章光燦

【摘 要】隨著飛機安全飛行與著陸對電子/電氣設(shè)備依賴性越來越強，而空間HIRF環(huán)境日益嚴酷，飛機HIRF防護設(shè)計及適航驗證也變得日益重要。本文首先比較了目前國內(nèi)外適用的HIRF防護適航條款，并解析了相應(yīng)適航條款。其次，根據(jù)適航咨詢通告AC20-158詳細介紹了民用飛機HIRF防護適航驗證的具體流程及試驗要求。最后介紹HIRF適航驗證過程中局方的適航審查內(nèi)容及關(guān)注點。

【關(guān)鍵詞】HIRF；試驗；合格審定

【Abstract】With the safe flight and landing of aircraft becoming increasingly dependent upon the electrical/electronic equipment， and the HIRF environment becoming much more severe， it is more meaningful to do research on the airworthiness verification methods for HIRF protection. Firstly， this paper compares the airworthiness HIRF protection regulations establish by FAA， EASA and CAAC and analyzes it. Secondly， according to the Airworthiness Advisory Circular AC20-158， this paper introduces the verification procedures and test requirements for HIRF protection. Finally， it discusses the concerns which the airworthiness authorities may pay an attention to.

【Key words】HIRF； Test； Certification

0 引言

高強度輻射場（HIRF，High Intensity Radiated Fields）電磁環(huán)境是由雷達、無線電臺、廣播電視發(fā)射臺，以及其它陸基、艦載或機載射頻發(fā)射機等傳輸電磁射頻能量而產(chǎn)生。HIRF電磁環(huán)境有3個特點：頻率覆蓋范圍廣（10KHz～40GHz）、電場強度高（可達3000V/M）、作用時間長[1]。

早期飛機設(shè)計時并未考慮HIRF防護方面的要求?，F(xiàn)在隨著射頻發(fā)射機的能量級別和數(shù)量的迅猛增加，HIRF環(huán)境越來越嚴酷，而現(xiàn)代飛機安全飛行和降落功能對電子/電氣系統(tǒng)依賴性越來越強，且這些系統(tǒng)對HIRF環(huán)境非常敏感。此外，飛機設(shè)計中低導(dǎo)電性復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用也同時降低了對電子/電氣系統(tǒng)的電磁屏蔽效能。所以，高強度電磁輻射已成為影響飛機安全性的一個重要因素。

1 HIRF防護適航條款及解析

1.1 國內(nèi)外HIRF防護適航條款

美國聯(lián)邦航空局（FAA）于2007年12月1日正式頒布生效的FAR25-122修正案增加了25.1317條款提出了對HIRF防護設(shè)計要求。歐洲航空安全局（EASA）于2015年7月15日正式通過CS25部第17修正案，增加CS25.1317條款。而中國民用航空局（CAAC）在2007年開始修訂CCAR-25-R4時，就接受FAA修正案FAR25-122，將其內(nèi)容納入此次修訂中，即在CCAR-25-R4中新增CCAR25.1317條款。這三個條款的具體的技術(shù)要求完全相同。

FAA在FAR25部中，要求大型運輸類飛機對于HIRF防護要求如下[2]：

（a）對于其功能失效會影響或妨礙飛機繼續(xù)安全飛行和著陸的每個電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，以符合以下要求：（1）當飛機暴露于HIRF環(huán)境I時及之后，其功能不會受到不利影響；（2）當飛機暴露于HIRF環(huán)境I后，系統(tǒng)及時地自動恢復(fù)起功能的正常運行，除非系統(tǒng)的這種功能恢復(fù)與該系統(tǒng)其他運行活功能要求相沖突；（3）當飛機暴露于HIRF環(huán)境II時及之后，系統(tǒng)不會受到不利影響。

（b）對于其功能失效后會嚴重降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應(yīng)能力的電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，當提供這些功能的設(shè)備暴露于HIRF設(shè)備測試水平1或2時，系統(tǒng)不會受到不利影響。

（c）對于其功能失效后會降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應(yīng)能力的電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計和安裝，當提供這些功能的設(shè)備HIRF設(shè)備測試電平3時，系統(tǒng)不會受到不利影響。

1.2 HIRF防護適航條款解析

針對上述條款解析如下：

（1）條款中（a）點要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評估確認為A級的系統(tǒng)；（b）點要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評估確認為B級的系統(tǒng)；（c）點要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評估確認為C級的系統(tǒng)。

（2）條款（a）中針對A級系統(tǒng)試驗驗證的通過/失敗標準分成了3種情況，評判標準的選擇需結(jié)合受驗證系統(tǒng)的具體功能及失效狀態(tài)影響。以飛機機輪剎車控制系統(tǒng)為例，如經(jīng)系統(tǒng)功能安全性分析（FHA）確定為A級系統(tǒng)，其相應(yīng)的A級功能（人工剎車功能）有兩種失效狀況能引起飛機災(zāi)難性后果：（a）著陸時完全喪失剎車功能。根據(jù)剎車系統(tǒng)安全性分析，飛機著陸時允許其瞬間失效并及時地自動恢復(fù)，則可以第2中情況作為評判標準。首先，條款中“及時地”的定義可根據(jù)設(shè)計確定在著陸剎車過程中允許失效的最長時間；其次，受HIRF環(huán)境影響后剎車系統(tǒng)必須能自動恢復(fù)100%剎車能力。（b）大于V1速度時主輪非指令剎車。根據(jù)剎車系統(tǒng)安全性分析，飛機起飛速度大于V1時決不能出現(xiàn)非指令剎車，則需根據(jù)第1中情況作為評判標準。

