孔祥明，邵志江，顧穎慧

（中航工業(yè)動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063）

全權限數(shù)字電子控制器雷電試驗方法研究

孔祥明，邵志江，顧穎慧

（中航工業(yè)動力控制系統(tǒng)研究所，江蘇無錫 214063）

在分析機載設備雷電感應敏感度試驗相關標準的基礎上，對全權限數(shù)字電子控制器雷電間接效應試驗方法進行研究。對雷電間接效應耦合方式進行了分類，并以某型全權限數(shù)字電子控制器為例，介紹了數(shù)字電子控制器雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗波形組、試驗電平選擇方法及試驗過程。并對空客和波音公司機載設備雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗方法做了初步介紹。研究成果可供制定機載設備雷電防護要求及試驗方案時參考。

全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)；雷電感應瞬態(tài)敏感度；雷電間接效應；機載設備；航空發(fā)動機

0　引言

近年來，飛機上執(zhí)行飛行關鍵/重要功能的傳統(tǒng)機電控制、機電指示系統(tǒng)逐漸被電子式飛行控制系統(tǒng)、電子式顯示指示系統(tǒng)和發(fā)動機全權限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)等所替代［1］。當前商業(yè)運輸機（如空客A320和波音B747-400）在發(fā)動機控制中均使用全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)。FADEC系統(tǒng)是飛行關鍵系統(tǒng)，適航管理機構要求該系統(tǒng)能承受飛機受到的嚴酷雷擊的影響。因為該系統(tǒng)的大多數(shù)部件安裝在機身內(nèi)部，雷電間接效應是主要關注點。間接效應包括了在FADEC系統(tǒng)內(nèi)部連接電纜上電磁場和框架電壓變化感應的電壓和電流。

對數(shù)控系統(tǒng)需特別關注在多重回擊和多重脈沖環(huán)境影響下數(shù)據(jù)處理和控制功能易于出錯。盡管屏蔽和其他保護方法可以將感應的瞬變電壓控制到非損害的級別，但低級別的瞬變電壓耦合在一起也會導致錯誤的命令。在多重（回擊和脈沖）環(huán)境條件下，每個回擊和脈沖都會產(chǎn)生瞬變，將改變或破壞CPU生成的數(shù)據(jù)和命令。因此，雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗及其方法研究對于發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)的安全性起著非常關鍵的作用。

本文對機載設備雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗標準進行研究，結合全權限數(shù)字電子控制器雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗經(jīng)驗，可為機載設備雷電防護要求選擇試驗波形組、試驗電平等級時提供參考。

1　機載設備雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗

1.1設備級雷電間接效應試驗波形及方法

為了避免閃電間接效應導致飛機發(fā)生災難性功能故障，美國和歐洲等適航當局先后頒發(fā)了各類適航條例，如FAR23部、25部、27部、29部、SAEARP5412、SAE ARP5414、SAE ARP5416等，都對飛機的閃電防護提出了嚴格要求［1］。同時定義了雷電間接效應試驗典型波形：電流波形1，電壓波形2，電壓/電流波形3，電壓波形4，電流/電壓波形5（5A/5B），電流波形6（定義于RTCA/DO-160G）［2-7］。試驗方法分為插針注入和電纜束試驗。

1.1.1插針注入試驗

插針注入試驗是將瞬態(tài)電壓波形直接施加到被測件連接端口的插針上進行。通常施加在每根插針和地面之間，用于評估設備接口電路的絕緣耐壓或損毀容忍度。

1.1.2電纜束試驗

電纜束試驗通過電纜束感應或對地注入法向電纜束施加瞬態(tài)電壓或電流信號進行，用于驗證機載設備能否承受外部雷電環(huán)境產(chǎn)生的內(nèi)部電磁效應而不引起功能失效或部件損壞。分為單次回擊、多重回擊、多重脈沖群試驗。

1.2波形選擇方法

1.2.1雷電間接效應耦合方式

在飛機遭受雷擊時，飛機內(nèi)部的電子設備以及系統(tǒng)的互聯(lián)電纜上感應出復雜的瞬態(tài)電壓以及電流，其波形跟飛機的特性有關，如飛機結構、機身材料、機身的孔縫位置、線纜的輻射路徑，線纜的屏蔽特性、電路特性等。主要定義了孔縫耦合和電阻耦合2種耦合方式。

孔縫耦合：機外瞬態(tài)電磁場穿過駕駛艙風擋、窗戶、口蓋縫隙、非金屬蒙皮及雷達罩等縫隙進入飛機內(nèi)部，由內(nèi)部安裝的設備線纜感應瞬態(tài)電壓及電流。

