電氣系統(tǒng)閃電間接效應(yīng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)研究論文
引言
根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及分析研究結(jié)果，飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)上會(huì)產(chǎn)生數(shù)百千安培的電流，使得飛機(jī)內(nèi)部電磁環(huán)境發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)/設(shè)備的關(guān)鍵功能會(huì)產(chǎn)生干擾甚至有可能損壞設(shè)備，進(jìn)而可能引發(fā)災(zāi)難性事故，這對(duì)于民用飛機(jī)來說是不可接受的。因此，電氣和電子系統(tǒng)閃電防護(hù)非常重要，在FAA、EASA和CAAC等適航當(dāng)局頒布的第25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中，條款25.1316明確提出了電氣和電子系統(tǒng)應(yīng)滿足閃電防護(hù)的要求。針對(duì)該適航條款，RTCADO-160G提供了設(shè)備對(duì)條款25.1316要求的符合性方法，SAE ARP 5413提供了系統(tǒng)對(duì)條款25.1316要求的符合性方法，其中針對(duì)A級(jí)系統(tǒng)（執(zhí)行SAE ARP 4754中定義FDAL為A級(jí)的功能），閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的要求是非常嚴(yán)格的。
閃電間接效應(yīng)主要是通過電纜耦合或者電勢(shì)差的方式進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，損壞或干擾電子設(shè)備，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常工作。在考慮閃電間接效應(yīng)的防護(hù)時(shí)，可采用兩級(jí)防護(hù)：①電纜防護(hù)設(shè)計(jì)；②設(shè)備內(nèi)部過壓保護(hù)。在進(jìn)行閃電防護(hù)設(shè)計(jì)前，應(yīng)先確認(rèn)飛機(jī)不同區(qū)域的閃電干擾形式和等級(jí)，再進(jìn)行閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)需求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
1 閃電防護(hù)相關(guān)條款
在中國(guó)民用航空局CAAC頒布的CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中，條款第25.1316條提出了系統(tǒng)閃電防護(hù)要求，內(nèi)容如下：
�。�1）對(duì)于其功能失效會(huì)影響或妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸的每種電氣、電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝，必須保證在飛機(jī)遭遇閃電環(huán)境時(shí)，執(zhí)行這些功能的系統(tǒng)的工作與工作能力不受不利影響；
�。�2）對(duì)于其功能失效會(huì)影響或造成降低飛機(jī)能力或飛行機(jī)組處理不利運(yùn)行條件能力的各種電氣和電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝，必須保證在飛機(jī)遭遇閃電環(huán)境之后能及時(shí)恢復(fù)這些功能；
（3）必須按照遭遇嚴(yán)重閃電環(huán)境來表明對(duì)于本條（a）和（b）的閃電防護(hù)準(zhǔn)則的符合性。申請(qǐng)人必須通過下列辦法來設(shè)計(jì)并驗(yàn)證飛機(jī)電氣/電子系統(tǒng)對(duì)閃電影響的防護(hù)能力：
① 確定飛機(jī)的閃擊區(qū)；
�、� 建立閃擊區(qū)的外部閃電環(huán)境；
③ 建立內(nèi)部環(huán)境；
④判定必須滿足本條要求的所有電子電氣系統(tǒng)及其在飛機(jī)上或飛機(jī)內(nèi)的位置；
�、荽_定系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部和外部閃電環(huán)境的敏感度；
�、拊O(shè)計(jì)防護(hù)措施；
⑦ 驗(yàn)證防護(hù)措施的充分性。
其中，子條款（a）明確要求，在閃電環(huán)境中，F(xiàn)DAL為A級(jí)的功能不能受到干擾，子條款（b）則要求FDAL為B級(jí)或C級(jí)的功能受到干擾后能及時(shí)恢復(fù)即可，而對(duì)FDAL為D級(jí)或E級(jí)的功能則沒有明確要求。
