■ 段澤民 司曉亮 李志寶 / 中國航空工業(yè)合肥航太

2019年上半年，中國航空工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司（合肥航太）完成了國內(nèi)首次包括發(fā)動機控制系統(tǒng)的整機級雷電間接效應(yīng)試驗以及整機級高強輻射場(HIRF )防護試驗，標(biāo)志著我國擁有了完成發(fā)動機整機級雷電及HIRF防護適航取證試驗的能力。

中國航空工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司（合肥航太）于2019年上半年完成了國內(nèi)首次包括發(fā)動機控制系統(tǒng)的整機級雷電間接效應(yīng)試驗以及整機級高強輻射場(HIRF )防護試驗，標(biāo)志著我國擁有了完成發(fā)動機整機級雷電及HIRF防護適航取證試驗的能力。

雷電長久以來一直被看作是威脅飛機飛行安全的惡劣天氣（如圖1所示），而高強輻射場則是主要來自于雷達、無線電、電視和其他地基、船載或機載射頻（RF）發(fā)射器發(fā)射的強人為電磁環(huán)境，這兩種因素對飛機上的敏感電子裝置的抗電磁干擾能力提出了極高的要求。

航空發(fā)動機系統(tǒng)是飛機上最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，如果在飛行中出現(xiàn)難以恢復(fù)的故障，如空中停車等，會給飛行安全帶來災(zāi)難性的后果。因而，無論對固定翼飛機還是旋翼機，發(fā)動機的位置一般被當(dāng)作抗雷電環(huán)境最為嚴苛的1區(qū)，是對雷電防護要求最高的區(qū)域。因此，在民航飛機的適航審定中，關(guān)于發(fā)動機系統(tǒng)的雷電防護和高強輻射場防護都已成為強制性條款。例如，CCAR-33部中提到：在聲明的環(huán)境條件下，包括電磁干擾（EMI）、高強輻射場（HIRF）和閃電條件，發(fā)動機控制系統(tǒng)功能不會受到有害影響。為了滿足上述要求，合肥航太結(jié)合國際先進經(jīng)驗以及立足自主研發(fā)，完成了國內(nèi)首次包括發(fā)動機控制系統(tǒng)在內(nèi)的整機級雷電間接效應(yīng)試驗以及整機級HIRF 防護試驗。

圖1 被雷電擊中的客機

發(fā)動機雷電防護試驗

現(xiàn)代雷電學(xué)認為，雷電可在100km高度大氣層內(nèi)出現(xiàn)，雷電電壓幅值可達GV量級，電流幅值可達100kA量級。據(jù)統(tǒng)計，地球上每天要發(fā)生800萬次雷電，固定航線的飛機平均每年記錄1次遭雷擊事件，其中幅值達到200kA的雷電約占總數(shù)的1%。

雷電對發(fā)動機系統(tǒng)的影響主要分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩大部分。直接效應(yīng)主要來自于雷電帶有的巨大能量，容易造成介質(zhì)擊穿、弧根熱損傷、沖擊波效應(yīng)、電動力損傷等；而間接效應(yīng)則是指電磁能量通過孔隙耦合和擴散作用，在發(fā)動機的電力電子器件上感應(yīng)出高閾值的浪涌電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

燃氣渦輪發(fā)動機由傳統(tǒng)的全金屬結(jié)構(gòu)發(fā)展到金屬加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在還出現(xiàn)了全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的發(fā)動機，隨著復(fù)合材料所占比重的不斷增加，發(fā)動機導(dǎo)電性降低，更容易遭雷電破壞。與金屬殼體相比，復(fù)合材料殼體屏蔽效能降低，內(nèi)部電磁環(huán)境惡化，尤其是現(xiàn)代發(fā)動機控制系統(tǒng)逐漸由機械液壓式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)，對復(fù)雜電磁環(huán)境下發(fā)動機防護提出了更高的要求。對于現(xiàn)代直升機推進系統(tǒng)，多采用復(fù)合材料制造螺旋槳槳葉，雷電打擊到螺旋槳槳葉上可能會出現(xiàn)介質(zhì)擊穿、附著點弧根熱損傷、沖擊波損傷、電動力損傷，使槳葉出現(xiàn)穿孔、破裂、熱解等直接效應(yīng)。

