某型教練機測試改裝中電磁兼容控制與防護

摘要：某型教練機測試改裝完成后，在做全機全系統(tǒng)電磁兼容性試驗時出現(xiàn)電磁干擾問題，現(xiàn)針對這一問題的分析和解決過程進行闡述，并結(jié)合實際測試改裝工作，介紹電磁干擾的來源及其控制與防護方法。

關(guān)鍵詞：飛機測試改裝；電磁干擾；電磁兼容

中圖分類號：V217；TN03? 文獻標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0074-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.020

0? ? 引言

飛機測試改裝是飛行試驗的一個重要環(huán)節(jié)，涉及在試驗機上加裝各型傳感器、信號采集器、數(shù)據(jù)記錄器等測試改裝設(shè)備，以及按照試飛任務(wù)要求對試驗機的飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等進行測試改裝，測試改裝組成示意圖如圖1所示。

隨著我國航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量電氣設(shè)備取代了原有的機械儀表，應(yīng)用于機載設(shè)備的各個領(lǐng)域。而機載設(shè)備工作環(huán)境具有狹小空間中電氣設(shè)備安裝密集，線纜敷設(shè)集中，電磁頻譜覆蓋范圍廣，受干擾因素多等特點[1]。各種機載設(shè)備的電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）對飛機的性能有著直接影響，甚至直接關(guān)系到飛機的試飛安全。

在實際測試改裝過程中，加裝的線纜或經(jīng)過改裝的原機線纜與試驗機原機線纜和機載設(shè)備之間存在著復(fù)雜的電氣或電磁交聯(lián)，從而使試驗機的原機線纜和機載設(shè)備受電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）影響的問題特別突出[2-3]。此外，測試改裝設(shè)備除了本身應(yīng)達到各項電磁兼容技術(shù)要求外，還應(yīng)確保其不成為其他設(shè)備的干擾源，亦不被其他設(shè)備所干擾，實現(xiàn)與全機全系統(tǒng)的電磁兼容，從而滿足后續(xù)試飛任務(wù)。

1? ? 問題的背景

某型教練機為執(zhí)行某產(chǎn)品的鑒定試飛任務(wù)，對機上相關(guān)系統(tǒng)進行測試改裝，主要加裝了姿態(tài)傳感器、大氣總溫傳感器、GPS天線、GPS采編器、信號采集器、數(shù)據(jù)記錄器等機載測試改裝設(shè)備，改裝完成后做全機電磁兼容性試驗時，發(fā)現(xiàn)各測試改裝設(shè)備均工作正常，但試驗機電臺與地面指揮塔臺間的無線電通信受到干擾，機上其余設(shè)備工作正常，具體故障現(xiàn)象表現(xiàn)為機上電臺主頻點持續(xù)或間歇性噪聲。測試改裝設(shè)備連接示意圖如圖2所示。

經(jīng)初步分析，認為導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是在加裝測試改裝設(shè)備后，新增設(shè)備對試驗機電臺造成電磁干擾，從而產(chǎn)生噪聲。由于無線電通信系統(tǒng)與飛行安全密切相關(guān)，在該故障排除前，絕不能進行后續(xù)飛行試驗。

2? ? 問題的解決

為了尋找故障原因，對該試驗機進行了一系列測試，其中包括：

（1）斷開所有測試改裝設(shè)備電源，僅對試驗機全機通電，試驗機電臺與指揮塔臺間的無線電通信恢復(fù)正常。因此，可判斷試驗機電臺未出現(xiàn)故障。

（2）斷開所有測試改裝設(shè)備電源，采用地面電源方式供電，試驗機電臺與指揮塔臺間的無線電通信依然有干擾。因此，可初步判定加裝的測試改裝設(shè)備與試驗機存在電磁干擾。

（3）將各個測試改裝設(shè)備逐一關(guān)閉，發(fā)現(xiàn)只有在信號采集器關(guān)閉的情況下試驗機電臺通信正常；再將各個測試改裝設(shè)備逐一打開，發(fā)現(xiàn)只有在信號采集器打開的情況下試驗機電臺通信受到干擾。故可進一步判定信號采集器是造成電磁干擾的主要原因。

（4）用頻譜分析儀探頭多次探測信號采集器及連接線纜處的信號強度，如表1所示，發(fā)現(xiàn)在信號采集器供電線纜捆扎處的信號強度最強。

（5）在制作線纜時預(yù)留長度比理論需要線纜長度長，這就造成敷設(shè)完成后有多余線纜，但此時線纜兩端已連接設(shè)備，只能進行集束捆扎處理。隨后重新制作供電線纜，去除預(yù)留長度，并根據(jù)信號類型對線纜進行重新敷設(shè)捆扎處理。

