葉繼海，金 平，韓 冰

（上海飛機設(shè)計研究院 上海 201210）

現(xiàn)代先進民用飛機設(shè)計中逐漸大量的采用復(fù)合材料來代替金屬材料，減少飛機重量的同時也極大的降低了機體對外部電磁環(huán)境的屏蔽效能。同時，伴隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的復(fù)雜機載電子設(shè)備正日益廣泛的應(yīng)用到飛機上，以取代傳統(tǒng)的機械式儀表和操縱系統(tǒng)。而其中由復(fù)雜電子硬件構(gòu)成的非相似多余度電傳飛控系統(tǒng)，更是作為飛機發(fā)展的一個重要里程碑，普遍被現(xiàn)代民用飛機所采用。

飛控系統(tǒng)作為飛機飛行安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，經(jīng)歷了從常規(guī)機械操縱系統(tǒng)——帶機械備份的電傳系統(tǒng)——全數(shù)字電傳系統(tǒng)的發(fā)展階段，極大的改善了飛機的飛行品質(zhì)，提高了飛機的安全性指標，并減輕了飛行員的工作負擔(dān)。然而也正是隨著數(shù)字計算機和控制設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使人們更加意識到閃電間接效應(yīng)可能帶來的災(zāi)難性危害。

上世紀70年代，一批來自FAA和NASA等機構(gòu)的航空界工程師們對如何評估機載電子設(shè)備對閃電間接效應(yīng)敏感性的測試方法展開了研究，并提出了一種瞬態(tài)分析技術(shù)[1]，開創(chuàng)了通過試驗驗證電子設(shè)備的瞬態(tài)設(shè)計水平（ETDL）是否可以耐受實際瞬態(tài)水平（ATL）的方法。航空無線電技術(shù)委員會（RTCA）和美國汽車工程師協(xié)會（SAE）等航空組織也相繼推出了一系列的標準以指導(dǎo)如何進行閃電間接效應(yīng)試驗[2-3]。

1 閃電間接效應(yīng)的基本特性

閃電是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，其對飛機的影響可以分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩部分。直接效應(yīng)，顧名思義是指閃電直接作用于飛機上，造成結(jié)構(gòu)的熔蝕、變形等，當作用于動力燃油裝置時甚至?xí)鹑紵?、爆炸等?zāi)難性后果。而閃電間接效應(yīng)是指由于飛機遭遇閃電時，在飛機電子電氣設(shè)備接口處產(chǎn)生的干擾電壓/電流，及其所造成的設(shè)備永久性損壞或功能故障現(xiàn)象。研究表明閃電過程可以簡化建模為4個波形分量，如圖1。正是這些波形與飛機結(jié)構(gòu)的相互作用使得內(nèi)部電纜和設(shè)備感應(yīng)到了電壓和電流瞬態(tài)[4]。

圖1 閃電波形建模Fig.1 Lightning waveform modeling

圖1中，分量A表征了飛機遭遇閃電時產(chǎn)生的初始回擊，其幅度可達幾百kA，該分量是整個閃電過程中能量最大，影響最主要的部分；分量B用來表征由分量A衰減到分量C過程中的過渡波形，幅值約為幾十kA；分量C表征了流經(jīng)閃電通道上的電流，持續(xù)時間可達幾毫秒，幅值約為幾百A。分量D表征閃電在飛機上產(chǎn)生的二次回擊，峰值電流為幾十kA。

閃電的間接效應(yīng)通常以共模干擾的方式影響機載電子系統(tǒng)，雖然實際中應(yīng)用的數(shù)字電傳系統(tǒng)都包含多個余度備份，但是由閃電引起的大能量電磁干擾可能也會同時出現(xiàn)在所有備份的通道上，并對備份系統(tǒng)造成同樣的損害，使之失去備份的作用，如圖2。出于應(yīng)用和分析的目的，通常可以將閃電間接效應(yīng)的耦合機制概括成孔隙耦合和阻抗耦合兩大類。