電阻耦合：閃電電流流過機體結構，在機內(nèi)電氣電路2端產(chǎn)生結構內(nèi)阻電壓，對于金屬結構，結構內(nèi)阻電壓值很??；而對于碳纖維等復合材料結構，結構內(nèi)阻電壓值很大，從而導致機內(nèi)設備線束及導線上感應的瞬態(tài)電壓幅值很大。

1.2.2試驗波形選擇方法

插針注入試驗波形選擇根據(jù)耦合方式的不同，定義了2組波形，分別為波形組A和B。波形組A規(guī)定的試驗波形由孔縫耦合產(chǎn)生，包含試驗波形3和4。波形組B規(guī)定的試驗波形由孔縫耦合和電阻耦合產(chǎn)生，包含試驗波形3和5A。插針注入試驗要求見表1。

表1　插針注入試驗要求

電纜束試驗波形選擇根據(jù)電纜束類型（屏蔽/非屏蔽）和耦合方式的不同，定義了8組回擊和2組脈沖群波形組。電纜束試驗要求見表2。

表2　電纜束試驗要求

1.3試驗電平等級的選擇方法

雷電間接效應試驗電平等級主要由設備安裝的位置及互連電纜的預期暴露程度決定。分為5個等級（定義于RTCA/DO-160G）［3-7］。

1.3.1等級1

當設備及其相關電纜或者其他通過電氣線連接到該設備的組件，完全位于飛機中暴露于受保護良好的雷電電壓瞬變的區(qū)域時，使用等級1。定義這些區(qū)域為電磁屏蔽的區(qū)域。

1.3.2等級2

當設備及其相關電纜或者其他通過電氣線連接到該設備的組件，完全位于飛機中暴露于受保護不完全的雷電電壓瞬變的區(qū)域時，使用等級2。定義這些區(qū)域為金屬性材料或者復合材料飛機結構的內(nèi)部，結構的屏蔽性能與金屬飛機結構相同，并且采取措施減少雷電對電氣線的耦合。

這些區(qū)域的電線束穿過艙壁，其屏蔽接到艙壁連接器上。當一些電線在這些區(qū)域結束，對這些電線使用更高的等級（等級3或4）或提供更多的防護?？拷仄矫姘惭b電線束，以利用金屬結構自身的屏蔽性。載流導體（比如液壓管，控制電纜，金屬電線槽等）要電氣接地到所有艙壁。

1.3.3等級3

當設備及其相關電纜或者其它通過電氣線連接到該設備的組件，完全位于飛機中暴露于適度的雷電電壓瞬變的區(qū)域時，使用等級3。定義這些區(qū)域為金屬飛機結構的內(nèi)部或者屏蔽性能和金屬材料相同的復合材料飛機結構的內(nèi)部。這些區(qū)域的例子有未使用隔離艙壁的電子設備艙、駕駛員座艙區(qū)域和有大的電磁縫隙（比如沒有EMI密封墊的門窗控制板等）的位置。這些區(qū)域的載流導體（比如液壓管，控制電纜，電纜束，金屬電線槽等）不一定電氣接地到艙壁。當少量的電線結束于這些區(qū)域，對這些電線使用更高的等級（等級4或5）或提供更多的防護。

1.3.4等級4

當設備及其相關電纜或者其它通過電氣線連接到該設備的組件，當其位于飛機中暴露于嚴重的雷電電壓瞬變的區(qū)域時，使用等級4。定義這些區(qū)域為機身外（比如機翼、整流罩，輪胎凹槽，外掛架，操縱面等）。

1.3.5等級5

當設備及其相關電纜或者其它通過電氣線連接到該設備的組件，位于飛機中暴露于非常嚴重的雷電電壓瞬變的區(qū)域時，使用等級5。FAA定義這些區(qū)域為：采用不良屏蔽性能復合材料的屏蔽的區(qū)域；不能保證結構焊接情況良好的區(qū)域；其他幾乎沒有屏蔽的開放區(qū)域；廣泛的安裝區(qū)域。

2　電子控制器雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗波形及等級的確定

2.1試驗要求

電子控制器屬于設備級，在飛機內(nèi)部，不會遭受雷直擊，所以只需按適航標準要求針對感應雷進行試驗，包含插針注入和電纜束注入。如需考慮雷電感應敏感度試驗對整個數(shù)控系統(tǒng)的影響，可針對數(shù)控系統(tǒng)做系統(tǒng)級試驗。

2.2試驗波形及等級的確定

電子控制器具體試驗波形及試驗電平等級要求需與飛機設計單位協(xié)調，原則上由主機根據(jù)電子控制器及其連接設備的安裝位置給出試驗要求和試驗判據(jù)。如主機單位不清楚，可以和雷電測試實驗室先確定一下要做的波形以及等級，再讓主機單位會簽。合格判據(jù)可參照2大原則：（1）硬件是否損壞；（2）軟件允許跳動，但能在雷擊后恢復，且對飛機影響不大。

