李春芳++史劍鋒

摘 要：民用飛機的閃電防護設(shè)計與驗證已成為飛機適航取證的一個重要組成部分，該文介紹了一種基于低電平注入的全機閃電間接效應(yīng)試驗方法，通過測量機上關(guān)鍵/重要電子/電氣系統(tǒng)互連線纜上的感應(yīng)瞬態(tài)電平，與機載設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計電平相比較，以驗證飛機閃電間接效應(yīng)防護的充分性和有效性，從而支持飛機適航取證。

關(guān)鍵詞：閃電 間接效應(yīng) 飛機 低電平注入

中圖分類號：V244.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0043-02

閃電間接效應(yīng)是指外部閃電環(huán)境通過各種耦合機制對機載的航空電子/電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾導(dǎo)致設(shè)備功能的暫時/永久失效，嚴(yán)重時將影響飛機的持續(xù)安全飛行和著陸。在現(xiàn)代航空技術(shù)中，大量先進航空電子技術(shù)的應(yīng)用，使得飛機對閃電間接效應(yīng)更加敏感，遭受閃電時損失也會更大。目前，飛機的閃電防護設(shè)計已經(jīng)成為適航認證的一個重要的組成部分，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）頒布的聯(lián)邦航空規(guī)章中的FAR 25.1316條款，明確了運輸類飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計要求。同時，F(xiàn)AA咨詢通報AC 20-136也明確提出，在飛機的設(shè)計階段，需通過全機閃電間接效應(yīng)試驗，驗證飛機關(guān)鍵/重要電子/電氣系統(tǒng)閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計的充分性和有效性[1]。因此，對于飛機的主制造商來說，研究和掌握全機閃電間接效應(yīng)試驗的方法顯得尤為重要。

1 試驗原理

飛機遭遇閃電后，閃電能量通過機體傳導(dǎo)和場耦合到飛機內(nèi)部執(zhí)行重要功能的設(shè)備連接線上形成的電壓和電流瞬態(tài)電平可能會導(dǎo)致設(shè)備功能紊亂或者失效，從而影響飛機安全。線上感應(yīng)的電壓/電流瞬態(tài)稱作實際感應(yīng)瞬態(tài)電平（Actual Transient Level，ATL）。將這些ATL數(shù)據(jù)與表征設(shè)備耐受閃電能力的飛行關(guān)鍵/重要設(shè)備的設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計電平（Equipment Transient Design Level，ETDL）比較，以驗證飛機設(shè)計中所采取的閃電防護設(shè)計的充分性，從而表明飛機的適航符合性，如（圖1）所示。

全機閃電間接效應(yīng)試驗就是用于獲得飛機系統(tǒng)布線的ATL。為此試驗需要模擬飛機遭遇閃電環(huán)境，一般采用模擬的閃電電流脈沖注入飛機，閃電電流脈沖波形在SAE ARP5412B[2]中明確定義，本文不在累贅。為避免對飛機或設(shè)備造成損壞，在試驗中需要對幅值進行縮比。通過放置在飛機內(nèi)部或附近的示波器測量和記錄在指定的互連導(dǎo)線和電纜中感應(yīng)的電壓和電流瞬態(tài)電平，然后將被測數(shù)據(jù)線性外推，從而獲得飛機實際瞬態(tài)電平（ATL）。

2 試驗方法

2.1 試驗布置

試驗布置如（圖2）所示，試驗設(shè)施包括飛機、回路導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)、電流發(fā)生器、電流發(fā)生器控制裝置和監(jiān)控設(shè)備、以及感應(yīng)瞬態(tài)測量設(shè)備的布置。

飛機與回路導(dǎo)體除了在入點和出點處，不可有其他接觸位置。機輪與地平面的回路導(dǎo)體使用絕緣襯墊隔離，絕緣襯墊需承受飛機與回路導(dǎo)體之間的高電壓，通常要求具有35 KV以上的耐高壓能力。