因此，發(fā)動機包括控制系統(tǒng)（如圖2所示）的整機級雷電防護試驗是飛機整機級雷電防護試驗中不可或缺的重點內(nèi)容，驗證發(fā)動機系統(tǒng)在實際安裝運行工況下對雷電環(huán)境的響應(yīng)是否符合適航標(biāo)準的要求，它的作用是設(shè)備級、系統(tǒng)級試驗所不能取代的，更是發(fā)動機的適航取證強制要求的項目。

航空發(fā)動機雷電防護試驗首先由雷電分區(qū)試驗開始，以此對不同區(qū)域所面對的雷電環(huán)境作出不同的規(guī)定，可以有效防止過度防護和防護不足的問題，是后續(xù)雷電防護試驗的基礎(chǔ)。以固定翼運輸機為例，發(fā)動機一般安裝在機翼上，因其前沿突出的外形特征和所處位置，一般位于雷電打擊1A區(qū)，代表雷電首次回擊打擊點的所在，不出現(xiàn)雷電懸停；前沿略向后，長度與飛機飛行速度有關(guān)的一片區(qū)域，一般位于1C區(qū)，代表雷電首次回擊的傳導(dǎo)電流區(qū)域；再向后的一片區(qū)域位于2A區(qū)，代表掃掠回擊區(qū)；發(fā)動機的后沿部分定義為1C區(qū)，表示雷電首次回擊的離開通道可能一直在這里懸停。不同的雷電分區(qū)表示試驗中應(yīng)用不同的試驗波形，其中，對1區(qū)的防護要求最高，2區(qū)次之，3區(qū)較低。

過往收集到的雷擊事件報告表明，當(dāng)雷電打擊渦噴發(fā)動機時，發(fā)動機可能會發(fā)生失速或轉(zhuǎn)速下降，甚至可能完全熄火，但還沒有案例說明這些故障是不可恢復(fù)的，出現(xiàn)上述情況的發(fā)動機都通過重新起動和加大功率恢復(fù)了運行。由于通過實驗室模擬雷電環(huán)境復(fù)現(xiàn)發(fā)動機熄火或失速不現(xiàn)實，所以還沒有關(guān)于此類故障機理的定量分析。但研究人員一般認為，此類事件是由于沿機體掃掠的雷電通道掠過發(fā)動機進氣道附近所帶來的沖擊波效應(yīng)，造成進氣中斷而產(chǎn)生的。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，此類事件在大飛機上發(fā)生的概率低于小飛機上發(fā)生的概率，也從側(cè)面印證了尺寸小的進氣口更易受雷電沖擊波影響。除非飛行員確定這種故障的原因，通常觀察不到發(fā)動機或發(fā)動機短艙的其他損壞。對于上述情況，除了重新點火起動發(fā)動機，別無其他防護措施。

圖2 發(fā)動機數(shù)字電子控制器雷電間接效應(yīng)試驗

發(fā)動機HIRF防護試驗

與雷電不同，HIRF環(huán)境是人類活動所造成的，并且在可預(yù)見的未來，伴隨著各種大功率、超大功率電磁波發(fā)射裝置的增加和使用，HIRF環(huán)境總體上只會越來越嚴苛。在適航標(biāo)準中規(guī)定的HIRF外部環(huán)境中，電場強度峰值可達到7200V/m。

外部HIRF環(huán)境會穿透飛機并形成一個內(nèi)部射頻環(huán)境，而電子/電氣系統(tǒng)就曝露其中。內(nèi)部射頻環(huán)境的產(chǎn)生是由一系列因素相互作用引起的，比如飛機的孔縫耦合、飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和線路的再輻射，還有典型的飛機電子共振效應(yīng)等。所以飛機的內(nèi)部射頻場是一個綜合的結(jié)果，也是不均勻的，強度、波形和波阻抗可能在寬頻內(nèi)變化。另外影響導(dǎo)線對HIRF耦合的一個重要因素是導(dǎo)線相對電磁場的極化方向，且當(dāng)機體或?qū)Ь€長度是波長的整數(shù)倍或1/2、1/4時，易因諧振達到最大耦合。飛機對HIRF效應(yīng)防護的能力與使用不同的系統(tǒng)安裝布局有關(guān)。在飛機整體設(shè)計層面上，設(shè)計目標(biāo)是降低安裝電子/電氣設(shè)備附近的HIRF內(nèi)部環(huán)境。在系統(tǒng)層面上，設(shè)計目標(biāo)是健全的系統(tǒng)安裝布置；同時，對HIRF效應(yīng)具有強健的系統(tǒng)度量標(biāo)準（軟件和硬件），以及結(jié)構(gòu)防護與防護裝置的設(shè)計也是必要的。適航驗證將飛機上各系統(tǒng)的失效狀態(tài)分為災(zāi)難性(A)、危險性(B)、重大性(C)3個HIRF審定等級，發(fā)動機系統(tǒng)就屬于A類，即功能失效會影響飛機飛行安全，帶來災(zāi)難性后果的系統(tǒng)。

