■ 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(jī)控制系統(tǒng)的整機(jī)級雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級高強(qiáng)輻射場(HIRF )防護(hù)試驗(yàn)，標(biāo)志著我國擁有了完成發(fā)動機(jī)整機(jī)級雷電及HIRF防護(hù)適航取證試驗(yàn)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(jī)控制系統(tǒng)的整機(jī)級雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級高強(qiáng)輻射場(HIRF )防護(hù)試驗(yàn)，標(biāo)志著我國擁有了完成發(fā)動機(jī)整機(jī)級雷電及HIRF防護(hù)適航取證試驗(yàn)的能力。

雷電長久以來一直被看作是威脅飛機(jī)飛行安全的惡劣天氣（如圖1所示），而高強(qiáng)輻射場則是主要來自于雷達(dá)、無線電、電視和其他地基、船載或機(jī)載射頻（RF）發(fā)射器發(fā)射的強(qiáng)人為電磁環(huán)境，這兩種因素對飛機(jī)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(jī)系統(tǒng)是飛機(jī)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(jī)還是旋翼機(jī)，發(fā)動機(jī)的位置一般被當(dāng)作抗雷電環(huán)境最為嚴(yán)苛的1區(qū)，是對雷電防護(hù)要求最高的區(qū)域。因此，在民航飛機(jī)的適航審定中，關(guān)于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的雷電防護(hù)和高強(qiáng)輻射場防護(hù)都已成為強(qiáng)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(qiáng)輻射場（HIRF）和閃電條件，發(fā)動機(jī)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(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及立足自主研發(fā)，完成了國內(nèi)首次包括發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的整機(jī)級雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級HIRF 防護(hù)試驗(yàn)。

圖1 被雷電擊中的客機(jī)

發(fā)動機(jī)雷電防護(hù)試驗(yàn)

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

雷電對發(fā)動機(jī)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(kuò)散作用，在發(fā)動機(jī)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?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)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(jī)，隨著復(fù)合材料所占比重的不斷增加，發(fā)動機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)逐漸由機(jī)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(jī)防護(hù)提出了更高的要求。對于現(xiàn)代直升機(jī)推進(jìn)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(diǎn)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(jī)包括控制系統(tǒng)（如圖2所示）的整機(jī)級雷電防護(hù)試驗(yàn)是飛機(jī)整機(jī)級雷電防護(hù)試驗(yàn)中不可或缺的重點(diǎn)內(nèi)容，驗(yàn)證發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際安裝運(yùn)行工況下對雷電環(huán)境的響應(yīng)是否符合適航標(biāo)準(zhǔn)的要求，它的作用是設(shè)備級、系統(tǒng)級試驗(yàn)所不能取代的，更是發(fā)動機(jī)的適航取證強(qiáng)制要求的項(xiàng)目。

航空發(fā)動機(jī)雷電防護(hù)試驗(yàn)首先由雷電分區(qū)試驗(yàn)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(hù)和防護(hù)不足的問題，是后續(xù)雷電防護(hù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)。以固定翼運(yùn)輸機(jī)為例，發(fā)動機(jī)一般安裝在機(jī)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?fù)舸驌酎c(diǎn)的所在，不出現(xiàn)雷電懸停；前沿略向后，長度與飛機(jī)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?fù)舻膫鲗?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?fù)魠^(qū)；發(fā)動機(jī)的后沿部分定義為1C區(qū)，表示雷電首次回?fù)舻碾x開通道可能一直在這里懸停。不同的雷電分區(qū)表示試驗(yàn)中應(yīng)用不同的試驗(yàn)波形，其中，對1區(qū)的防護(hù)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(bào)告表明，當(dāng)雷電打擊渦噴發(fā)動機(jī)時，發(fā)動機(jī)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(jī)都通過重新起動和加大功率恢復(fù)了運(yùn)行。由于通過實(shí)驗(yàn)室模擬雷電環(huán)境復(fù)現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火或失速不現(xiàn)實(shí)，所以還沒有關(guān)于此類故障機(jī)理的定量分析。但研究人員一般認(rèn)為，此類事件是由于沿機(jī)體掃掠的雷電通道掠過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道附近所帶來的沖擊波效應(yīng)，造成進(jìn)氣中斷而產(chǎn)生的。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，此類事件在大飛機(jī)上發(fā)生的概率低于小飛機(jī)上發(fā)生的概率，也從側(cè)面印證了尺寸小的進(jìn)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(jī)或發(fā)動機(jī)短艙的其他損壞。對于上述情況，除了重新點(diǎn)火起動發(fā)動機(jī)，別無其他防護(hù)措施。

圖2 發(fā)動機(jī)數(shù)字電子控制器雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)

發(fā)動機(jī)HIRF防護(hù)試驗(yàn)

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(yán)苛。在適航標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的HIRF外部環(huán)境中，電場強(qiáng)度峰值可達(dá)到7200V/m。

