事故均是因?yàn)殡娮与姎庀到y(tǒng)受到了電磁波和輻射的影響，使得航空器墜毀或者受到了不同程度的損壞，由此可見(jiàn)，電磁防護(hù)對(duì)航空器的重要性。

高強(qiáng)輻射場(chǎng)（High Intensity Radiated Field, HIRF）是在單位面積的輻射能量比較高的一種電磁輻射。這種電磁輻射除了會(huì)對(duì)人身產(chǎn)生影響，還會(huì)影響航空器電子電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)航空器而言，HIRF 環(huán)境一般是由雷達(dá)、無(wú)線電、電視和其他地面、水面或者空中的射頻發(fā)射機(jī)發(fā)射的能量造成的。雖然HIRF 沒(méi)有對(duì)早期的航空器形成明顯的危害，但是由上述幾起事故可以看出，在20 世紀(jì)70 年代末期設(shè)計(jì)的民用航空器包括了關(guān)鍵飛行電子控制系統(tǒng)，電子顯示以及發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)的運(yùn)行在HIRF 環(huán)境中更容易受到有害影響，從而影響航空器的安全飛行和著陸。近年來(lái)，由于以下原因?qū)@些系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的必要性已經(jīng)顯著提升：

（1）航空器持續(xù)安全飛行和著陸需要對(duì)電子和電氣系統(tǒng)承擔(dān)的功能有更大的依賴；

（2）設(shè)計(jì)航空器時(shí)由于采用復(fù)合材料引起電磁屏蔽的減弱；

（3）由于不斷增加的數(shù)據(jù)總線或處理器運(yùn)算速度，更高密度的集成電路和板塊和更敏感的電子設(shè)備使得電子電氣系統(tǒng)越來(lái)越容易受到HIRF 的影響；

（4）使用頻率的擴(kuò)展，尤其高于1 千兆赫（GHz）；

（5）由于無(wú)線電傳輸裝置的數(shù)目和能量的增加引起的更嚴(yán)重的HIRF 環(huán)境；

（6）實(shí)踐證明，一些航空器暴露在HIRF 環(huán)境下的負(fù)作用。

因此，HIRF 已經(jīng)成為影響現(xiàn)代航空器安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。本文首先梳理了HIRF 的相關(guān)適航規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)HIRF 的相關(guān)適航規(guī)章和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)HIRF 的適航要求進(jìn)行了解析，探討了運(yùn)輸類旋翼航空器的HIRF 適航符合性驗(yàn)證思路及方法。

1 適航條款及解析

1.1 國(guó)內(nèi)外HIRF 防護(hù)適航條款

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）于2006 年2 月1 日發(fā)布了規(guī)章制訂建議公告（NPRM）（71 FR 5553）。該NPRM 包括對(duì)促進(jìn)本次規(guī)章制訂的HIRF 相關(guān)事件的描述。最終通過(guò)討論，新增29.1317 高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）防護(hù)條款，并在29 部增加附錄E 增加HIRF 環(huán)境和設(shè)備HIRF 測(cè)試水平的要求。中國(guó)交通運(yùn)輸部在2017 年4 月1 日頒布了《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定》（CCAR-29-R2），新增了第29.1317 條高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）保護(hù)，在此之前，國(guó)內(nèi)運(yùn)輸類旋翼航空器的HIRF防護(hù)經(jīng)驗(yàn)十分有限，部分型號(hào)參考FAR29.1317 制定了HIRF防護(hù)的專用條件。

1.2 HIRF 防護(hù)適航條款解析

29.1317 條款規(guī)定了三類不同程度影響旋翼航空器安全的電子電氣系統(tǒng)（分別稱為關(guān)鍵系統(tǒng)、重要系統(tǒng)、一般系統(tǒng)）的HIRF 防護(hù)設(shè)計(jì)要求及驗(yàn)證要求。旋翼航空器關(guān)鍵系統(tǒng)、重要系統(tǒng)、一般系統(tǒng)的界定可按照29.1309 要求，由整機(jī)功能危險(xiǎn)分析（FHA）確定。

（1）條款（a）提到的電氣和電子系統(tǒng)是指經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為A 級(jí)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在功能失效后會(huì)妨礙航空器繼續(xù)安全飛行和著陸；條款（b）提到的電氣和電子系統(tǒng)是指經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為B 級(jí)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在功能失效后會(huì)嚴(yán)重降低航空器或者飛行機(jī)組對(duì)不利運(yùn)行條件的應(yīng)對(duì)能力；條款（c）提到的電氣和電子系統(tǒng)是指經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為C 級(jí)的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)功能失效后會(huì)降低航空器或者飛行機(jī)組的不利運(yùn)行條件的應(yīng)對(duì)能力；經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為D 或E 級(jí)的系統(tǒng)，可以不考慮本條款的要求。