針對(duì)子條款（c）中提出的驗(yàn)證要求，美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE發(fā)布的ARP5413《飛機(jī)電子/電氣系統(tǒng)閃電間接效應(yīng)的適航》提供了電子電氣系統(tǒng)閃電防護(hù)的通用適航流程的指導(dǎo)，ARP 5416《飛機(jī)閃電試驗(yàn)方法》則提供了電子電氣系統(tǒng)閃電間接效應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)方法，美國(guó)航空無線電技術(shù)委員會(huì)RTCA發(fā)布的DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》第22章則提供了機(jī)載設(shè)備閃電間接效應(yīng)的設(shè)備級(jí)試驗(yàn)方法。
2 需求的確定
在確定閃電間接效應(yīng)的需求之前，首先要在早期飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，完成對(duì)飛機(jī)閃電分區(qū)的建立，然后根據(jù)不同波形的閃電電流在各區(qū)域間的流動(dòng)路徑，建立飛機(jī)不同區(qū)域的內(nèi)部閃電環(huán)境，包括通過孔隙耦合和結(jié)構(gòu)IR電壓兩種機(jī)理在交聯(lián)電纜和設(shè)備接口處感應(yīng)出不同波形的電壓和電流。
在電纜或設(shè)備接口處引起的不同波形的開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）可用于定義系統(tǒng)/設(shè)備的閃電間接效應(yīng)需求。
如圖1所示，在需求確認(rèn)階段，可以通過分析評(píng)估飛機(jī)各區(qū)域的內(nèi)部閃電環(huán)境，確定各區(qū)域交聯(lián)電纜的瞬態(tài)控制等級(jí)TCL，再疊加一定的裕度得到各區(qū)域的設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)等級(jí)ETDL，即為系統(tǒng)/設(shè)備的閃電間接效應(yīng)需求。
真實(shí)瞬態(tài)等級(jí)ATL是指當(dāng)閃電擊中飛機(jī)時(shí)，在不同區(qū)域內(nèi)的交聯(lián)電纜上形成的真實(shí)電壓和電流，該等級(jí)需要通過飛機(jī)級(jí)的'閃電試驗(yàn)進(jìn)行確定。根據(jù)美國(guó)民航局FAA發(fā)布的AC20-136A，設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)等級(jí)ETDL應(yīng)大于真實(shí)瞬態(tài)等級(jí)ATL的兩倍，而真實(shí)瞬態(tài)等級(jí)ATL應(yīng)不大于瞬態(tài)控制等級(jí)TCL，因此，在確認(rèn)設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)等級(jí)ETDL時(shí)，可以取為瞬態(tài)控制等級(jí)TCL的兩倍，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)也應(yīng)提出要求，確保真實(shí)瞬態(tài)等級(jí)ATL不大于瞬態(tài)控制等級(jí)TCL。
3 閃電防護(hù)措施
完整的電子/電氣系統(tǒng)包括了設(shè)備和交聯(lián)電纜，而復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)備和電纜會(huì)分布在飛機(jī)上多個(gè)區(qū)域，閃電環(huán)境也有所區(qū)別。在考慮閃電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)閃電間接效應(yīng)孔隙耦合和結(jié)構(gòu)IR電壓的兩種機(jī)理，在飛機(jī)/系統(tǒng)層面，對(duì)交聯(lián)電纜可采取屏蔽措施，在設(shè)備層面，則需要在設(shè)備內(nèi)部電路板層級(jí)做好閃電防護(hù)。
3.1 電纜屏蔽防護(hù)
非屏蔽的導(dǎo)線暴露在閃電環(huán)境中，會(huì)在設(shè)備接口處引起高電壓或電流。為了保護(hù)電子電氣系統(tǒng)免受閃電間接效應(yīng)的影響，需要根據(jù)區(qū)域TCL和ETDL對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行相應(yīng)的屏蔽保護(hù)設(shè)計(jì)，如圖2所示。
導(dǎo)線的屏蔽層形式包括導(dǎo)管式、編織式和纏繞式等，綜合考慮重量和屏蔽性能，在飛機(jī)上主要選用編織式的屏蔽層，即屏蔽編織套。屏蔽層與飛機(jī)結(jié)構(gòu)要構(gòu)成屏蔽回路，這樣才能將閃電的電流釋放，從而達(dá)到閃電防護(hù)的作用。定義屏蔽層的轉(zhuǎn)移阻抗Zt，屏蔽層的電流為IShield，則在導(dǎo)線上引起的電壓為