（6）重復(fù)（2）（3）的測試，發(fā)現(xiàn)試驗機電臺與指揮塔臺間的無線電通信恢復(fù)正常。再次通過頻譜分析儀探頭多次探測信號采集器及連接線纜處的信號強度，如表2所示。

對上述一系列測試的分析表明，故障是由于測試改裝設(shè)備的供電線纜產(chǎn)生的電磁輻射對機載設(shè)備產(chǎn)生了干擾。因此，查找干擾源，判斷干擾傳播途徑，減少被干擾的設(shè)備，提高抗干擾能力，保證試驗機各系統(tǒng)工作正常，是必須研究的重要課題之一。

3? ? 測試改裝中的電磁兼容控制與防護

電磁兼容是研究電磁干擾的問題，通常把復(fù)雜的電磁環(huán)境分解成電磁干擾的三要素[4]，即產(chǎn)生電磁干擾的干擾源、對干擾敏感的接收單元、將電磁能量由干擾源傳遞至接收單元的傳遞通道，如圖3所示。

飛機測試改裝中的干擾源主要由機械改裝和電氣改裝兩方面組成，接收單元主要是由數(shù)字電路和放大電路等組成的電氣設(shè)備，傳遞通道有供電線纜耦合、接地線纜耦合、空間電磁波等方式，電磁兼容的控制與防護也主要集中在這些方面。

3.1? ? 機械改裝

機械改裝中電磁兼容的控制與防護主要涉及的是測試改裝設(shè)備安裝位置的選擇。在現(xiàn)代化的飛機上，機身各處都存在電氣設(shè)備，在安裝測試改裝設(shè)備之前進行科學(xué)布局，可以很大程度上解決飛機改裝中電氣設(shè)備的電磁干擾問題[5]。

例如，某些類型的傳感器含有電磁線圈，在工作時會產(chǎn)生電磁輻射，影響試驗機內(nèi)部原有電磁環(huán)境，導(dǎo)致機載設(shè)備性能下降，甚至失靈。為防止類似情況的發(fā)生，就需要根據(jù)實際工作情況來選擇測試改裝設(shè)備，并對所有加裝設(shè)備與擬安裝艙位的試驗機原機設(shè)備統(tǒng)籌安排，主要考慮電磁信號的遮擋，即加裝測試改裝設(shè)備與原機設(shè)備的隔離情況，以加裝測試設(shè)備與原機設(shè)備不在同一艙位為最佳。

此外，如果測試改裝中需要加裝天線，那么在確定天線的安裝位置時，需要做好以下兩點：

第一，在確定天線的安裝位置，尤其是具有較大輸出功率的天線的安裝位置時，應(yīng)確保發(fā)射天線在最大程度上遠離接收天線，從而提高空間隔離度，避免電磁干擾。

第二，應(yīng)盡可能將機上工作頻率相同或相近的天線相互遠離，以保持足夠的距離，防止相互之間產(chǎn)生干擾。

實踐證明，通過科學(xué)合理的布局，能夠解決大部分飛機測試改裝中電氣設(shè)備電磁兼容的問題。

3.2? ? 電氣改裝

電氣改裝中的電磁干擾主要分供電線纜干擾和靜電干擾兩部分。

3.2.1? ? 供電線纜干擾

飛機上的電源系統(tǒng)普遍采用的是“單線制”供電方式，“單線制”就是電流從飛機發(fā)電機或二次電源的正端輸出，再經(jīng)過配電樞紐分流至不同的電氣設(shè)備，而各個電氣設(shè)備和飛機發(fā)電機或二次電源的負端都與飛機就近一端的金屬外殼相連，形成一個公共的“大地”，從而構(gòu)成完整的電源系統(tǒng)[6]。

這種供電模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在不需要多次重復(fù)敷設(shè)供電線纜，但是也存在由供電線纜產(chǎn)生的電磁輻射影響其他電氣設(shè)備的缺陷。

為了避免這種供電方式所引發(fā)的電磁干擾問題，需要做好以下五點：

第一，要在測試改裝設(shè)備供電線纜敷設(shè)前選擇合適的敷設(shè)路徑，并將與不同供電線纜連接的設(shè)備分別做好屏蔽與接地設(shè)計，設(shè)備與電源負端之間的阻抗也應(yīng)嚴格控制。

第二，測試改裝設(shè)備應(yīng)選用橫截面積寬且長度短的線纜作為供電線纜，以降低供電線纜的阻抗，減少設(shè)備供電線纜的壓降損失，同時減少供電線纜的搭接，避免因接觸不良而產(chǎn)生電磁干擾。