發(fā)動機適航符合性驗證方法包括驗證試驗和仿真分析。驗證試驗包括整機級試驗、系統(tǒng)級試驗、設(shè)備級試驗，而合適的仿真分析雖然可以幫助減少不必要的試驗，但不能取代試驗。對發(fā)動機這種A類系統(tǒng)的符合性驗證方式是最繁雜的，要求進行設(shè)備級、系統(tǒng)級和整機級的符合性驗證，一般從整機級驗證開始，使各系統(tǒng)、設(shè)備所在區(qū)域的場強符合驗證要求后，再進行分項試驗。所以，整機級試驗具有特殊的意義。整機級HIRF符合性驗證是一個系統(tǒng)的持續(xù)性工作，應(yīng)有一個明確的HIRF符合性計劃，以便清晰地識別和規(guī)定HIRF審定要求、HIRF防護設(shè)計、設(shè)計試驗和用來作為符合性一部分的分析行為。HIRF符合性計劃在執(zhí)行前應(yīng)提交適航，并得到適航當(dāng)局批準。如果飛機、系統(tǒng)或裝置在適航當(dāng)局批準后進行設(shè)計更改，修訂的HIRF符合性計劃也應(yīng)提交適航當(dāng)局獲得批準。

發(fā)動機整機HIRF防護試驗是為了測量被試飛機關(guān)鍵位置實際射頻環(huán)境以及電子/電氣系統(tǒng)或設(shè)備互聯(lián)導(dǎo)線上的感應(yīng)情況。對試驗中測試電纜和區(qū)域的選擇須經(jīng)過分析討論，并得到適航當(dāng)局的認可，從數(shù)百根電纜束中選擇典型設(shè)備的電纜和位置進行試驗。這樣既能滿足定型考核試驗的要求，又可以兼顧試驗周期。

實際操作中要先確認被試直升機裝備執(zhí)行關(guān)鍵功能和重要功能的電子設(shè)備是按實際裝機情況敷設(shè)電纜，之后試驗將按照標(biāo)準規(guī)定布置試驗環(huán)境，包括對直升機關(guān)鍵位置實際射頻環(huán)境和電子/電氣系統(tǒng)、設(shè)備互聯(lián)導(dǎo)線上的感應(yīng)情況進行測量，并與合格判據(jù)對比以得出鑒定結(jié)論。

合肥航太對被測飛機應(yīng)用了發(fā)動機整機HIRF低電平耦合（LLC）試驗。這里的低電平耦合試驗包括低電平掃描電流（LLSC）和低電平掃描場（LLSF）試驗方法。低電平掃描電流試驗測試了發(fā)動機兩側(cè)控制系統(tǒng)電纜束的傳遞函數(shù)曲線，而低電平掃描場試驗測試了發(fā)動機關(guān)鍵設(shè)備安裝區(qū)域的衰減系數(shù)曲線。通過對這些隨頻段而變化的曲線與實際HIRF環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理，把測試結(jié)果與合格判據(jù)做對比，最后得出結(jié)果。這種方法的優(yōu)點有：可大量多次試驗，減少隨機性誤差；把整機曝露到遠場，能更好模擬真實環(huán)境；具備模式選擇能力，測試結(jié)果更可靠；試驗成本較低，試驗設(shè)備更易搭建等。

合肥航太已開展了對AC312E直升機的整機HIRF試驗（如圖3所示），具備發(fā)動機整機HIRF防護試驗?zāi)芰?，并針對發(fā)動機控制系統(tǒng)進行了測量。

圖3 整機HIRF試驗外場

結(jié)束語

我國目前已經(jīng)能夠完成飛機雷電和HIRF整機防護測試試驗，但是發(fā)動機的雷電與HIRF防護測試試驗水平仍需進一步提高，未來應(yīng)加強對發(fā)動機系統(tǒng)關(guān)于雷電與HIRF耦合效應(yīng)機理的研究，加強對適航標(biāo)準的理解，同時要重視高水平仿真在適航取證中的積極作用，以進一步提高我國發(fā)動機雷電與HIRF試驗與適航審定能力。