1.1 孔隙耦合

只要飛機結(jié)構(gòu)不是完全電磁屏蔽的，就會有電磁波滲透進來，或者通過對結(jié)構(gòu)的穿透，或者通過孔隙的二次發(fā)射，如駕駛艙的風(fēng)擋，窗戶以及口蓋縫隙等。其中以初始回擊波形分量A的影響最為主要，它通過磁場的方式滲入機體內(nèi)部，并在內(nèi)部回路電纜上耦合出感應(yīng)電流，定義為測試波形 1（6.4/70μs）[3]。

圖2 閃電作用方式Fig.2 The effect of lightning

穿過孔隙的波形分量A以內(nèi)部電場方式引起的導(dǎo)線與機體之間的感應(yīng)電壓定義為測試波形2（0.1/6.4μs），其是一個雙指數(shù)導(dǎo)數(shù)波形。

由于不同的電纜長度和參數(shù)，穿透到飛機內(nèi)部的電場/磁場會在電纜上激勵出諧振現(xiàn)象，并形成阻尼振蕩波形，頻率范圍在1 MHz到10 MHz。定義為測試波形3。

1.2 阻抗耦合

廣義而言，通過孔隙耦合屬于高頻機理，因為孔隙尺寸相對較小，限制了低頻電磁場的傳播，而通過阻抗耦合和結(jié)構(gòu)擴散的方式耦合屬于低頻機理。其感應(yīng)電壓值為電纜兩接地端之間的結(jié)構(gòu)IR電壓和由導(dǎo)電材料場擴散產(chǎn)生的電壓總和。

閃電電流流過機體結(jié)構(gòu)，在機內(nèi)電子電路兩端產(chǎn)生結(jié)構(gòu)IR電壓，對于金屬結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)IR電壓值很小；而對于碳纖維等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)IR電壓值很大，從而導(dǎo)致機內(nèi)設(shè)備線束及導(dǎo)線上感應(yīng)的瞬態(tài)電壓幅值很大。此種方式的感應(yīng)與閃電電流分量A直接相關(guān)，使用測試波形4（6.4/70（s）來定義。該瞬態(tài)波形也會出現(xiàn)在帶屏蔽層的電纜上，通過屏蔽層形成回路電流，并由屏蔽層和電纜之間的傳遞阻抗感應(yīng)到電纜上。

對于直接在飛機結(jié)構(gòu)上雙端接地的低阻抗電纜，由于線纜的電感相對于結(jié)構(gòu)通道較高，使得波形分量A上升下降沿變緩，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的不同，分別定義鋁結(jié)構(gòu)的測試波形為5 A（40/120 μs），碳纖維等復(fù)合材料的測試波形為5B（50/500 μs）。

此外，機外安裝的電子電氣部件或金屬結(jié)構(gòu)部件，通過貫穿導(dǎo)體與機內(nèi)結(jié)構(gòu)連接，因此可能將閃電電流直接引入到機體內(nèi)部，如天線、航行燈的連接導(dǎo)線，或者機械系統(tǒng)的鋼索、管路等。

1.3 間接效應(yīng)的評估測試技術(shù)

根據(jù)民用飛機適航標準FAA 25/CAAC 25.1306條款要求，可以將對閃電間接效應(yīng)的驗證分解成以下幾個不同的任務(wù)：

1）確定飛機外的電流和電磁場強度和波形。

2）確定機身結(jié)構(gòu)上的IR電壓和內(nèi)部電磁場。

3）確定飛機線路對上述電壓和電磁場的響應(yīng)，即確定線路上感應(yīng)的電壓和電流。

4）確定電氣設(shè)備對感應(yīng)電壓和電流的響應(yīng)，即判斷電路是受干擾還是損壞。

5）設(shè)計并協(xié)調(diào)防護措施。

6）在試驗室進行試驗，證明設(shè)備對閃電的防護能力。

其中前4項任務(wù)是為了確定實際瞬態(tài)水平ATL，通?？梢酝ㄟ^借鑒已有相似機型數(shù)據(jù)或者通過全機級的仿真計算來得到，得到ATL之后，才能知道要設(shè)計滿足何種等級標準的設(shè)備。也即確定設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計水平ETDL。完成了設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)之后，根據(jù)瞬態(tài)控制水平TCL的等級要求和測試標準（DO-160）進行試驗室試驗，以驗證設(shè)備是否能夠滿足設(shè)計要求[2]，如圖 3所示。

