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        某型教練機(jī)測(cè)試改裝中電磁兼容控制與防護(hù)

        2023-06-08 06:25:51葉錫濤
        機(jī)電信息 2023年11期
        關(guān)鍵詞:電磁兼容電磁干擾

        摘要:某型教練機(jī)測(cè)試改裝完成后,在做全機(jī)全系統(tǒng)電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題,現(xiàn)針對(duì)這一問(wèn)題的分析和解決過(guò)程進(jìn)行闡述,并結(jié)合實(shí)際測(cè)試改裝工作,介紹電磁干擾的來(lái)源及其控制與防護(hù)方法。

        關(guān)鍵詞:飛機(jī)測(cè)試改裝;電磁干擾;電磁兼容

        中圖分類(lèi)號(hào):V217;TN03? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號(hào):1671-0797(2023)11-0074-03

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.020

        0? ? 引言

        飛機(jī)測(cè)試改裝是飛行試驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),涉及在試驗(yàn)機(jī)上加裝各型傳感器、信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)記錄器等測(cè)試改裝設(shè)備,以及按照試飛任務(wù)要求對(duì)試驗(yàn)機(jī)的飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等進(jìn)行測(cè)試改裝,測(cè)試改裝組成示意圖如圖1所示。

        隨著我國(guó)航空工業(yè)的迅猛發(fā)展,大量電氣設(shè)備取代了原有的機(jī)械儀表,應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備的各個(gè)領(lǐng)域。而機(jī)載設(shè)備工作環(huán)境具有狹小空間中電氣設(shè)備安裝密集,線纜敷設(shè)集中,電磁頻譜覆蓋范圍廣,受干擾因素多等特點(diǎn)[1]。各種機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility,EMC)對(duì)飛機(jī)的性能有著直接影響,甚至直接關(guān)系到飛機(jī)的試飛安全。

        在實(shí)際測(cè)試改裝過(guò)程中,加裝的線纜或經(jīng)過(guò)改裝的原機(jī)線纜與試驗(yàn)機(jī)原機(jī)線纜和機(jī)載設(shè)備之間存在著復(fù)雜的電氣或電磁交聯(lián),從而使試驗(yàn)機(jī)的原機(jī)線纜和機(jī)載設(shè)備受電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)影響的問(wèn)題特別突出[2-3]。此外,測(cè)試改裝設(shè)備除了本身應(yīng)達(dá)到各項(xiàng)電磁兼容技術(shù)要求外,還應(yīng)確保其不成為其他設(shè)備的干擾源,亦不被其他設(shè)備所干擾,實(shí)現(xiàn)與全機(jī)全系統(tǒng)的電磁兼容,從而滿(mǎn)足后續(xù)試飛任務(wù)。

        1? ? 問(wèn)題的背景

        某型教練機(jī)為執(zhí)行某產(chǎn)品的鑒定試飛任務(wù),對(duì)機(jī)上相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試改裝,主要加裝了姿態(tài)傳感器、大氣總溫傳感器、GPS天線、GPS采編器、信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)記錄器等機(jī)載測(cè)試改裝設(shè)備,改裝完成后做全機(jī)電磁兼容性試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)各測(cè)試改裝設(shè)備均工作正常,但試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)與地面指揮塔臺(tái)間的無(wú)線電通信受到干擾,機(jī)上其余設(shè)備工作正常,具體故障現(xiàn)象表現(xiàn)為機(jī)上電臺(tái)主頻點(diǎn)持續(xù)或間歇性噪聲。測(cè)試改裝設(shè)備連接示意圖如圖2所示。

        經(jīng)初步分析,認(rèn)為導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是在加裝測(cè)試改裝設(shè)備后,新增設(shè)備對(duì)試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)造成電磁干擾,從而產(chǎn)生噪聲。由于無(wú)線電通信系統(tǒng)與飛行安全密切相關(guān),在該故障排除前,絕不能進(jìn)行后續(xù)飛行試驗(yàn)。

        2? ? 問(wèn)題的解決

        為了尋找故障原因,對(duì)該試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了一系列測(cè)試,其中包括:

        (1)斷開(kāi)所有測(cè)試改裝設(shè)備電源,僅對(duì)試驗(yàn)機(jī)全機(jī)通電,試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)與指揮塔臺(tái)間的無(wú)線電通信恢復(fù)正常。因此,可判斷試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)未出現(xiàn)故障。

        (2)斷開(kāi)所有測(cè)試改裝設(shè)備電源,采用地面電源方式供電,試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)與指揮塔臺(tái)間的無(wú)線電通信依然有干擾。因此,可初步判定加裝的測(cè)試改裝設(shè)備與試驗(yàn)機(jī)存在電磁干擾。

        (3)將各個(gè)測(cè)試改裝設(shè)備逐一關(guān)閉,發(fā)現(xiàn)只有在信號(hào)采集器關(guān)閉的情況下試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)通信正常;再將各個(gè)測(cè)試改裝設(shè)備逐一打開(kāi),發(fā)現(xiàn)只有在信號(hào)采集器打開(kāi)的情況下試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)通信受到干擾。故可進(jìn)一步判定信號(hào)采集器是造成電磁干擾的主要原因。

        (4)用頻譜分析儀探頭多次探測(cè)信號(hào)采集器及連接線纜處的信號(hào)強(qiáng)度,如表1所示,發(fā)現(xiàn)在信號(hào)采集器供電線纜捆扎處的信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。

        (5)在制作線纜時(shí)預(yù)留長(zhǎng)度比理論需要線纜長(zhǎng)度長(zhǎng),這就造成敷設(shè)完成后有多余線纜,但此時(shí)線纜兩端已連接設(shè)備,只能進(jìn)行集束捆扎處理。隨后重新制作供電線纜,去除預(yù)留長(zhǎng)度,并根據(jù)信號(hào)類(lèi)型對(duì)線纜進(jìn)行重新敷設(shè)捆扎處理。

        (6)重復(fù)(2)(3)的測(cè)試,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)電臺(tái)與指揮塔臺(tái)間的無(wú)線電通信恢復(fù)正常。再次通過(guò)頻譜分析儀探頭多次探測(cè)信號(hào)采集器及連接線纜處的信號(hào)強(qiáng)度,如表2所示。

        對(duì)上述一系列測(cè)試的分析表明,故障是由于測(cè)試改裝設(shè)備的供電線纜產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)機(jī)載設(shè)備產(chǎn)生了干擾。因此,查找干擾源,判斷干擾傳播途徑,減少被干擾的設(shè)備,提高抗干擾能力,保證試驗(yàn)機(jī)各系統(tǒng)工作正常,是必須研究的重要課題之一。

        3? ? 測(cè)試改裝中的電磁兼容控制與防護(hù)

        電磁兼容是研究電磁干擾的問(wèn)題,通常把復(fù)雜的電磁環(huán)境分解成電磁干擾的三要素[4],即產(chǎn)生電磁干擾的干擾源、對(duì)干擾敏感的接收單元、將電磁能量由干擾源傳遞至接收單元的傳遞通道,如圖3所示。

        飛機(jī)測(cè)試改裝中的干擾源主要由機(jī)械改裝和電氣改裝兩方面組成,接收單元主要是由數(shù)字電路和放大電路等組成的電氣設(shè)備,傳遞通道有供電線纜耦合、接地線纜耦合、空間電磁波等方式,電磁兼容的控制與防護(hù)也主要集中在這些方面。

        3.1? ? 機(jī)械改裝

        機(jī)械改裝中電磁兼容的控制與防護(hù)主要涉及的是測(cè)試改裝設(shè)備安裝位置的選擇。在現(xiàn)代化的飛機(jī)上,機(jī)身各處都存在電氣設(shè)備,在安裝測(cè)試改裝設(shè)備之前進(jìn)行科學(xué)布局,可以很大程度上解決飛機(jī)改裝中電氣設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題[5]。