回路導(dǎo)體鋪設(shè)在機身四周，形狀依據(jù)機身、機翼與尾翼位置布置，這樣可以盡量使電流在機身上的分布均衡，但對于大型飛機，架設(shè)這樣的回路導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)不太方便，也不現(xiàn)實，因此在通常情況下，可將回路導(dǎo)體作為地平面安裝在機身、機翼和尾翼下方，如圖3所示。這種構(gòu)型不利之處是會導(dǎo)致機身下半部接近地平面處的電流密度偏大，而機身上半段的電流密度偏低，例如機身頂部及駕駛艙窗口位置。試驗時，應(yīng)確保整個回路導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)具有良好的導(dǎo)電性能。

2.2 試驗

全機閃電間接效應(yīng)試驗是重大的全機試驗，試驗需重點關(guān)注一下幾點：

（1）待測電纜選取

全機閃電間接效應(yīng)試驗的測量對象是與飛機飛行關(guān)鍵/重要系統(tǒng)相關(guān)的導(dǎo)線，但是要對所有與飛行關(guān)鍵/重要系統(tǒng)相關(guān)的導(dǎo)線都進行感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流測量是不切合實際的。因此，在實際中只需選擇一些典型的導(dǎo)線進行測量，所選擇的導(dǎo)線的敷設(shè)路徑應(yīng)遍布整個飛機的所有典型位置。通常情況下，每個系統(tǒng)應(yīng)選擇一根以上的線，如果可能的話，還應(yīng)包括屏蔽和非屏蔽線。

（2）閃電電流通道

飛機具有典型的閃電附著點和流出點。試驗應(yīng)選擇特定的閃電進入/流出附著點對，作為測試電流在機身上的傳導(dǎo)路徑，以使機內(nèi)所有電纜線束都處于最惡劣的閃電環(huán)境中。一般典型的閃電電流通道如下表1所示：

（3）試驗安全

使用全幅值波形可能造成飛機或設(shè)備的損壞，通常情況下，使用的典型電流峰值范圍在1～20 KA之間，在不損壞飛機或設(shè)備的前提下，盡可能采用較高的幅值。通過放置在飛機內(nèi)部或附近的示波器測量和記錄在指定的互連導(dǎo)線和電纜中感應(yīng)的電壓和電流瞬態(tài)。然后將被測數(shù)據(jù)線性外推到所要求的全幅值。

試驗飛機的結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)該完整，機上飛行關(guān)鍵/重要的電子電氣設(shè)備的互連線束安裝完畢，機上的試飛設(shè)備或試飛電纜需拆除或進行電隔離處理。試驗過程中飛機系統(tǒng)不上電。接觸器、斷路器、設(shè)備電源開關(guān)設(shè)置為連接狀態(tài)，保持電路的連續(xù)性。燃油系統(tǒng)、電子爆炸設(shè)備等需進行保護處理。電子爆炸設(shè)備可由等效的設(shè)備替換，可燃性燃油蒸汽需從油箱清除，并注入氮氣，降低燃油蒸汽密度及含量。

試驗中使用的電平雖然是經(jīng)過幅值縮小后的較低電平，但模擬的閃電試驗涉及到一些高壓設(shè)備的使用和操作，例如電容組和電弧開關(guān)，其使用方式和涉及的電氣能量都超過了引起人員傷害所需的電平。因此，一定要采取安全預(yù)防措施并嚴(yán)格按照試驗程序執(zhí)行，確保在做試驗期間試驗人員不會與測試電路中任何帶電的部件相接觸。需重點關(guān)注大量流經(jīng)包含燃油的機身區(qū)域的電流，需確保可能存在燃油蒸汽的區(qū)域不會出現(xiàn)電弧[4]。