（3）條款中HIRF環(huán)境I、II是試驗時飛機所受外部環(huán)境，當其穿透飛機形成內(nèi)部射頻環(huán)境還有一定程度的衰減。HIRF設(shè)備測試電平1、2、3指的是進行設(shè)備試驗時實驗室內(nèi)施加的射頻環(huán)境。

2 飛機HIRF防護合格審定

HIRF合格審定驗證流程見圖1[3]。主要工作包括：確定待驗證的系統(tǒng)；確定HIRF符合性驗證方法；確定試驗使用的HIRF環(huán)境；確定待驗證系統(tǒng)構(gòu)型；評估對HIRF合格審定要求的符合性。

2.1 確定待驗證的系統(tǒng)

FAA關(guān)于HIRF的規(guī)章條款和咨詢通告AC20-158要求的適航審查對象僅限于經(jīng)系統(tǒng)安全性評估得出的A級、B級和C級電子/電氣系統(tǒng)。首先，對于完成不同功能等級的系統(tǒng)，由于HIRF的防護要求不同的，所以相應(yīng)的試驗要求也不同。A級系統(tǒng)必需完成設(shè)備級，系統(tǒng)級及飛機級試驗。B級、C級只需要完成設(shè)備級試驗，但如果為增強系統(tǒng)的自信可進行相應(yīng)的系統(tǒng)級試驗。其次，系統(tǒng)在飛行的不同階段也有不同的HIRF防護要求，防護的驗證過程需結(jié)合飛機正常的工作模式，飛行階段和工作條件。

A級系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效將妨礙飛機繼續(xù)安全飛行和著陸，可引起災(zāi)難性后果，使飛行機組致命或喪失能力，并造成多名乘客死亡；B級系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效將大大降低飛機或飛行機組人員的能力，可引起危險性后果，使飛行機組處于危險狀態(tài)，工作負荷極大增加，完成任務(wù)的能力極大降低，并造成少部分乘客嚴重受傷或死亡；C級系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效會減少飛機和飛行機組人員的能力，可引起重大后果，造成飛行機組身體不適且較大的增加工作負荷，并使乘客身體極度不適或受傷。

2.2 確定HIRF符合性驗證方法

HIRF符合性驗證的一般適用方法包括：試驗驗證（設(shè)備級試驗、系統(tǒng)級試驗、飛機級試驗），仿真分析和相似性分析。

試驗驗證是最有效的方法，采用DO160第20章節(jié)規(guī)定的試驗程序要求進行相應(yīng)的驗證，這不僅能充分反映系統(tǒng)在HIRF環(huán)境中的性能表現(xiàn)，并能及時采取正確的糾正措施。仿真分析時需要對HIRF輻射場建立完整的模型，并考慮飛機結(jié)構(gòu)的耦合作用，這種方法一般用于飛機設(shè)計的前期，用來發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足之處。對于A級系統(tǒng)不能僅靠分析來驗證HIRF防護的符合性，還需有試驗來增強說服力。相似性分析方法的原則是原飛機/系統(tǒng)必須先前就已獲得HIRF合格審定認可，一般用于飛機的改進/改型。分析時因評估先前獲合格審定的飛機/系統(tǒng)與新飛機/系統(tǒng)之間的差異。如只有細微的差別，則不需要額外的試驗。如果評估后差異影響有不確定性，則應(yīng)進行額外的試驗和分析。但如果發(fā)現(xiàn)顯著差異，相似性方法不能作為飛機/系統(tǒng)級驗證的基礎(chǔ)。

對于飛機級或復(fù)雜的系統(tǒng)可能需要多種驗證方法相結(jié)合才能充分表明其HIRF防護的符合性。如果是相對簡單的系統(tǒng)則選取一種有效的試驗方法即可。

2.3 確定試驗使用的HIRF環(huán)境

外部HIRF環(huán)境即條款中定義的HIRF環(huán)境I、II，具體的頻段及磁場強度可參閱文獻[3]。外部HIRF環(huán)境滲透入飛機后，建立飛機內(nèi)部的射頻輻射場，內(nèi)部的電子/電氣系統(tǒng)將暴露于此環(huán)境下。內(nèi)部射頻輻射場的產(chǎn)生是一系列因素復(fù)雜互相作用的結(jié)果而不是各種因素的簡單疊加，如飛機接縫及開口，飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布線的再輻射，特有的飛機電氣共振特性等。