        例如,某些類(lèi)型的傳感器含有電磁線圈,在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射,影響試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部原有電磁環(huán)境,導(dǎo)致機(jī)載設(shè)備性能下降,甚至失靈。為防止類(lèi)似情況的發(fā)生,就需要根據(jù)實(shí)際工作情況來(lái)選擇測(cè)試改裝設(shè)備,并對(duì)所有加裝設(shè)備與擬安裝艙位的試驗(yàn)機(jī)原機(jī)設(shè)備統(tǒng)籌安排,主要考慮電磁信號(hào)的遮擋,即加裝測(cè)試改裝設(shè)備與原機(jī)設(shè)備的隔離情況,以加裝測(cè)試設(shè)備與原機(jī)設(shè)備不在同一艙位為最佳。

        此外,如果測(cè)試改裝中需要加裝天線,那么在確定天線的安裝位置時(shí),需要做好以下兩點(diǎn):

        第一,在確定天線的安裝位置,尤其是具有較大輸出功率的天線的安裝位置時(shí),應(yīng)確保發(fā)射天線在最大程度上遠(yuǎn)離接收天線,從而提高空間隔離度,避免電磁干擾。

        第二,應(yīng)盡可能將機(jī)上工作頻率相同或相近的天線相互遠(yuǎn)離,以保持足夠的距離,防止相互之間產(chǎn)生干擾。

        實(shí)踐證明,通過(guò)科學(xué)合理的布局,能夠解決大部分飛機(jī)測(cè)試改裝中電氣設(shè)備電磁兼容的問(wèn)題。

        3.2? ? 電氣改裝

        電氣改裝中的電磁干擾主要分供電線纜干擾和靜電干擾兩部分。

        3.2.1? ? 供電線纜干擾

        飛機(jī)上的電源系統(tǒng)普遍采用的是“單線制”供電方式,“單線制”就是電流從飛機(jī)發(fā)電機(jī)或二次電源的正端輸出,再經(jīng)過(guò)配電樞紐分流至不同的電氣設(shè)備,而各個(gè)電氣設(shè)備和飛機(jī)發(fā)電機(jī)或二次電源的負(fù)端都與飛機(jī)就近一端的金屬外殼相連,形成一個(gè)公共的“大地”,從而構(gòu)成完整的電源系統(tǒng)[6]。

        這種供電模式的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在不需要多次重復(fù)敷設(shè)供電線纜,但是也存在由供電線纜產(chǎn)生的電磁輻射影響其他電氣設(shè)備的缺陷。

        為了避免這種供電方式所引發(fā)的電磁干擾問(wèn)題,需要做好以下五點(diǎn):

        第一,要在測(cè)試改裝設(shè)備供電線纜敷設(shè)前選擇合適的敷設(shè)路徑,并將與不同供電線纜連接的設(shè)備分別做好屏蔽與接地設(shè)計(jì),設(shè)備與電源負(fù)端之間的阻抗也應(yīng)嚴(yán)格控制。

        第二,測(cè)試改裝設(shè)備應(yīng)選用橫截面積寬且長(zhǎng)度短的線纜作為供電線纜,以降低供電線纜的阻抗,減少設(shè)備供電線纜的壓降損失,同時(shí)減少供電線纜的搭接,避免因接觸不良而產(chǎn)生電磁干擾。

        第三,測(cè)試改裝設(shè)備如選用了大功率設(shè)備,則應(yīng)與其他設(shè)備進(jìn)行分開(kāi)供電,避免大功率設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)引起試驗(yàn)機(jī)電源系統(tǒng)電壓不穩(wěn),進(jìn)而影響其他設(shè)備。另外,還應(yīng)在大功率設(shè)備上加裝繼電器等“緩啟動(dòng)”裝置,將試驗(yàn)機(jī)電源系統(tǒng)受到的電涌效應(yīng)沖擊降到最低。

        第四,供電線纜與信號(hào)線纜都應(yīng)選用帶屏蔽功能的線纜,并將供電線纜與信號(hào)線纜分開(kāi)敷設(shè)。此外,還應(yīng)盡可能使用防波套將屏蔽線纜套住,使外防波套與屏蔽線纜兩端的屏蔽層相連接,保證與大地良好接觸;若加裝測(cè)試改裝設(shè)備的工作功率較小,也可選用帶屏蔽的雙絞線作為供電線纜進(jìn)行供電,從而確保供電線纜對(duì)信號(hào)線纜產(chǎn)生的電磁干擾降到最低。