第三，測試改裝設(shè)備如選用了大功率設(shè)備，則應(yīng)與其他設(shè)備進行分開供電，避免大功率設(shè)備在啟動時引起試驗機電源系統(tǒng)電壓不穩(wěn)，進而影響其他設(shè)備。另外，還應(yīng)在大功率設(shè)備上加裝繼電器等“緩啟動”裝置，將試驗機電源系統(tǒng)受到的電涌效應(yīng)沖擊降到最低。

第四，供電線纜與信號線纜都應(yīng)選用帶屏蔽功能的線纜，并將供電線纜與信號線纜分開敷設(shè)。此外，還應(yīng)盡可能使用防波套將屏蔽線纜套住，使外防波套與屏蔽線纜兩端的屏蔽層相連接，保證與大地良好接觸；若加裝測試改裝設(shè)備的工作功率較小，也可選用帶屏蔽的雙絞線作為供電線纜進行供電，從而確保供電線纜對信號線纜產(chǎn)生的電磁干擾降到最低。

第五，在敏感度高的測試改裝設(shè)備的電源輸入端口前增加濾波器，提高其電源品質(zhì)，從而減少供電線纜對設(shè)備的干擾，確保設(shè)備正常運行。此外，在測試改裝安裝空間位置允許的情況下，可采用多電源模塊分組供電，避免大功率設(shè)備與敏感度高的測試改裝設(shè)備共用同一電源而造成電磁干擾。

3.2.2? ? 靜電干擾

避免靜電干擾所引發(fā)的電磁兼容問題，主要需做好以下兩點：

第一，在測試改裝中使用合理的接地設(shè)計可以釋放飛機在靜電感應(yīng)中產(chǎn)生的靜電，這樣既能夠有效防止積累的靜電形成高壓而干擾設(shè)備的正常運行，又能夠提升設(shè)備的工作穩(wěn)定性。在理想狀態(tài)下，飛機機體各個部位的電阻都應(yīng)為零。但是在實際工作中，飛機機體各個部位的電阻是不可能為零的，這就導(dǎo)致了電勢差，各個部位電阻值的差值越大就會導(dǎo)致電勢差越大，相互之間的影響也就越大。因此，良好的接地設(shè)計可以有效減小電阻，從而減小電勢差，避免積累的靜電對機載設(shè)備造成損害。

第二，飛機構(gòu)造原理特殊，導(dǎo)致在飛行時金屬機體與空氣的高速摩擦?xí)a(chǎn)生大量的靜電積累。雖然在飛機機體的不同部位均設(shè)計有靜電釋放裝置，但飛機機體的部分區(qū)域仍然會有不能及時釋放的靜電電壓，這些電壓通過傳導(dǎo)和放電的方式最終產(chǎn)生電磁干擾。因此，測試改裝中的各條線纜和測試改裝設(shè)備都要做好絕緣處理。另外，在選擇加裝的測試改裝設(shè)備時，應(yīng)盡可能選用靜電防護能力強的電氣設(shè)備。

4? ? 結(jié)語

隨著我國航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，在飛機測試改裝中應(yīng)用的新技術(shù)、新設(shè)備也越來越多。如果加裝的測試改裝設(shè)備與試驗機內(nèi)部原有的電磁環(huán)境不兼容，就會造成設(shè)備故障甚至損壞，嚴重影響試飛安全。所以在飛機的測試改裝中，尤其是在測試改裝方案設(shè)計前就要充分考慮到測試改裝設(shè)備與試驗機原有機載設(shè)備的電磁兼容性。

在完成測試改裝后，還需進行全機全系統(tǒng)的電磁兼容性試驗，確保后續(xù)飛行試驗的安全進行。

[參考文獻]

[1] 杜曉昌.機載設(shè)備的電磁干擾及電磁兼容性分析研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2015.

[2] 白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[3] 齊興昌，宋祖勛.復(fù)雜電磁環(huán)境中電磁干擾現(xiàn)象分析與解決措施[J].華北科技學(xué)院學(xué)報，2005，2（1）：81-83.

[4] 徐鵬根.電磁兼容性原理及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1996.

[5] 劉亞飛.飛機改裝中的電磁兼容技術(shù)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（16）：14.

[6] 李建峰.飛機加裝機載WIFI系統(tǒng)電磁兼容性研究[J].通訊世界，2016（8）：230-231.

收稿日期：2023-02-01

作者簡介：葉錫濤（1990—），男，江西南昌人，工程師，研究方向：飛行試驗測試改裝與遙測監(jiān)控。