電氣系統閃電間接效應設計與驗證技術(shù)研究論文
引言
根據歷史統計數據及分析研究結果，飛機平均每飛行1000～20000小時(shí)，會(huì )被閃電擊中一次。一旦被閃電直接擊中，飛機結構上會(huì )產(chǎn)生數百千安培的電流，使得飛機內部電磁環(huán)境發(fā)生變化，對系統/設備的關(guān)鍵功能會(huì )產(chǎn)生干擾甚至有可能損壞設備，進(jìn)而可能引發(fā)災難性事故，這對于民用飛機來(lái)說(shuō)是不可接受的。因此，電氣和電子系統閃電防護非常重要，在FAA、EASA和CAAC等適航當局頒布的第25部《運輸類(lèi)飛機適航標準》中，條款25.1316明確提出了電氣和電子系統應滿(mǎn)足閃電防護的要求。針對該適航條款，RTCADO-160G提供了設備對條款25.1316要求的符合性方法，SAE ARP 5413提供了系統對條款25.1316要求的符合性方法，其中針對A級系統（執行SAE ARP 4754中定義FDAL為A級的功能），閃電防護設計和驗證的要求是非常嚴格的。
閃電間接效應主要是通過(guò)電纜耦合或者電勢差的方式進(jìn)入設備內部，損壞或干擾電子設備，進(jìn)而影響系統的正常工作。在考慮閃電間接效應的防護時(shí)，可采用兩級防護：①電纜防護設計；②設備內部過(guò)壓保護。在進(jìn)行閃電防護設計前，應先確認飛機不同區域的閃電干擾形式和等級，再進(jìn)行閃電防護設計，并對需求進(jìn)行試驗驗證。
1 閃電防護相關(guān)條款
在中國民用航空局CAAC頒布的CCAR-25-R4《運輸類(lèi)飛機適航標準》中，條款第25.1316條提出了系統閃電防護要求，內容如下：
�。�1）對于其功能失效會(huì )影響或妨礙飛機繼續安全飛行和著(zhù)陸的每種電氣、電子系統的設計和安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環(huán)境時(shí)，執行這些功能的系統的工作與工作能力不受不利影響；
�。�2）對于其功能失效會(huì )影響或造成降低飛機能力或飛行機組處理不利運行條件能力的各種電氣和電子系統的設計與安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環(huán)境之后能及時(shí)恢復這些功能；
�。�3）必須按照遭遇嚴重閃電環(huán)境來(lái)表明對于本條（a）和（b）的閃電防護準則的符合性。申請人必須通過(guò)下列辦法來(lái)設計并驗證飛機電氣/電子系統對閃電影響的防護能力：
�、� 確定飛機的閃擊區；
�、� 建立閃擊區的外部閃電環(huán)境；
�、� 建立內部環(huán)境；
�、芘卸ū仨殱M(mǎn)足本條要求的所有電子電氣系統及其在飛機上或飛機內的位置；
�、荽_定系統對內部和外部閃電環(huán)境的敏感度；
�、拊O計防護措施；
�、� 驗證防護措施的充分性。
其中，子條款（a）明確要求，在閃電環(huán)境中，FDAL為A級的功能不能受到干擾，子條款（b）則要求FDAL為B級或C級的功能受到干擾后能及時(shí)恢復即可，而對FDAL為D級或E級的功能則沒(méi)有明確要求。
針對子條款（c）中提出的驗證要求，美國汽車(chē)工程師學(xué)會(huì )SAE發(fā)布的ARP5413《飛機電子/電氣系統閃電間接效應的適航》提供了電子電氣系統閃電防護的通用適航流程的指導，ARP 5416《飛機閃電試驗方法》則提供了電子電氣系統閃電間接效應的系統級試驗方法，美國航空無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì )RTCA發(fā)布的DO-160G《機載設備環(huán)境條件和試驗程序》第22章則提供了機載設備閃電間接效應的設備級試驗方法。
2 需求的確定
在確定閃電間接效應的需求之前，首先要在早期飛機主體結構設計時(shí)，完成對飛機閃電分區的建立，然后根據不同波形的閃電電流在各區域間的流動(dòng)路徑，建立飛機不同區域的內部閃電環(huán)境，包括通過(guò)孔隙耦合和結構IR電壓兩種機理在交聯(lián)電纜和設備接口處感應出不同波形的電壓和電流。
在電纜或設備接口處引起的不同波形的開(kāi)路電壓（Voc）和短路電流（Isc）可用于定義系統/設備的閃電間接效應需求。
