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        通勤類飛機閃電間接影響防護適航驗證方法研究

        2020-05-09 10:22:18李明巧林涵陸明明
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2020年1期

        李明巧 林涵 陸明明

        摘 ? 要:飛機電子/電氣系統(tǒng)易受閃電危害影響,閃電間接影響是閃電直接擊中飛機時產(chǎn)生的電磁場將在電子電氣設(shè)備或部件中感應(yīng)電壓和電流瞬變。隨著航空器越來越廣泛采用敏感的電子儀器執(zhí)行飛行關(guān)鍵/基本功能,在航空器型號合格審定過程中,閃電間接影響對航空器的影響日益受到適航當(dāng)局的關(guān)注。FAA在2011年8月增加了61號修正案,增加了1306條電子和電氣系統(tǒng)閃電防護。希望本文能夠為民用航空器閃電間接影響防護驗證提供參考。

        關(guān)鍵詞:閃電間接影響 ?合格審定 ?防護驗證

        中圖分類號: V328 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2020)01(a)-0002-02

        1 ?概述

        隨著航空器廣泛采用敏感的電子儀器執(zhí)行飛行關(guān)鍵/基本功能,航空器持續(xù)安全飛行和著陸對電子電氣系統(tǒng)的依賴性增大,數(shù)據(jù)總線或數(shù)據(jù)處理器運行速度的加快、集成電路板密度更大和電子設(shè)備的靈敏度更高,電子電氣系統(tǒng)對閃電間接影響更加敏感。

        要求航空器必須具有足夠的閃電間接影響防護能力,以防止執(zhí)行關(guān)鍵功能的航空電子系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)因閃電間接影響造成器件損壞和功能中斷進而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。針對FAR23部[1]規(guī)章,F(xiàn)AA在2011年8月增加了61號修正案,增加了1306條——電子和電氣系統(tǒng)閃電防護。

        2 ?閃電間接影響防護設(shè)計考慮

        利用航空器結(jié)構(gòu)來防止閃電直接附著在設(shè)備和導(dǎo)線,對于以鋁蒙皮為主的金屬結(jié)構(gòu),閃電能夠直接附著其上;對于復(fù)合材料組成的結(jié)構(gòu)需在外層增加一層金屬屏蔽網(wǎng),防止閃電直接附著在其下的設(shè)備和導(dǎo)線。

        電子系統(tǒng)/設(shè)備進行安裝設(shè)計時,應(yīng)考慮閃電間接影響對其產(chǎn)生的作用,盡可能將設(shè)備安裝在完全屏蔽的設(shè)備艙內(nèi),設(shè)備的搭接通過直接的金屬與金屬的接觸來實現(xiàn);系統(tǒng)電源地、信號地就近安裝并和機殼地相連,屏蔽地盡可能連接到LRU機殼的輸入/輸出連接插頭。系統(tǒng)連線按相關(guān)要求進行選型和制造。并將電纜通道按系統(tǒng)設(shè)計,電纜敷設(shè)應(yīng)盡可能靠近金屬蒙,滿足飛機閃電間接影響防護要求。

        關(guān)鍵系統(tǒng),余度系統(tǒng)采用差異設(shè)計,主系統(tǒng)用電子系統(tǒng),備份系統(tǒng)用機電系統(tǒng);或者余度系統(tǒng)具有不同的閃電間接影響敏感度。

        3 ?閃電間接影響防護適航驗證

        3.1 確定需要閃電間接影響防護的系統(tǒng)

        根據(jù)FAR23.1306條款,利用系統(tǒng)功能危險性分析結(jié)果確定需要進行閃電間接影響防護的系統(tǒng)及等級。按照AC20-136[5],系統(tǒng)功能危險性分析其失效結(jié)果類別為I(災(zāi)難的)、II(危險的)、III(主要的)的,要求進行閃電間接影響防護,其防護等級分別對應(yīng)為A類、B類、C類。此外,閃電間接影響防護等級和系統(tǒng)研制保證等級是一致的。根據(jù)ARP4754[6],系統(tǒng)研制保證等級的分配是基于與適用的飛機級功能相關(guān)的最嚴(yán)重的失效狀態(tài),當(dāng)飛機級功能喪失的失效結(jié)果類別為I類,盡管系統(tǒng)級功能喪失的失效結(jié)果類別為II類,其設(shè)計保證等級按飛機級功能喪失的失效結(jié)果類別來對應(yīng),既應(yīng)為A類。

        A類系統(tǒng)分成A類控制系統(tǒng)和A類顯示系統(tǒng):當(dāng)駕駛員不作為系統(tǒng)工作環(huán)節(jié)的一部分完成系統(tǒng)功能時,這類系統(tǒng)為A類控制系統(tǒng);當(dāng)駕駛員通過與系統(tǒng)進行信息交流而變?yōu)橄到y(tǒng)工作環(huán)節(jié)的一部分時,這類系統(tǒng)為A類顯示系統(tǒng)。

        3.2 確定航空器內(nèi)的實際瞬變電平(ATL)