A級系統(tǒng)試驗的HIRF內(nèi)部環(huán)境水平由HIRF環(huán)境I、II經(jīng)飛機衰減后形成。但是在許多情況下，系統(tǒng)級試驗在飛機級試驗的評估之前完成。在這種情況下，集成系統(tǒng)試驗區(qū)域HIRF環(huán)境的確定應(yīng)首先基于預(yù)期的飛機衰減或傳遞函數(shù)。對于B級和C級系統(tǒng)不要求系統(tǒng)級的HIRF試驗達到A級系統(tǒng)的相同程度，因此不需要飛機級試驗。B級系統(tǒng)試驗的HIRF環(huán)境可采用HIRF設(shè)備測試電平1或2，C級系統(tǒng)試驗的HIRF環(huán)境采用HIRF設(shè)備測試電平3。

2.4 確定待驗證系統(tǒng)構(gòu)型

首先，試驗系統(tǒng)在實驗室中的安裝信息應(yīng)盡量與在飛機上的安裝相似。例如，系統(tǒng)電子/電氣設(shè)備的搭接方式與接地，導(dǎo)線線規(guī)，布線方式（平行線或雙扭絞線），電氣連接器類型，電纜屏蔽和端屏蔽方式，各設(shè)備之間及與地平面的相對位置都應(yīng)于裝機狀態(tài)保持一致。

其次，系統(tǒng)級HIRF環(huán)境試驗時應(yīng)保持系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，并且需試驗其所有的工作模式。系統(tǒng)級試驗中對于執(zhí)行A級功能相關(guān)的所有電子/電氣設(shè)備都應(yīng)確保是真件。如果系統(tǒng)中的設(shè)備與執(zhí)行A及功能不相關(guān)，這些設(shè)備可用模擬負載代替，但是其必須能精確的反應(yīng)電子/電氣設(shè)備的終端電路阻抗。

2.5 評估HIRF防護的符合性

檢查試驗結(jié)果，設(shè)備級試驗要求電子/電氣設(shè)備在相應(yīng)等級的HIRF設(shè)備測試電平水平下符合試驗前確定的通過/失敗標準。

A級系統(tǒng)級試驗一般在飛機級試驗之前完成，試驗時實際的HIRF環(huán)境是基于預(yù)期的飛機衰減或傳遞函數(shù)確定。因此，待完成飛機級低電平耦合試驗確定飛機內(nèi)部系統(tǒng)和設(shè)備線束上感應(yīng)的電流及形成射頻輻射場后需與系統(tǒng)試驗環(huán)境等級相比較。如果實際飛機內(nèi)部HIRF環(huán)境比系統(tǒng)試驗環(huán)境水平高，則應(yīng)采取相應(yīng)的糾正措施。

3 局方審查內(nèi)容

在適航審定過程中，局方會全程介入第2節(jié)描述的HIRF防護試驗驗證過程中。相應(yīng)審定部門對申請人所采用的HIRF防護符合性計劃和方法的評估，驗證過程的完整性和準確性，這將關(guān)系到飛機在使用過程中對HIRF環(huán)境的防護能力和相應(yīng)安全性水平[4]。

在HIRF試驗驗證過程中局方審定主要包括以下幾個方面：

（a）批準申請人提交的HIRF符合性計劃，內(nèi)容應(yīng)包括HIRF合格審定要求，待驗證系統(tǒng)的確定，HIRF環(huán)境及試驗方法。

（b）批準申請人提交的HIRF防護驗證方法的實施計劃，內(nèi)容包括試驗?zāi)康模辉囼烇w機/系統(tǒng)的描述，系統(tǒng)構(gòu)型配置，預(yù)期的試驗環(huán)境，符合性通過/失敗標準。

（c）局方需在HIRF防護驗證試驗前對待驗證系統(tǒng)進行制造符合性檢查，檢查內(nèi)容應(yīng)包含系統(tǒng)試驗件，數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備，實驗室資質(zhì)，試驗人員資質(zhì)等。

（d）局方需對試驗過程進行現(xiàn)場目擊。

（e）批準申請人提交的試驗結(jié)果和HIRF防護符合性報告。

4 結(jié)束語

目前，我國在民航HIRF防護適航驗證工作方面還處于起步階段，對我國民航事業(yè)是一個新興工作，尤其在適航驗證技術(shù)，過程管理，實驗室建設(shè)等方面與國際水平相差巨大。學(xué)習(xí)研究國外在該領(lǐng)域中的政策及法規(guī)，對航空器電子/電氣系統(tǒng)設(shè)計，適航驗證具有相應(yīng)的參考借鑒意義，以培養(yǎng)國內(nèi)HIRF防護適航驗證技術(shù)隊伍。

【參考文獻】

[1]ARP 5583-2003， Guide to Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field（HIRF） environment[S].

[2]FAA.Federal Aviation Regulation 25. Washington D.C.：FAA，2007[Z].

[3]AC 20.158. The certification of aircraft electrical and electronic systems for operation in HIRF environment. U.S. Department of Transportation， FAA 2007（07）： 30[Z].

[4]蘇多，栗牧懷，舒小華.民用航空器HIRF防護適航驗證方法和審定政策研究[J].國際航空，2009（10）.

[責任編輯：王楠]