（4）試驗結(jié)果

本試驗沒有明確的通過/失敗準(zhǔn)則。本試驗的目的是確定機上安裝的導(dǎo)線和電纜上感應(yīng)的ATL，用其和設(shè)備的瞬態(tài)設(shè)計電平（ETDL）相比較。通用的指導(dǎo)原則是ATL與ETDL之間應(yīng)該至少有6dB的裕度。如果ATL比ETDL大，或者兩者之間所具有的裕度比所要求的值小，那么就必須對系統(tǒng)安全的影響進行評估。如果發(fā)現(xiàn)存在潛在的危險，那么必須尋求一些措施以減小設(shè)備對閃電間接效應(yīng)的敏感性。endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導(dǎo)線上的開路電壓（Voc）測量：被測導(dǎo)線遠端接地，測量端開路，測量導(dǎo)線開路端與鄰近地之間的感應(yīng)電壓；

單根導(dǎo)線上的短路電流（Isc）測量：被測導(dǎo)線兩端都接地，測量出現(xiàn)在單根導(dǎo)線上的感應(yīng)電流；

電纜束上感應(yīng)電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應(yīng)電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導(dǎo)線與其兩端的設(shè)備斷開，導(dǎo)線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結(jié)構(gòu)短接，導(dǎo)線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導(dǎo)線的屏蔽層在導(dǎo)線的兩端都與鄰近結(jié)構(gòu)搭接。線纜束感應(yīng)電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結(jié)語

現(xiàn)代航空技術(shù)的日益發(fā)展，使得閃電間接效應(yīng)對民用飛機機載電子/電氣系統(tǒng)的影響也日益顯現(xiàn)，同時，適航當(dāng)局對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導(dǎo)線上的開路電壓（Voc）測量：被測導(dǎo)線遠端接地，測量端開路，測量導(dǎo)線開路端與鄰近地之間的感應(yīng)電壓；

單根導(dǎo)線上的短路電流（Isc）測量：被測導(dǎo)線兩端都接地，測量出現(xiàn)在單根導(dǎo)線上的感應(yīng)電流；

電纜束上感應(yīng)電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應(yīng)電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導(dǎo)線與其兩端的設(shè)備斷開，導(dǎo)線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結(jié)構(gòu)短接，導(dǎo)線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導(dǎo)線的屏蔽層在導(dǎo)線的兩端都與鄰近結(jié)構(gòu)搭接。線纜束感應(yīng)電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結(jié)語

現(xiàn)代航空技術(shù)的日益發(fā)展，使得閃電間接效應(yīng)對民用飛機機載電子/電氣系統(tǒng)的影響也日益顯現(xiàn)，同時，適航當(dāng)局對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint

2.3 測量方法

民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗需要做下列三種基本類型的測量[3]：

單根導(dǎo)線上的開路電壓（Voc）測量：被測導(dǎo)線遠端接地，測量端開路，測量導(dǎo)線開路端與鄰近地之間的感應(yīng)電壓；

單根導(dǎo)線上的短路電流（Isc）測量：被測導(dǎo)線兩端都接地，測量出現(xiàn)在單根導(dǎo)線上的感應(yīng)電流；

電纜束上感應(yīng)電流（Ibc）測量：被測電纜束無需進行處理，測量電纜束上總的感應(yīng)電流；

以上三種基本類型的測量方法如圖4所示。

開路電壓和短路電流測量時，將被測導(dǎo)線與其兩端的設(shè)備斷開，導(dǎo)線的遠端通過一根低阻的跳線與基本結(jié)構(gòu)短接，導(dǎo)線的測試端通過一根跳線將待測的插針引出，以方便測量。導(dǎo)線的屏蔽層在導(dǎo)線的兩端都與鄰近結(jié)構(gòu)搭接。線纜束感應(yīng)電流測量時，不需要對線纜束進行處理。

3 結(jié)語

現(xiàn)代航空技術(shù)的日益發(fā)展，使得閃電間接效應(yīng)對民用飛機機載電子/電氣系統(tǒng)的影響也日益顯現(xiàn)，同時，適航當(dāng)局對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計和驗證工作也愈加重視。因此，研究和掌握閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計的驗證方法顯得尤為必要。本文介紹的基于低電平注入的民用飛機全機閃電間接效應(yīng)試驗的方法，對民用飛機的閃電間接效應(yīng)防護設(shè)計適航符合性驗證工作具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.endprint