        AC20-136規(guī)定只有A類系統(tǒng)在驗證符合性過程中需要航空器的內(nèi)部閃電環(huán)境,根據(jù)AC20-136A中圖4,有4種方法確定航空器內(nèi)部的實際瞬變電平(ATL):航空器試驗確定、分析確定、相似性評估確定和僅適用于A類顯示系統(tǒng)的、利用DO160[7]第22章的指導(dǎo)來確定A類系統(tǒng)的ETDLs。

        新航空器,若安裝A類控制系統(tǒng),則必須通過航空器級試驗確定航空器內(nèi)部的實際瞬變電平。航空器級試驗有多種方法:低電平掃頻試驗、低電流脈沖試驗、高電流脈沖試驗。如果航空器上安裝的是A類顯示系統(tǒng),則可以利用DO160第22章規(guī)定來確定A類系統(tǒng)的ETDLs。

        通過分析確定飛機內(nèi)部的實際瞬變電平時,分析方法有:有限元分析法、時域有限差分法、傳輸線建模法等。分析方法的使用需要獲得適航當(dāng)局的認(rèn)可。

        通過相似性評估來確定航空器內(nèi)部的實際瞬變電平時,要求已取證的航空器和系統(tǒng)安裝與將要取證的航空器和系統(tǒng)安裝只有微小的不同,已取證的航空器在其運行期間沒有與閃電間接影響有關(guān)的問題需要解決。

        3.3 確定設(shè)備瞬變設(shè)計電平(ETDL)

        設(shè)備瞬變設(shè)計電平規(guī)定了設(shè)備沒有受到不利影響、可以容忍的瞬變波形和電平。按照DO160G第22章確定系統(tǒng)/設(shè)備的ETDLs。瞬變設(shè)計電平包含插針試驗波形設(shè)置、插針試驗等級、電纜束試驗波形設(shè)置、電纜束單脈沖或多脈沖試驗等級、電纜束多脈沖群試驗等級。

        波形設(shè)置與飛機結(jié)構(gòu)有關(guān),當(dāng)瞬態(tài)感應(yīng)源是由飛機上的孔引起的,則波形設(shè)置選擇A、C、E、G、J;當(dāng)瞬態(tài)感應(yīng)源是由飛機上的結(jié)構(gòu)電阻引起的,則波形設(shè)置選擇B、D、F、H、K。具體地,A和B用于進行插針通電試驗;C到F用于進行電纜束單次脈沖沖擊試驗;G到K用于進行電纜束單次、多次脈沖沖擊和多脈沖群沖擊試驗

        對于A類系統(tǒng)/設(shè)備ETDLs試驗等級的確定方法見下DO-160 22章的級別表1。

        對于B/C類系統(tǒng)/設(shè)備ETDLs,可以使用DO160G第22章的規(guī)定,選擇合適的試驗等級。多數(shù)B類系統(tǒng)使用第3級,若系統(tǒng)設(shè)備及連線安裝在嚴(yán)酷閃電瞬變區(qū)域內(nèi),則使用第4級或第5級。多數(shù)C類系統(tǒng)使用第2級,如果系統(tǒng)設(shè)備及連線安裝在嚴(yán)酷閃電瞬變區(qū)域內(nèi),則使用第3級。

        4 ?閃電間接影響防護符合性驗證

        A類系統(tǒng):設(shè)備按DO-160G中的22章要求進行設(shè)備的ETDLs合格鑒定試驗外,還應(yīng)在試驗室進行系統(tǒng)級ETDLs的鑒定試驗:其中,針注入和單個雷擊的試驗按照DO-160G第22章進行;多雷擊和多波群試驗按照ARP5416[8]進行。且試驗電纜應(yīng)與飛機上的電纜一致。系統(tǒng)級試驗過程中,系統(tǒng)關(guān)鍵/重要功能沒有受到不利影響,主要功能如受到不利影響,則在施加的干擾取消后,主要功能恢復(fù)。A類顯示系統(tǒng),系統(tǒng)通過了系統(tǒng)級的閃電間接影響試驗就表明系統(tǒng)滿足航空器的閃電間接影響防護要求;A類控制系統(tǒng),系統(tǒng)通過閃電間接影響試驗,且系統(tǒng)級ETDLs試驗電平大于航空器內(nèi)部的瞬變電平ATLs才表明系統(tǒng)滿足航空器的閃電間接影響防護要求。

        對于B、C類設(shè)備,按DO-160第22章要求進行試驗,試驗通過就表明B、C類設(shè)備滿足航空器的閃電間接影響防護要求。

        5 ?結(jié)語

        現(xiàn)行的FAR23/25/27/29和CCAR相關(guān)規(guī)章中,提出的關(guān)于閃電間接影響防護的要求是相似的。本文主要介紹了閃電間接影響防護適航驗證方法。希望能夠為其它民用航空器閃電間接影響防護驗證提供參考。

        參考文獻

        [1] FAR23部.正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規(guī)定[Z].

        [2] FAR25部.運輸類飛機適航規(guī)定[Z].

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        [4] FAR29部.運輸類旋翼航空器適航規(guī)定[Z].

        [5] AC20-136.Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[Z].

        [6] ARP4754.高度綜合和復(fù)雜飛機系統(tǒng)合格審定需要考慮的問題[Z].

        [7] DO-160G.機載設(shè)備環(huán)境試驗條件和程序[Z].

        [8] SAE ARP5416.航空器閃電試驗方法[Z].

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