外部HIRF環(huán)境會穿透飛機(jī)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(jī)的孔縫耦合、飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和線路的再輻射，還有典型的飛機(jī)電子共振效應(yīng)等。所以飛機(jī)的內(nèi)部射頻場是一個綜合的結(jié)果，也是不均勻的，強(qiáng)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(jī)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(dá)到最大耦合。飛機(jī)對HIRF效應(yīng)防護(hù)的能力與使用不同的系統(tǒng)安裝布局有關(guān)。在飛機(jī)整體設(shè)計(jì)層面上，設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)是健全的系統(tǒng)安裝布置；同時，對HIRF效應(yīng)具有強(qiáng)健的系統(tǒng)度量標(biāo)準(zhǔn)（軟件和硬件），以及結(jié)構(gòu)防護(hù)與防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)也是必要的。適航驗(yàn)證將飛機(jī)上各系統(tǒng)的失效狀態(tài)分為災(zāi)難性(A)、危險(xiǎn)性(B)、重大性(C)3個HIRF審定等級，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)就屬于A類，即功能失效會影響飛機(jī)飛行安全，帶來災(zāi)難性后果的系統(tǒng)。

發(fā)動機(jī)適航符合性驗(yàn)證方法包括驗(yàn)證試驗(yàn)和仿真分析。驗(yàn)證試驗(yàn)包括整機(jī)級試驗(yàn)、系統(tǒng)級試驗(yàn)、設(shè)備級試驗(yàn)，而合適的仿真分析雖然可以幫助減少不必要的試驗(yàn)，但不能取代試驗(yàn)。對發(fā)動機(jī)這種A類系統(tǒng)的符合性驗(yàn)證方式是最繁雜的，要求進(jìn)行設(shè)備級、系統(tǒng)級和整機(jī)級的符合性驗(yàn)證，一般從整機(jī)級驗(yàn)證開始，使各系統(tǒng)、設(shè)備所在區(qū)域的場強(qiáng)符合驗(yàn)證要求后，再進(jìn)行分項(xiàng)試驗(yàn)。所以，整機(jī)級試驗(yàn)具有特殊的意義。整機(jī)級HIRF符合性驗(yàn)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(jì)劃，以便清晰地識別和規(guī)定HIRF審定要求、HIRF防護(hù)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)試驗(yàn)和用來作為符合性一部分的分析行為。HIRF符合性計(jì)劃在執(zhí)行前應(yīng)提交適航，并得到適航當(dāng)局批準(zhǔn)。如果飛機(jī)、系統(tǒng)或裝置在適航當(dāng)局批準(zhǔn)后進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，修訂的HIRF符合性計(jì)劃也應(yīng)提交適航當(dāng)局獲得批準(zhǔn)。

發(fā)動機(jī)整機(jī)HIRF防護(hù)試驗(yàn)是為了測量被試飛機(jī)關(guān)鍵位置實(shí)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(yàn)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(rèn)可，從數(shù)百根電纜束中選擇典型設(shè)備的電纜和位置進(jìn)行試驗(yàn)。這樣既能滿足定型考核試驗(yàn)的要求，又可以兼顧試驗(yàn)周期。

實(shí)際操作中要先確認(rèn)被試直升機(jī)裝備執(zhí)行關(guān)鍵功能和重要功能的電子設(shè)備是按實(shí)際裝機(jī)情況敷設(shè)電纜，之后試驗(yàn)將按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定布置試驗(yàn)環(huán)境，包括對直升機(jī)關(guān)鍵位置實(shí)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(jìn)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(jī)應(yīng)用了發(fā)動機(jī)整機(jī)HIRF低電平耦合（LLC）試驗(yàn)。這里的低電平耦合試驗(yàn)包括低電平掃描電流（LLSC）和低電平掃描場（LLSF）試驗(yàn)方法。低電平掃描電流試驗(yàn)測試了發(fā)動機(jī)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(yàn)測試了發(fā)動機(jī)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(shí)際HIRF環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)有：可大量多次試驗(yàn)，減少隨機(jī)性誤差；把整機(jī)曝露到遠(yuǎn)場，能更好模擬真實(shí)環(huán)境；具備模式選擇能力，測試結(jié)果更可靠；試驗(yàn)成本較低，試驗(yàn)設(shè)備更易搭建等。

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

圖3 整機(jī)HIRF試驗(yàn)外場

結(jié)束語

我國目前已經(jīng)能夠完成飛機(jī)雷電和HIRF整機(jī)防護(hù)測試試驗(yàn)，但是發(fā)動機(jī)的雷電與HIRF防護(hù)測試試驗(yàn)水平仍需進(jìn)一步提高，未來應(yīng)加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)系統(tǒng)關(guān)于雷電與HIRF耦合效應(yīng)機(jī)理的研究，加強(qiáng)對適航標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步提高我國發(fā)動機(jī)雷電與HIRF試驗(yàn)與適航審定能力。