（2）附件E 對(duì)旋翼航空器電氣和電子系統(tǒng)的HIRF 環(huán)境以及設(shè)備測(cè)試水平做出了具體要求。

（3）條款中“功能不會(huì)受到不利影響”，即表示系統(tǒng)在條款要求的HIRF 環(huán)境中功能一直要保持正常，不允許有瞬態(tài)的功能喪失，通常這種情況下，可以采取系統(tǒng)備份的方式，保證主系統(tǒng)受影響后，備份系統(tǒng)也能正常運(yùn)行。同理，“系統(tǒng)不受不利影響”即表示系統(tǒng)在條款要求的HIRF 環(huán)境中不允許有瞬態(tài)的喪失。

表1 不同危害等級(jí)的系統(tǒng)HIRF 考核環(huán)境

2 符合性驗(yàn)證思路及方法建議

中國(guó)民用航空局（CAAC）2006 年頒布了《航空器高強(qiáng)輻射場(chǎng)（HIRF）保護(hù)要求》（AC-21-1317），按照該咨詢通告的要求，29.1317 條款的建議驗(yàn)證思路如下：

2.1 確定要評(píng)估的系統(tǒng)

結(jié)合整機(jī)功能危險(xiǎn)性分析和分系統(tǒng)功能危險(xiǎn)性分析，梳理確定需要進(jìn)行HIRF 評(píng)估的關(guān)鍵系統(tǒng)和重要系統(tǒng)。針對(duì)不同等級(jí)的系統(tǒng)，由于適航規(guī)章對(duì)其有不同的防護(hù)要求，因此，應(yīng)該完成的試驗(yàn)也不相同。A 級(jí)系統(tǒng)通常需要完成整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)及設(shè)備級(jí)試驗(yàn)，而B(niǎo) 級(jí)和C 級(jí)系統(tǒng)通常只需要完成設(shè)備級(jí)試驗(yàn)。

2.2 建立適用的HIRF 環(huán)境

CCAR29-R2 附錄E 規(guī)定了旋翼航空器的外部HIRF 環(huán)境I、II、III。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)旋翼航空器暴露在HIRF 環(huán)境中時(shí)，外部HIRF 能夠穿透航空器，在內(nèi)部形成一個(gè)射頻環(huán)境，使得內(nèi)部的電氣和電子系統(tǒng)受到HIRF 的影響。

（1）A 級(jí)系統(tǒng)。A 級(jí)系統(tǒng)的內(nèi)部HIRF 環(huán)境是由航空器對(duì)HIRF 環(huán)境Ⅰ、Ⅱ的衰減決定的。衰減是針對(duì)不同航空器和不同區(qū)域特定的，應(yīng)通過(guò)整機(jī)級(jí)試驗(yàn)、分析或相似性來(lái)建立。A 級(jí)系統(tǒng)應(yīng)完成設(shè)備級(jí)試驗(yàn)及整機(jī)級(jí)試驗(yàn)，對(duì)顯示系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還需進(jìn)行系統(tǒng)綜合臺(tái)架試驗(yàn)。

（2）B 級(jí)系統(tǒng)。B 級(jí)系統(tǒng)應(yīng)完成設(shè)備級(jí)試驗(yàn)，適用于HIRF 設(shè)備級(jí)測(cè)試水平1、2。

（3）C 級(jí)系統(tǒng)。C 級(jí)系統(tǒng)應(yīng)完成設(shè)備級(jí)試驗(yàn)，適用于HIRF 設(shè)備級(jí)測(cè)試水平3。

2.3 HIRF 符合性驗(yàn)證方法

通常HIRF 的符合性驗(yàn)證會(huì)采用試驗(yàn)室試驗(yàn)和分析/計(jì)算的方法。

2.3.1 試驗(yàn)室試驗(yàn)

試驗(yàn)室試驗(yàn)包括整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)試驗(yàn)。

（1）整機(jī)級(jí)試驗(yàn)。整機(jī)級(jí)試驗(yàn)的兩種主要方法是低電平耦合試驗(yàn)和高電平試驗(yàn)。低電平耦合包括測(cè)量機(jī)身的衰減并確認(rèn)綜合系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)電平以反映測(cè)量的內(nèi)部HIRF 環(huán)境。高電平設(shè)備場(chǎng)照度試驗(yàn)包括使用與適用的外部HIRF 環(huán)境相等的試驗(yàn)電平照射旋翼航空器。

