■ 徐鳴 /海軍裝備部重大專項(xiàng)裝備項(xiàng)目管理中心 尹瓏翔 劉子龍 / 中國航發(fā)貴陽所

電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的就是使電子設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容,是電子設(shè)備或系統(tǒng)的規(guī)定功能得以實(shí)現(xiàn)、效能得以充分發(fā)揮的重要保證。而對(duì)處于復(fù)雜電磁環(huán)境的艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)參數(shù)的增多和控制功能的不斷提高，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)尤其是數(shù)字電子控制器電路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜。艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)隨飛機(jī)停放在艦船上，周邊存在許多大功率、高頻率電子設(shè)備和電纜，電磁環(huán)境復(fù)雜、電磁場強(qiáng)度高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作會(huì)遭遇強(qiáng)電磁干擾。另外，為適應(yīng)任務(wù)的發(fā)展需要，飛機(jī)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化水平不斷提高，導(dǎo)航系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等配置的電子、電氣設(shè)備不斷增多，功率不斷增大，頻率逐漸升高，同時(shí)出于輕量化的目的，飛機(jī)采用大量的復(fù)合材料，導(dǎo)致機(jī)體屏蔽性能降低，這對(duì)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性提出了新的、嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所有電氣/電子系統(tǒng)和附件的電磁兼容性應(yīng)符合GJB 151B—2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》和HJB 34A—2007《艦船電磁兼容性要求》的規(guī)定。發(fā)動(dòng)機(jī)附件雷電防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GJB 2639—1996《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)》的要求。相比其他發(fā)動(dòng)機(jī)，艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁兼容要求增加了靜電放電敏感度（CS112）、25Hz～100kHz磁場輻射發(fā)射（RE101）和雷電試驗(yàn)等項(xiàng)目，并在25Hz ～150kHz電源線傳導(dǎo)敏感度（CS101）、電源線尖峰信號(hào)傳導(dǎo)敏感度（CS106）、4kHz～400MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度（CS114）、10kHz ～100MHz電纜與電源線阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度（CS116）、10kHz ～40GHz電場輻射敏感度（RS103）等項(xiàng)目提出了更高的要求。因此，艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)須在其他發(fā)動(dòng)機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在電氣接線方式、電子控制器、點(diǎn)火系統(tǒng)、傳感器等方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，才能滿足相關(guān)要求。

美國F-35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行電磁環(huán)境測(cè)試

電氣接線方式優(yōu)化

為兼顧艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力指標(biāo)要求，需要對(duì)控制系統(tǒng)零組件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)上控制系統(tǒng)布局緊湊，密布接線。相比于其他發(fā)動(dòng)機(jī)，艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外界所處的電磁環(huán)境還包括海域的自然干擾源、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、天線等，有意的威脅類電磁環(huán)境和無意的背景類電磁環(huán)境綜合作用。艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣接線設(shè)計(jì)需要兼顧低頻、高頻電纜的耦合抑制，控制共模電流。為確保艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電氣接線符合電磁兼容性設(shè)計(jì)要求，在開展電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：除開關(guān)量外，其余導(dǎo)線選擇雙絞或三絞屏蔽導(dǎo)線；導(dǎo)線屏蔽層通過防波套與屏蔽式尾附保證360°屏蔽連續(xù)；發(fā)動(dòng)機(jī)電纜屏蔽層采用單端接地；高壓導(dǎo)線采用內(nèi)、外雙層屏蔽方式，采用雙端接地；發(fā)動(dòng)機(jī)電纜主插頭和附件端插頭選用耐海洋系列連接器，尾附選用屏蔽式尾附保證360°屏蔽連續(xù)；導(dǎo)線成束后，外邊選用輕型防波套進(jìn)行防護(hù)；發(fā)動(dòng)機(jī)電纜的分叉點(diǎn)，采用防波套與耐高溫編制護(hù)套搭接，并選擇一體編織防波套技術(shù)，保證分叉處的屏蔽連續(xù)性；導(dǎo)線屏蔽通過一段防波套接到連接器殼體，將屏蔽層的感應(yīng)電流通過接地安全釋放，通過連接器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的支架引到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，提高電纜抗電磁干擾能力。