        第五,在敏感度高的測(cè)試改裝設(shè)備的電源輸入端口前增加濾波器,提高其電源品質(zhì),從而減少供電線纜對(duì)設(shè)備的干擾,確保設(shè)備正常運(yùn)行。此外,在測(cè)試改裝安裝空間位置允許的情況下,可采用多電源模塊分組供電,避免大功率設(shè)備與敏感度高的測(cè)試改裝設(shè)備共用同一電源而造成電磁干擾。

        3.2.2? ? 靜電干擾

        避免靜電干擾所引發(fā)的電磁兼容問(wèn)題,主要需做好以下兩點(diǎn):

        第一,在測(cè)試改裝中使用合理的接地設(shè)計(jì)可以釋放飛機(jī)在靜電感應(yīng)中產(chǎn)生的靜電,這樣既能夠有效防止積累的靜電形成高壓而干擾設(shè)備的正常運(yùn)行,又能夠提升設(shè)備的工作穩(wěn)定性。在理想狀態(tài)下,飛機(jī)機(jī)體各個(gè)部位的電阻都應(yīng)為零。但是在實(shí)際工作中,飛機(jī)機(jī)體各個(gè)部位的電阻是不可能為零的,這就導(dǎo)致了電勢(shì)差,各個(gè)部位電阻值的差值越大就會(huì)導(dǎo)致電勢(shì)差越大,相互之間的影響也就越大。因此,良好的接地設(shè)計(jì)可以有效減小電阻,從而減小電勢(shì)差,避免積累的靜電對(duì)機(jī)載設(shè)備造成損害。

        第二,飛機(jī)構(gòu)造原理特殊,導(dǎo)致在飛行時(shí)金屬機(jī)體與空氣的高速摩擦?xí)a(chǎn)生大量的靜電積累。雖然在飛機(jī)機(jī)體的不同部位均設(shè)計(jì)有靜電釋放裝置,但飛機(jī)機(jī)體的部分區(qū)域仍然會(huì)有不能及時(shí)釋放的靜電電壓,這些電壓通過(guò)傳導(dǎo)和放電的方式最終產(chǎn)生電磁干擾。因此,測(cè)試改裝中的各條線纜和測(cè)試改裝設(shè)備都要做好絕緣處理。另外,在選擇加裝的測(cè)試改裝設(shè)備時(shí),應(yīng)盡可能選用靜電防護(hù)能力強(qiáng)的電氣設(shè)備。

        4? ? 結(jié)語(yǔ)

        隨著我國(guó)航空工業(yè)的迅猛發(fā)展,在飛機(jī)測(cè)試改裝中應(yīng)用的新技術(shù)、新設(shè)備也越來(lái)越多。如果加裝的測(cè)試改裝設(shè)備與試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部原有的電磁環(huán)境不兼容,就會(huì)造成設(shè)備故障甚至損壞,嚴(yán)重影響試飛安全。所以在飛機(jī)的測(cè)試改裝中,尤其是在測(cè)試改裝方案設(shè)計(jì)前就要充分考慮到測(cè)試改裝設(shè)備與試驗(yàn)機(jī)原有機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性。

        在完成測(cè)試改裝后,還需進(jìn)行全機(jī)全系統(tǒng)的電磁兼容性試驗(yàn),確保后續(xù)飛行試驗(yàn)的安全進(jìn)行。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 杜曉昌.機(jī)載設(shè)備的電磁干擾及電磁兼容性分析研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2015.

        [2] 白同云,呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.

        [3] 齊興昌,宋祖勛.復(fù)雜電磁環(huán)境中電磁干擾現(xiàn)象分析與解決措施[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005,2(1):81-83.

        [4] 徐鵬根.電磁兼容性原理及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1996.

        [5] 劉亞飛.飛機(jī)改裝中的電磁兼容技術(shù)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015(16):14.

        [6] 李建峰.飛機(jī)加裝機(jī)載WIFI系統(tǒng)電磁兼容性研究[J].通訊世界,2016(8):230-231.

        收稿日期:2023-02-01

        作者簡(jiǎn)介:葉錫濤(1990—),男,江西南昌人,工程師,研究方向:飛行試驗(yàn)測(cè)試改裝與遙測(cè)監(jiān)控。

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