（2）系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。對(duì)于A 類系統(tǒng)，應(yīng)在綜合系統(tǒng)臺(tái)架上進(jìn)行輻射和傳導(dǎo)射頻敏感性試驗(yàn)室試驗(yàn)：

（a）試驗(yàn)室集成系統(tǒng)試驗(yàn)的安裝細(xì)節(jié)應(yīng)該類似于機(jī)上的安裝；

（b）系統(tǒng)級(jí)HIRF 環(huán)境試驗(yàn)時(shí)被測(cè)試的系統(tǒng)應(yīng)該一直處于工作狀態(tài)，同時(shí)需要驗(yàn)證所有工作模式下系統(tǒng)的運(yùn)行情況；

（c）根據(jù)系統(tǒng)安全評(píng)估和適當(dāng)?shù)腍IRF 規(guī)定，為系統(tǒng)定義適當(dāng)?shù)暮细?不合格準(zhǔn)則；

（d）測(cè)試電平的選擇應(yīng)根據(jù)整機(jī)試驗(yàn)確定的內(nèi)部HIRF預(yù)期環(huán)境。

（3）設(shè)備級(jí)試驗(yàn)。在建立對(duì)設(shè)備HIRF 抗干擾度的置信水平之前，可采用RTCA/DO-160 第20 節(jié)的方法進(jìn)行集成系統(tǒng)的輻射和傳導(dǎo)射頻敏感度的試驗(yàn)室試驗(yàn)。在以往型號(hào)合格審定的過(guò)程中，一般針對(duì)A 類系統(tǒng)，設(shè)備級(jí)HIRF 試驗(yàn)并不是強(qiáng)制的，可以選擇進(jìn)行以支撐集成系統(tǒng)的HIRF 試驗(yàn)。RTCA/DO-160 中對(duì)設(shè)備試驗(yàn)等級(jí)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，B 級(jí)系統(tǒng)采用1 或者2 級(jí)設(shè)備HIRF 試驗(yàn)，C 級(jí)系統(tǒng)采用3 級(jí)設(shè)備試驗(yàn)。

2.3.2 分析/計(jì)算

一般分析/計(jì)算會(huì)采用仿真分析和相似性分析的方法。

（1）仿真分析。仿真分析在現(xiàn)代航空器的設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越多，通常這種分析方法會(huì)在航空器設(shè)計(jì)之初采用，用于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的一些缺陷。美、歐一些航空強(qiáng)國(guó)在HIRF 的防護(hù)設(shè)計(jì)中普遍采用了仿真分析軟件，而我國(guó)航空器HIRF 防護(hù)設(shè)計(jì)的仿真分析水平與其相比還有很大差距。

（2）相似性分析。在已有的旋翼航空器型號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或者改型時(shí)，可以采用相似性分析的方法對(duì)HIRF 的防護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估。采用相似性分析時(shí)，應(yīng)該對(duì)原型機(jī)和改進(jìn)或改型后的機(jī)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，保證采用相似性分析后得出的結(jié)果是可信的，能夠用來(lái)表明符合性。

2.4 驗(yàn)證對(duì)HIRF 合格審定要求的符合性

當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果表明，HIRF 環(huán)境下的系統(tǒng)和設(shè)備線束上的射頻電流低于測(cè)試等級(jí)時(shí)，可以認(rèn)為符合HIRF 防護(hù)的合格審定要求。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著航空電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展, 電子電氣系統(tǒng)逐步取代了傳統(tǒng)的機(jī)械電子產(chǎn)品, 現(xiàn)代航空器的安全運(yùn)行和著陸離不開(kāi)電子電氣系統(tǒng)，旋翼航空器與固定翼飛機(jī)相比，飛行高度低，更容易受到HIRF 環(huán)境的干擾。本文梳理了國(guó)內(nèi)外HIRF防護(hù)適航條款的頒布和使用情況，對(duì)運(yùn)輸類旋翼航空器的HIRF 要求進(jìn)行了解讀，提出了符合性驗(yàn)證思路及驗(yàn)證方法建議，為后續(xù)其他機(jī)型開(kāi)展HIRF 防護(hù)設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證提供了一定的技術(shù)支持。目前，我國(guó)在運(yùn)輸類旋翼航空器HIRF 防護(hù)設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證方面經(jīng)驗(yàn)十分不足，由于相應(yīng)的適航條款頒布的時(shí)間較晚，還沒(méi)有一架運(yùn)輸類旋翼航空器進(jìn)行過(guò)完整的HIRF 設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證，與國(guó)際水平相差巨大。因此，后續(xù)對(duì)運(yùn)輸類旋翼航空器的HIRF 防護(hù)設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證還需要進(jìn)一步的研究與實(shí)踐。