電子控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于分布式架構(gòu)的控制系統(tǒng)目前成熟度較低，可靠性不能滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)要求，目前我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)大多是典型的集中式控制系統(tǒng)。由于艦載機(jī)的電子控制器采集信號(hào)數(shù)量較多、種類繁雜，在電子控制器端的信號(hào)極易互相耦合、引入干擾，因此需要對(duì)電子控制器電磁兼容量級(jí)進(jìn)行提升。對(duì)電子控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為接地、濾波、雷電防護(hù)、屏蔽防護(hù)和其他幾個(gè)方面。

電子控制器接地

飛機(jī)的電磁兼容仿真

機(jī)箱面板上設(shè)計(jì)了專門的接地組件用于接地搭接，電子控制器+28V地和殼體地在接地柱處短接；電子控制器內(nèi)所有二次電源均單點(diǎn)接地；數(shù)字地和模擬地在A/D轉(zhuǎn)換器處單點(diǎn)相連，能有效避免數(shù)字電路噪聲干擾模擬電路，并泄露至線纜；外殼需接地的元器件緊貼導(dǎo)熱板，并使導(dǎo)熱板與機(jī)殼保持良好的電接觸，可減小電磁輻射。

電子控制器濾波

選用高性能電磁干擾（EMI）濾波器以消除電源的干擾，安裝靠近電源插座入口，緊貼機(jī)箱壁安裝，保證良好的接地效果；在航插接口設(shè)計(jì)濾波電路，保證良好的抗干擾及自身干擾濾除能力。

電子控制器屏蔽防護(hù)

箱體、面板、后蓋等鋁合金材料的零件表面采用導(dǎo)電氧化處理，使得表面處理層具有良好的導(dǎo)電效果，機(jī)箱各零件之間具有較低的連接電阻；機(jī)箱殼體選用抗電磁輻射效果好的材料，面板、蓋板與箱體結(jié)合面采取凹槽平面配合結(jié)構(gòu)；選用具有高屏蔽效果可壓縮的密封材料密封，如插座密封墊、機(jī)箱屏蔽條的使用以達(dá)到良好的電磁屏蔽效果；在電子控制器的敏感電路之間增加瞬變抑制器，降低到電路能夠承受的水平；提高抗損傷水平的電路設(shè)計(jì)，選用具有一定防護(hù)的器件，增加過壓過流保護(hù)；提高功能電路承受失常能力的硬件設(shè)計(jì)，采用一定的功能冗余設(shè)計(jì)和故障隔離技術(shù)，以防故障傳播，避免對(duì)其他功能電路的不利影響。

電子控制器雷電防護(hù)

電子控制器箱體為全金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，理論上形成完全的電屏蔽，并與飛機(jī)結(jié)構(gòu)有良好的搭接，搭接電阻不大于5mΩ，能迅速將雷電的電流導(dǎo)出；對(duì)信號(hào)電纜線進(jìn)行屏蔽，且屏蔽層與飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有良好的搭接；除搭接終端外，任何位置上的帶電零件與飛機(jī)基本結(jié)構(gòu)保持絕緣；通過提高電路的損傷和功能失常門檻值來減小它們的易損性。使進(jìn)入電子控制器電流的瞬變不至于損傷電路或使電路功能失效；對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行了防雷電設(shè)計(jì)，在電子控制器的輸入/輸出信號(hào)與殼體地之間增加瞬變抑制器，降低到電路能夠承受的水平；提高抗損傷水平的電路設(shè)計(jì)，選用具有一定防護(hù)的器件，增加過壓過流保護(hù)；提高功能電路承受失常能力的硬件設(shè)計(jì)，采用一定的功能冗余設(shè)計(jì)和故障隔離技術(shù)，以防故障傳播，免除對(duì)其他功能電路的不利影響。

其他設(shè)計(jì)

航空插座與母板間的弱、小信號(hào)與強(qiáng)、大信號(hào)線分開走線；模塊上元器件布置盡可能緊湊，減少布線尤其是高頻總線的長度；采用高可靠性的針形印制電路板插座；進(jìn)行印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)置鏡像地和電源，減小地環(huán)流；高速時(shí)鐘信號(hào)盡量在同一印制板層走線；盡量減小印制板的過孔；相鄰兩信號(hào)層盡量避免平行走線；對(duì)于開關(guān)量輸入和輸出電路進(jìn)行必要的處理，開關(guān)量輸入和輸出電路的地線分開布置；電子控制器內(nèi)部各個(gè)電路的電源采用隔離的DC/DC變換器，內(nèi)部電路走線在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)工作時(shí)采用各個(gè)功能電路分區(qū)進(jìn)行走線。