如圖1所示，在需求確認階段，可以通過(guò)分析評估飛機各區域的內部閃電環(huán)境，確定各區域交聯(lián)電纜的瞬態(tài)控制等級TCL，再疊加一定的裕度得到各區域的設備瞬態(tài)設計等級ETDL，即為系統/設備的閃電間接效應需求。
真實(shí)瞬態(tài)等級ATL是指當閃電擊中飛機時(shí)，在不同區域內的交聯(lián)電纜上形成的真實(shí)電壓和電流，該等級需要通過(guò)飛機級的'閃電試驗進(jìn)行確定。根據美國民航局FAA發(fā)布的AC20-136A，設備瞬態(tài)設計等級ETDL應大于真實(shí)瞬態(tài)等級ATL的兩倍，而真實(shí)瞬態(tài)等級ATL應不大于瞬態(tài)控制等級TCL，因此，在確認設備瞬態(tài)設計等級ETDL時(shí)，可以取為瞬態(tài)控制等級TCL的兩倍，同時(shí)對結構屏蔽設計也應提出要求，確保真實(shí)瞬態(tài)等級ATL不大于瞬態(tài)控制等級TCL。
3 閃電防護措施
完整的電子/電氣系統包括了設備和交聯(lián)電纜，而復雜系統的設備和電纜會(huì )分布在飛機上多個(gè)區域，閃電環(huán)境也有所區別。在考慮閃電防護設計時(shí)，針對閃電間接效應孔隙耦合和結構IR電壓的兩種機理，在飛機/系統層面，對交聯(lián)電纜可采取屏蔽措施，在設備層面，則需要在設備內部電路板層級做好閃電防護。
3.1 電纜屏蔽防護
非屏蔽的導線(xiàn)暴露在閃電環(huán)境中，會(huì )在設備接口處引起高電壓或電流。為了保護電子電氣系統免受閃電間接效應的影響，需要根據區域TCL和ETDL對導線(xiàn)進(jìn)行相應的屏蔽保護設計，如圖2所示。
導線(xiàn)的屏蔽層形式包括導管式、編織式和纏繞式等，綜合考慮重量和屏蔽性能，在飛機上主要選用編織式的屏蔽層，即屏蔽編織套。屏蔽層與飛機結構要構成屏蔽回路，這樣才能將閃電的電流釋放，從而達到閃電防護的作用。定義屏蔽層的轉移阻抗Zt，屏蔽層的電流為IShield，則在導線(xiàn)上引起的電壓為
�。�1）
轉移阻抗越低，在導線(xiàn)上引起的電壓就越小，因此，編織套應具有較高的光學(xué)覆蓋率（如不能低于85%）、較粗的編織金屬絲以及電阻率較小的金屬材料等。需要注意的是，雖然屏蔽層的電流越大，在導線(xiàn)上引起的電壓越大，但是實(shí)際上低阻抗的屏蔽回路使得閃電電流幾乎完全流經(jīng)屏蔽層，再根據公式（1）間接作用到內部電路，相對于閃電能量直接作用在內部電路，經(jīng)過(guò)屏蔽層的間接作用能夠達到更大的衰減。因此，屏蔽通路的阻抗應盡量小。
屏蔽層在兩端都要與連接器的尾線(xiàn)夾進(jìn)行端接，有360°和Pigtail兩種端接形式，由于Pigtail會(huì )引入額外的電感，會(huì )降低屏蔽性能，所以應盡量選用360°端接。尾線(xiàn)夾與連接器以及連接器與設備殼體要進(jìn)行良好的面搭接。設備殼體要搭接到飛機結構，包括線(xiàn)搭接和面搭接兩種搭接形式，其中，面搭接可以確保搭接阻抗足夠小，是首要選擇，對于那些沒(méi)法采用面搭接的運動(dòng)設備，才會(huì )選用線(xiàn)搭接，選用的搭接線(xiàn)應盡量短且較粗。
另一方面，由于飛機上各區域的閃電環(huán)境是不相同的，如圖2中，設備A安裝在環(huán)境較好的閃電保護區，而設備B安裝在環(huán)境較差的閃電暴露區，此時(shí)，需要對閃電環(huán)境隔離進(jìn)行特殊考慮。在閃電暴露區的TCL和ETDL相對閃電保護區要高很多，一般在閃電保護區采用屏蔽導線(xiàn)可以達到閃電防護的作用，但在閃電暴露區則還需要在屏蔽導線(xiàn)外再增加一層屏蔽編織套，從而達到兩級屏蔽衰減的效果。為了防止閃電暴露區的高電壓或電流串入閃電保護區，屏蔽編織套應該搭接到這兩個(gè)區域邊界附件的結構（一般搭接在暴露區的結構上），可以采用線(xiàn)搭接（Pigtail）或者分離面（360°，面搭接）的形式，從而在閃電暴露區和閃電保護區形成獨立的屏蔽回路，實(shí)現閃電環(huán)境的隔離。
通過(guò)電纜屏蔽的設計，閃電間接效應產(chǎn)生的高電壓和電流會(huì )被限制在屏蔽回路中，限制了作用至設備接口處的電壓，從保障系統和設備的功能可以在閃電環(huán)境下正常運行。
3.2 設備接口防護
在電纜屏蔽對閃電防護的基礎上，還要在設備內部進(jìn)行閃電防護設計，防止串入設備接口處的閃電高電壓或電流損壞設備。目前，在民用飛機電子設備上采用的閃電防護手段主要有兩類(lèi)，電路隔離設計和閃電防護器件。