2.3某型電子控制器試驗波形及等級的確定

某型飛機FADEC系統(tǒng)大部分組件處于飛機內(nèi)部，特別是電子控制器位于隔離艙內(nèi)部，控制器處于局部保護的電磁環(huán)境中，根據(jù)標準要求，試驗電平等級應設為2級。考慮到FADEC屬于飛機的關鍵系統(tǒng)，部分電纜連接結束在電子控制器，如出現(xiàn)故障需盡快妥善處理等原因，試驗電平等級升級為等級3。根據(jù)飛機安裝要求，雷電電磁場同時存在孔縫耦合和電阻耦合，因此插針注入波形為3和5A?？紤]到連接電纜全是屏蔽電纜，最終確定波形組為B、K、L，試驗電平等級為等級3。

3　數(shù)字電子控制器雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗程序

3.1插針注入

3.1.1信號發(fā)生器校準

插針注入校準配置如圖1所示。步驟如下：

（1）調節(jié)瞬態(tài)信號發(fā)生器的輸出，使校準點上獲得開路電壓Voc的波形參數(shù)滿足對應的要求；

（2）記錄波形參數(shù)、電平、極性和信號發(fā)生器的設置，使試驗期間能復現(xiàn)該電應力；

（3）以記錄的信號發(fā)生器的設置，測量短路電流Isc，驗證Isc的電平在規(guī)定的容差范圍內(nèi)；

（4）記錄Isc的波形參數(shù)、電平和極性。

圖1　插針直接注入法校準配置

3.1.2插針注入試驗步驟

插針注入試驗配置如圖2所示。步驟如下：

（1）用盡量短的低電感導線把校準點連接到指定的電子控制器插針；

（2）給電子控制器供電；

（3）以校準時記錄的信號發(fā)生器的設置，對選定的插針施加10個脈沖信號。同時監(jiān)測每個脈沖信號波形有無非預期變化，每2個信號之間的時間間隔為20s；

（4）對每根插針重復步驟（3）；

（5）反轉瞬態(tài)信號發(fā)生器的輸出極性，重新進行步驟（1）～（4）；

（6）確定電子控制器的性能是否符合要求。

圖2　插針直接注入法測試配置

3.2電纜束試驗

3.2.1瞬態(tài)信號發(fā)生器性能確認

電纜束試驗采用感應試驗法，瞬態(tài)信號發(fā)生器性能確認配置如圖3所示。步驟如下：

（1）把瞬態(tài)信號發(fā)生器連接到注入探頭的初級輸入端；

（2）記錄每個信號發(fā)生器指定試驗電平的校準環(huán)開路電壓以及短路電流波形參數(shù)；

（3）對于多重回擊和多重脈沖群試驗，還要驗證脈沖圖樣和時間間隔是否滿足要求。

確認信號發(fā)生器所有波形滿足要求后繼續(xù)試驗。

圖3　電纜感應試驗瞬態(tài)信號發(fā)生器性能確認配置

3.2.2電纜束感應試驗步驟

電纜束感應試驗配置如圖4所示。步驟如下：

（1）按圖4配置電子控制器、輔助設備和互連電纜，把注入探頭套在受試電纜束上；

（2）把電壓探頭和電流監(jiān)測探頭連接到示波器；

（3）給電子控制器供電并設置為所選工作模式；

（4）施加瞬態(tài)脈沖信號時，逐漸增加信號發(fā)生器的輸出，直到規(guī)定的試驗電平或極限電平達到為止；

（5）在單次回擊時，以步驟（4）確立的信號發(fā)生器設置，施加10個瞬態(tài)信號，同時監(jiān)測電子控制器工作性能。每2次瞬態(tài)信號之間的時間間隔為20s；

（6）在多重回擊時，以步驟（4）確立的信號發(fā)生器設置，施加10個瞬態(tài)信號，同時監(jiān)測電子控制器工作性能。每2次瞬態(tài)信號之間的時間間隔為20s；