點(diǎn)火系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

相較于其他發(fā)動(dòng)機(jī)，艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置輸出電壓較大、頻率較高，電源輸入按GJB181B要求，高壓輸出端口與電源輸入端口重疊會(huì)發(fā)生電磁耦合，影響供電品質(zhì)，增加了電子控制器的防浪涌設(shè)計(jì)難度。

為最大限度地減少高壓放電信號(hào)對(duì)電源的干擾，避免發(fā)生電磁耦合現(xiàn)象，將點(diǎn)火裝置電源輸入與高壓輸出分布在產(chǎn)品殼體對(duì)應(yīng)兩側(cè)，通電時(shí)工作電流呈正向傳遞，不迂回重疊；另外也使輸入、輸出插座距離最大化，最大限度地減少高壓放電信號(hào)對(duì)電源的干擾，有利于產(chǎn)品電磁兼容性的設(shè)計(jì)。

從提升供電品質(zhì)的角度看，需要重新設(shè)計(jì)濾波電路，在靠近點(diǎn)火裝置的電源輸入端上增加濾波電路，選用穩(wěn)壓器件，提升電源品質(zhì)。同時(shí)，采用屏蔽性能更好的連接器，輸入輸出線纜采用屏蔽防護(hù)。此外，還須考慮防雷設(shè)計(jì)。

傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理不同，艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器分為鉑電阻溫度類傳感器、壓力類傳感器、熱電偶（集電環(huán)）、轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)傳感器、角位移傳感器、離子火焰探測(cè)器、信號(hào)器類傳感器等，不同類型傳感器相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也有所區(qū)別。

鉑電阻溫度類、轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)傳感器、角位移傳感器、離子火焰探測(cè)器等傳感器自身工作電流為毫安級(jí)直流電流，電磁發(fā)射量微小。此類傳感器采用全金屬外殼，將內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境隔離，傳感器直接接觸外界環(huán)境的不同零件殼體間采用熔焊焊接，可盡可能地降低表面接觸電阻。選用屏蔽性能好的導(dǎo)線、連接器和尾部附件，根據(jù)以往的試驗(yàn)結(jié)果，傳感器能滿足艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁兼容性要求。

壓力類傳感器采用金屬外殼密封設(shè)計(jì)，將內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境隔離，傳感器直接接觸外界環(huán)境的不同零件殼體間的焊接應(yīng)盡可能地降低表面接觸電阻。

熱電偶（集電環(huán)）采用金屬外殼密封設(shè)計(jì)，將內(nèi)部環(huán)境與外界環(huán)境隔離，熱電偶直接接觸外界環(huán)境的不同零件殼體間采用熔焊焊接，能盡可能地降低表面接觸電阻，具有較好的電磁屏蔽作用。集電環(huán)用于信號(hào)傳輸?shù)难a(bǔ)償導(dǎo)線外無電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，本身的電磁屏蔽能力較差。熱電偶選用接線柱作為信號(hào)輸出方式，集電環(huán)選用接線片的信號(hào)輸入方式，接線柱和接線片金屬本體完全暴露在電磁環(huán)境下，在進(jìn)行電磁考核時(shí)，會(huì)存在信號(hào)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。需考慮對(duì)熱電偶和集電環(huán)的連接方式做屏蔽處理，同時(shí)對(duì)集電環(huán)進(jìn)行屏蔽防護(hù)。

信號(hào)器類傳感器都是開關(guān)量，產(chǎn)品內(nèi)部無電子元器件，產(chǎn)品內(nèi)部無受電子干擾的元器件，也沒有向外發(fā)射電磁的元器件，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和摸底試驗(yàn)結(jié)果，信號(hào)器類能滿足艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁兼容性要求。

結(jié)束語

為滿足艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁兼容性要求，提高控制系統(tǒng)的電磁兼容能力和復(fù)雜電磁環(huán)境條件下的工作可靠性，除了上述優(yōu)化改進(jìn)措施，還需要進(jìn)一步深化飛發(fā)控協(xié)調(diào)，統(tǒng)籌采取電磁兼容措施。根據(jù)艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)要求，針對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)曝露的問題和更加嚴(yán)酷的電磁兼容設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按信號(hào)回路進(jìn)行分析，分層分級(jí)分類實(shí)現(xiàn)更加系統(tǒng)化的電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)。