電路隔離設計要求構成電路回路的兩端設備都進(jìn)行隔離設計，設備內部需要設計與飛機結構地相隔離的電源作為電路回路的工作電源。對于交流設備，電源隔離可以通過(guò)變壓器直接實(shí)現；但對于直流供電設備，則需要設計開(kāi)關(guān)電源來(lái)提供隔離電源。
閃電防護器件是一種簡(jiǎn)單而有效的防護設計，包括氣體放電管、壓敏電阻和瞬態(tài)二極管。由于瞬態(tài)二極管的響應時(shí)間能達到10-12s的級別，普遍使用在民用飛機電子設備上，如圖3所示。
由于閃電間接效應產(chǎn)生的電壓具有正負極性的特征，所以設計時(shí)應使用雙向瞬態(tài)二極管或者使用兩個(gè)單向瞬態(tài)二極管進(jìn)行雙向布置。選用瞬態(tài)二極管時(shí)，應考慮如下幾點(diǎn)：
根據設備ETDL規定的閃電插針電平/電流，確定瞬態(tài)二極管的功率，該功率應擁有一定裕度；
瞬態(tài)二極管的額定反向關(guān)斷電壓應大于后端電路的最大工作電壓，確保TVS不影響后端電路的正常工作；
瞬態(tài)二極管的最大鉗位電壓應小于后端被保護電路的損壞電壓；
如圖3所示，瞬態(tài)二極管與針腳之間可以設計一個(gè)電阻，在該電阻不影響后端電路正常工作的前提下，可以降低瞬態(tài)二極管的實(shí)際工作功率，增強閃電保護。
4 試驗驗證技術(shù)
針對電纜屏蔽防護和設備接口防護，有系統級和設備級的閃電間接效應試驗，SAE ARP 5416提供了系統級閃電試驗的要求和方法，DO-160G的第22章規定了設備級的閃電電纜束試驗和閃電插針注入試驗要求和方法。其中，閃電電纜束試驗為功能敏感性試驗，要求試驗過(guò)程中，系統/設備的功能不能受到干擾且設備不被損壞，主要驗證電纜屏蔽的性能，包括系統級試驗和設備級試驗；閃電插針注入試驗為損傷評估試驗，要求試驗后設備不能被損壞，主要在設備級驗證設備內部接口防護設計的性能。
對于閃電電纜束試驗，要分別依次進(jìn)行設備級和系統級的試驗驗證，試驗的方法和要求上有所區別，如表1所列。
在設計設備級的閃電電纜束試驗時(shí)，由于采用的是單線(xiàn)束或者單設備注入，考慮設備本身的功能受擾能否被監控到即可。
在設計系統級的閃電電纜束試驗時(shí)，要以系統功能是否受擾為基本出發(fā)點(diǎn)，如條款25.1316所述，著(zhù)重要考慮A/B/C級功能，其中A級功能在試驗過(guò)程中不能出現失效狀態(tài)；B/C級功能可以出現失效但要及時(shí)恢復，如果出現失效則要對及時(shí)恢復性進(jìn)行詳細的定量分析。對于系統級試驗，首先要考慮系統功能失效狀態(tài)涉及的電纜集合或者設備集合，然后要按照這些集合對集合中的電纜或設備采用同時(shí)注入的方法。而對于可能會(huì )出現的功能失效，要設計相應的監控手段，包括從讀取系統多個(gè)設備的狀態(tài)或者引入獨立于系統的傳感器進(jìn)行監控，使用這些數據要能夠準確且有效地判斷出系統功能失效。
在系統級試驗中，對于系統所包含設備以外的交聯(lián)設備，如果涉及系統A級功能，應盡量使用取證構型的真件；如果涉及系統B/C級，可以使用與取證構型等效的仿真負載，但是必須進(jìn)行分析說(shuō)明。試驗電纜也要與飛機取證構型電纜一致，尤其是電纜成束、導線(xiàn)的長(cháng)度、材料和直徑、屏蔽層設計、屏蔽層端接、連接器和尾線(xiàn)夾等關(guān)鍵因素要與飛機電纜一致。
通過(guò)設備級和系統級的閃電電纜束試驗以及閃電插針試驗，可以驗證系統/設備的閃電防護設計能夠滿(mǎn)足ETDL的需求。另外，還需要通過(guò)飛機級閃電試驗驗證ETDL大于真實(shí)瞬態(tài)等級ATL的兩倍，最終符合條款25.1316。
5 結束語(yǔ)
本文介紹了民用飛機電氣和電子系統閃電防護適航條款，詳細闡述了閃電防護需求確定的過(guò)程、飛機詳細設計階段閃電防護的設計措施以及在飛機試制階段閃電需求的驗證方法。文中闡述的是對條款25.1316的一般通用符合性方法，實(shí)際上FAA、EASA以及CAAC等不同適航當局的要求不完全一樣，此時(shí)申請人需要制定方案，提前與適航當局進(jìn)行討論，確保局方能夠認可對條款25.1316的符合性方法。
1.[課題項目] 本工作受到上海市浦江人才計劃項目的資助，課題編號15PJ1433900。
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