（7）在多重脈沖群時，以步驟（4）確立的信號發(fā)生器設置，每隔3s施加1次多重脈沖群，連續(xù)施加5 min，同時監(jiān)測電子控制器工作性能；

（8）對于需要考核的電子控制器的每個工作模式，重復步驟（4）～（7）；

（9）反轉瞬態(tài)信號發(fā)生器的輸出極性，重新進行步驟（2）～（8）；

（10）對每根受試電纜，重復步驟（2）～（9）；

（11）對于每種需要施加的波形，重新確認信號發(fā)生器性能，并重復步驟（2）～（10）；

（12）確定電子控制器的性能是否符合要求。

圖4　電纜感應測試試驗配置

4　國外航空公司復合材料飛機機載設備雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗方法

參考了空客公司內(nèi)部文件《供應商通用要求》提到的關于設備雷電間接效應測試要求及波音公司《復合材料飛機電磁干擾控制要求》中關于設備雷電感應瞬態(tài)敏感度測試要求。

4.1插針注入

4.1.1與標準通用方法主要差異

參考了空客公司及波音公司與通用試驗方法差異?？偨Y如下：

（1）2家公司都明確要求需考慮負載阻抗特性對試驗結果的影響，空客公司要求插針注入測試時需分別串聯(lián)最小和最大負載阻抗進行測試，波音公司要求可串聯(lián)負載阻抗進行測試確定符合性；

（2）對于部分需要進行雷電隔離的設備，測試時需要確認插針在10 kHz以下對外殼阻抗大于100 Ω；

（3）空客公司要求插針注入試驗必須進行共模和差模，具體方法如圖5所示。

圖5　空客公司共模、差模插針注入試驗

4.1.2試驗電平等級

在空客公司內(nèi)部有專用的產(chǎn)品分類，針對不同試驗波形和互連設備安裝位置及產(chǎn)品類別，定義了不同的測試電平要求，A、B、C產(chǎn)品類波形5A插針注入要求見表3。空客公司要求做波形2、3和5A。波音公司定義的測試等級（見表4）只跟線纜的安裝位置有關，且只要求做波形5A。

表3　空客公司A、B、C產(chǎn)品類波形5A插針注入要求

表4　波音公司雷電測試等級

4.2電纜束試驗

4.2.1與標準通用方法主要差異

空客和波音公司要求斷開所有屏蔽電纜的屏蔽層后進行試驗，如圖6所示。空客公司還要求進行差模和共模注入試驗，如圖7所示?？湛凸驹囼灠凑諛藴蔙TCA/DO-160進行。波音公司要求注入探頭距被測件15 cm，監(jiān)測探頭距被測件7.5 cm。標準要求注入探頭距監(jiān)測探頭5～50 cm，監(jiān)測探頭距離被測件5～15 cm。

4.2.2試驗電平等級

在空客公司內(nèi)部有專用的產(chǎn)品分類，針對不同試驗波形和互連設備安裝位置及產(chǎn)品類別，定義了不同的測試電平要求，與表3要求類似，空客公司要求做波形2、3和5A。波音公司試驗電平等級要求見表4，僅要求做波形3和5A。

圖6　波音公司電纜束注入試驗配置

圖7　空客公司共模、差模電纜束注入試驗

5　結束語

飛機特別是由復合材料制造的飛機在飛行中經(jīng)常遭遇到雷電，雷電間接效應試驗可以有效模擬雷電電流對飛機內(nèi)部的電子/電氣設備的影響。該試驗可用于驗證機載設備雷電防護措施的有效性，以及雷電防護的優(yōu)化設計。目前數(shù)字電子控制器設備級雷電間接效應試驗已經(jīng)開展，F(xiàn)ADEC系統(tǒng)雷電防護設計的符合性試驗方法正在研究中。

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（編輯：張寶玲）

Lightning Test Methods for FADEC

KONG Xiang-ming，SHAO Zhi-jiang，GU Ying-hui
（AVIC Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

The test methods of the indirect effects of lightning test for FADEC were analyzed based on lightning induced transient susceptibility for airborne equipment relevant standards.The indirect effects coupling modes were classified.The choose method of test waveforms and test levels was also proposed.The test procedure，choose method of test waveforms and levels for one type FADEC were introduced as an example.The test method for equipment level of lightning induced transient susceptibility test from Airbus and Boeing company was preliminarily introduced.The study results will provide reference to verification requirements and test plan for airborne equipment regarding indirect effects of lightning.

FADEC；lightning induced transient susceptibility；indirect effects of lightning；airborne equipment；aeroengine

V 216.5

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.005

2016-03-08基金項目：國家重大基礎研究項目資助

孔祥明（1977），男，碩士，高級工程師，主要從事電磁兼容性試驗技術研究工作；E-mail：lychy@263.net。

引用格式：孔祥明，邵志江，顧穎慧.全權限數(shù)字電子控制器雷電試驗方法研究［J］.航空發(fā)動機，2016，42（5）：26-31.KONGXiangming，SHAOZhijiang，GU Yinghui.LightningtestmethodsforFADEC［J］.Aeroengine，2016，42（5）：26-31.