圖3 閃電評估方式Fig.3 Qualification method of lightning

類似于其他電磁防護技術(shù)，飛控系統(tǒng)對閃電間接效應(yīng)的防護可以從屏蔽、接地、接口保護等方面來設(shè)計，此外優(yōu)化的全機布線方式和特定的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計也能進一步提供對閃電間接效應(yīng)的防護。

2 飛控系統(tǒng)接口保護電路設(shè)計實例

對由于閃電間接效應(yīng)引起的瞬態(tài)浪涌電壓/電流的接口保護電路的原理是將串入電子設(shè)備電源線、信號線上的瞬時過電壓通過瞬態(tài)保護器件（TPD），將大電流泄放入地，并嵌位接口處的電壓在設(shè)備所能承受的范圍之內(nèi)，從而保護電子設(shè)備免遭高壓，大電流的損壞[5]。

常用的瞬態(tài)保護器件有氣體放電管，壓敏電阻，瞬變抑制二極管（TVS），扼流線圈等。實際應(yīng)用中，通常可以將幾種保護器件混合使用，以提供更有效的保護，如圖4所示。但要注意一般能量較高的器件應(yīng)靠近瞬態(tài)浪涌進入的端口，能量較低的器件靠近敏感設(shè)備處，且兩者之間需要相距一定的距離或者串聯(lián)電阻，以保證第一級的高能保護器件能夠?qū)?。因為高能器件通常響?yīng)時間較長，嵌位性能也不如后者穩(wěn)定。

圖4 常用接口保護電路Fig.4 Common interface circuit design

設(shè)備級的瞬態(tài)保護器件首選TVS，因為其體積小，精度高，響應(yīng)速度快，對閃電間接效應(yīng)等產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌有很好的抑制效果，但考慮到一旦TVS被擊穿而失效后，可能造成該支路永久短路，即使在沒有瞬態(tài)干擾下也無法獲取真實的傳感器信號，造成誤操作。因此在使用TVS器件時必須要考慮其失效后所造成的可能影響。此時，可以采取兩種措施來進一步保護電路的功能正常，其一是從電路設(shè)計上進行改進，如圖5所示。通過D1、D2二極管的單向?qū)ㄗ饔?，使得TVS在電路正常工作期間與主干路隔離，而一旦有正/負極性的瞬態(tài)浪涌進入，則會導(dǎo)通某一支路上的二極管，從而將TVS連入電路，吸收瞬態(tài)干擾。

圖5 改進的接口保護電路Fig.5 Improved interface circuit design

其二可以從信號邏輯和軟件程序上進行設(shè)計，比如設(shè)計信號的工作邏輯如表1所示，可以看到由于TVS失效引起的短路，使得信號電平拉低到1 V以下時，計算機即會認為該支路出現(xiàn)故障，不使用其信號作為有效輸入。

表1 針對閃電瞬態(tài)的邏輯設(shè)計Tab.1 Logic design against lightning transient

3 飛控系統(tǒng)設(shè)備安裝和布線

飛控電子設(shè)備及其互聯(lián)電纜應(yīng)盡量安裝在由閃電電流引起的電磁場較小的區(qū)域。飛控電子計算機等主要控制設(shè)備盡量安放在屏蔽的設(shè)備艙，如電子/電氣設(shè)備艙、貨艙、后設(shè)備艙及前附件艙，且遠離門、窗、口蓋等開口；互聯(lián)電纜的布置應(yīng)遠離外蒙皮，尤其是飛機機頭等曲率半徑小，閃電電流密度大的區(qū)域；對于安裝在駕駛艙、起落架艙、機翼前后緣、吊掛和發(fā)動機短艙等電磁相對開放區(qū)域的設(shè)備和電纜，必須依靠機箱和線束屏蔽來提供額外的防護[6]。

