■ 段澤民 司曉亮 李志寶 / 中國(guó)航空工業(yè)合肥航太
2019年上半年,中國(guó)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(guó)內(nèi)首次包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的整機(jī)級(jí)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級(jí)高強(qiáng)輻射場(chǎng)(HIRF )防護(hù)試驗(yàn),標(biāo)志著我國(guó)擁有了完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)級(jí)雷電及HIRF防護(hù)適航取證試驗(yàn)的能力。
中國(guó)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(guó)內(nèi)首次包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的整機(jī)級(jí)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級(jí)高強(qiáng)輻射場(chǎng)(HIRF )防護(hù)試驗(yàn),標(biāo)志著我國(guó)擁有了完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)級(jí)雷電及HIRF防護(hù)適航取證試驗(yàn)的能力。
雷電長(zhǎng)久以來(lái)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(chǎng)則是主要來(lái)自于雷達(dá)、無(wú)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(duì)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(dòng)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(huì)給飛行安全帶來(lái)災(zāi)難性的后果。因而,無(wú)論對(duì)固定翼飛機(jī)還是旋翼機(jī),發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)的雷電防護(hù)和高強(qiáng)輻射場(chǎng)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(chǎng)(HIRF)和閃電條件,發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)功能不會(huì)受到有害影響。為了滿足上述要求,合肥航太結(jié)合國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及立足自主研發(fā),完成了國(guó)內(nèi)首次包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在內(nèi)的整機(jī)級(jí)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)以及整機(jī)級(jí)HIRF 防護(hù)試驗(yàn)。
圖1 被雷電擊中的客機(jī)
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(jí),電流幅值可達(dá)100kA量級(jí)。據(jù)統(tǒng)計(jì),地球上每天要發(fā)生800萬(wàn)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(duì)發(fā)動(dòng)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(lái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī),隨著復(fù)合材料所占比重的不斷增加,發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)提出了更高的要求。對(duì)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(huì)出現(xiàn)介質(zhì)擊穿、附著點(diǎn)弧根熱損傷、沖擊波損傷、電動(dòng)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(dòng)機(jī)包括控制系統(tǒng)(如圖2所示)的整機(jī)級(jí)雷電防護(hù)試驗(yàn)是飛機(jī)整機(jī)級(jí)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際安裝運(yùn)行工況下對(duì)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(jí)、系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)所不能取代的,更是發(fā)動(dòng)機(jī)的適航取證強(qiáng)制要求的項(xiàng)目。
航空發(fā)動(dòng)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(duì)不同區(qū)域所面對(duì)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)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(shuō)明這些故障是不可恢復(fù)的,出現(xiàn)上述情況的發(fā)動(dòng)機(jī)都通過重新起動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣道附近所帶來(lái)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(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的其他損壞。對(duì)于上述情況,除了重新點(diǎn)火起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),別無(wú)其他防護(hù)措施。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子控制器雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)
與雷電不同,HIRF環(huán)境是人類活動(dòng)所造成的,并且在可預(yù)見的未來(lái),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(huì)越來(lái)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(chǎng)強(qiáng)度峰值可達(dá)到7200V/m。
外部HIRF環(huán)境會(huì)穿透飛機(jī)并形成一個(gè)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(chǎng)是一個(gè)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(duì)HIRF耦合的一個(gè)重要因素是導(dǎo)線相對(duì)電磁場(chǎng)的極化方向,且當(dāng)機(jī)體或?qū)Ь€長(zhǎng)度是波長(zhǎng)的整數(shù)倍或1/2、1/4時(shí),易因諧振達(dá)到最大耦合。飛機(jī)對(duì)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(shí),對(duì)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(gè)HIRF審定等級(jí),發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就屬于A類,即功能失效會(huì)影響飛機(jī)飛行安全,帶來(lái)災(zāi)難性后果的系統(tǒng)。
發(fā)動(dòng)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(jí)試驗(yàn)、系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)、設(shè)備級(jí)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(duì)發(fā)動(dòng)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(jí)、系統(tǒng)級(jí)和整機(jī)級(jí)的符合性驗(yàn)證,一般從整機(jī)級(jí)驗(yàn)證開始,使各系統(tǒng)、設(shè)備所在區(qū)域的場(chǎng)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(jí)試驗(yàn)具有特殊的意義。整機(jī)級(jí)HIRF符合性驗(yàn)證是一個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)性工作,應(yīng)有一個(gè)明確的HIRF符合性計(jì)劃,以便清晰地識(shí)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(lái)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(dòng)機(jī)整機(jī)HIRF防護(hù)試驗(yàn)是為了測(cè)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(duì)試驗(yàn)中測(cè)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(duì)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(cè)量,并與合格判據(jù)對(duì)比以得出鑒定結(jié)論。
合肥航太對(duì)被測(cè)飛機(jī)應(yīng)用了發(fā)動(dòng)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(chǎng)(LLSF)試驗(yàn)方法。低電平掃描電流試驗(yàn)測(cè)試了發(fā)動(dòng)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(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備安裝區(qū)域的衰減系數(shù)曲線。通過對(duì)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(cè)試結(jié)果與合格判據(jù)做對(duì)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(chǎng),能更好模擬真實(shí)環(huán)境;具備模式選擇能力,測(cè)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(duì)AC312E直升機(jī)的整機(jī)HIRF試驗(yàn)(如圖3所示),具備發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)HIRF防護(hù)試驗(yàn)?zāi)芰Γ⑨槍?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量。
圖3 整機(jī)HIRF試驗(yàn)外場(chǎng)
我國(guó)目前已經(jīng)能夠完成飛機(jī)雷電和HIRF整機(jī)防護(hù)測(cè)試試驗(yàn),但是發(fā)動(dòng)機(jī)的雷電與HIRF防護(hù)測(cè)試試驗(yàn)水平仍需進(jìn)一步提高,未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)適航標(biāo)準(zhǔn)的理解,同時(shí)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(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)雷電與HIRF試驗(yàn)與適航審定能力。