通常而言，磁場對機載設(shè)備的干擾要遠大于電場，因為普通的鋁制結(jié)構(gòu)能夠很好的提供對電場的屏蔽，相比而言，磁場更容易穿透鋁制結(jié)構(gòu)，通過電路回路感應(yīng)到設(shè)備端口。因此在布置電磁暴露區(qū)的飛控系統(tǒng)互聯(lián)線束時應(yīng)盡可能靠近接地平面或金屬結(jié)構(gòu)件敷設(shè)，以減少穿過回路與參考面之間的磁通量，如圖6所示。標號為3位置上的線纜，磁場穿過線纜和參考面之間的通量最大，也是最差的布線位置；標號為1位置的線纜，磁通量最小，是最佳的布線位置。

圖6 優(yōu)化的布線方式Fig.6 Optimum wiring of interaction cables

此外在敷設(shè)飛控電纜時應(yīng)注意與非敏感導(dǎo)線的隔離，因為有些非敏感導(dǎo)線如航行燈或標志燈的導(dǎo)線，從非屏蔽區(qū)域進入機身或其他屏蔽空間，將攜帶很大的閃電感應(yīng)電流和電壓，如果這些導(dǎo)線與飛控系統(tǒng)的線束并行敷設(shè)，則閃電感應(yīng)能量會耦合到飛控系統(tǒng)的敏感線束中。

無論是接口保護電路的設(shè)計還是電纜束屏蔽層的端接，都需要以良好可靠的搭接和接地技術(shù)來實現(xiàn)。一般要求飛控設(shè)備的對地搭接電阻小于2.5毫歐，且應(yīng)使用下列接地技術(shù)來有效的隔離閃電電流：

1）在嚴酷的閃電耦合區(qū)域（如機翼前后緣、起落架艙等）敷設(shè)的電纜束，應(yīng)使用屏蔽編制套，且屏蔽層多點接地。接地點間隔約為其終端設(shè)備最高響應(yīng)頻率波長的1/20，但每個接地點之間的距離最好有所差異，以避免在線纜上產(chǎn)生諧振；

2）電纜束的屏蔽層在連接器處應(yīng)以360°方法端接到設(shè)備連接器后殼，連接器的兩個配合表面在配合時應(yīng)有良好的RF搭接。不應(yīng)用屏蔽引線（pig-tail）來接地；

3）屏蔽線束從閃電暴露區(qū)域（例如機翼、起落架艙）進入機身等屏蔽區(qū)域時，其線束總屏蔽層也應(yīng)以360°方式在分離面處端接，而不能穿過分離面進入機身屏蔽區(qū)。

4 系統(tǒng)架構(gòu)考慮

在系統(tǒng)級，閃電間接效應(yīng)防護技術(shù)是在該系統(tǒng)冗余部件之間使用非相似設(shè)計[7]。在所有情況下，一個系統(tǒng)組件的失效絕不能對該系統(tǒng)功能有不利影響。為達到上述目的，可采用如下方法：

1）非相似硬件、軟件架構(gòu)；

2）不同數(shù)據(jù)源輸入；

3）不同的航線可更換設(shè)備（LRU）布置在不同的位置，不同的導(dǎo)線敷設(shè)路線和長度，避免通道間和組件間的信號公共點或路徑；

4）采用平衡差分線及遠端負載浮地的設(shè)計方式，如圖7。

圖7 遠端負載浮地設(shè)計Fig.7 Remote load isolated design

5 結(jié)束語

文中從現(xiàn)代先進民用飛機的特點出發(fā)，闡述了由于電傳飛控系統(tǒng)和復(fù)合機身材料的廣泛應(yīng)用，使得閃電間接效應(yīng)的影響愈發(fā)受到重視。通過分析閃電間接效應(yīng)的基本特性，給出了不同試驗波形的耦合機制，和對電傳飛控系統(tǒng)的影響方式。最后分別從接口保護電路設(shè)計、屏蔽和接地、布線方式以及系統(tǒng)架構(gòu)等方面論述了在電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計中如何有效的對閃電間接效應(yīng)進行防護。

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