（1）
轉(zhuǎn)移阻抗越低，在導(dǎo)線上引起的電壓就越小，因此，編織套應(yīng)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(dǎo)線上引起的電壓越大，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(jù)公式（1）間接作用到內(nèi)部電路，相對(duì)于閃電能量直接作用在內(nèi)部電路，經(jīng)過屏蔽層的間接作用能夠達(dá)到更大的衰減。因此，屏蔽通路的阻抗應(yīng)盡量小。
屏蔽層在兩端都要與連接器的尾線夾進(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(yīng)盡量選用360°端接。尾線夾與連接器以及連接器與設(shè)備殼體要進(jìn)行良好的面搭接。設(shè)備殼體要搭接到飛機(jī)結(jié)構(gòu)，包括線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(duì)于那些沒法采用面搭接的運(yùn)動(dòng)設(shè)備，才會(huì)選用線搭接，選用的搭接線應(yīng)盡量短且較粗。
另一方面，由于飛機(jī)上各區(qū)域的閃電環(huán)境是不相同的，如圖2中，設(shè)備A安裝在環(huán)境較好的閃電保護(hù)區(qū)，而設(shè)備B安裝在環(huán)境較差的閃電暴露區(qū)，此時(shí)，需要對(duì)閃電環(huán)境隔離進(jìn)行特殊考慮。在閃電暴露區(qū)的TCL和ETDL相對(duì)閃電保護(hù)區(qū)要高很多，一般在閃電保護(hù)區(qū)采用屏蔽導(dǎo)線可以達(dá)到閃電防護(hù)的作用，但在閃電暴露區(qū)則還需要在屏蔽導(dǎo)線外再增加一層屏蔽編織套，從而達(dá)到兩級(jí)屏蔽衰減的效果。為了防止閃電暴露區(qū)的高電壓或電流串入閃電保護(hù)區(qū)，屏蔽編織套應(yīng)該搭接到這兩個(gè)區(qū)域邊界附件的結(jié)構(gòu)（一般搭接在暴露區(qū)的結(jié)構(gòu)上），可以采用線搭接（Pigtail）或者分離面（360°，面搭接）的形式，從而在閃電暴露區(qū)和閃電保護(hù)區(qū)形成獨(dú)立的屏蔽回路，實(shí)現(xiàn)閃電環(huán)境的隔離。
通過電纜屏蔽的設(shè)計(jì)，閃電間接效應(yīng)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(shè)備接口處的電壓，從保障系統(tǒng)和設(shè)備的功能可以在閃電環(huán)境下正常運(yùn)行。
3.2 設(shè)備接口防護(hù)
在電纜屏蔽對(duì)閃電防護(hù)的基礎(chǔ)上，還要在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，防止串入設(shè)備接口處的閃電高電壓或電流損壞設(shè)備。目前，在民用飛機(jī)電子設(shè)備上采用的閃電防護(hù)手段主要有兩類，電路隔離設(shè)計(jì)和閃電防護(hù)器件。
電路隔離設(shè)計(jì)要求構(gòu)成電路回路的兩端設(shè)備都進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，設(shè)備內(nèi)部需要設(shè)計(jì)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)地相隔離的電源作為電路回路的工作電源。對(duì)于交流設(shè)備，電源隔離可以通過變壓器直接實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于直流供電設(shè)備，則需要設(shè)計(jì)開關(guān)電源來提供隔離電源。
閃電防護(hù)器件是一種簡(jiǎn)單而有效的防護(hù)設(shè)計(jì)，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(yīng)時(shí)間能達(dá)到10-12s的級(jí)別，普遍使用在民用飛機(jī)電子設(shè)備上，如圖3所示。
由于閃電間接效應(yīng)產(chǎn)生的電壓具有正負(fù)極性的特征，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：
根據(jù)設(shè)備ETDL規(guī)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(yīng)擁有一定裕度；
瞬態(tài)二極管的額定反向關(guān)斷電壓應(yīng)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(yīng)小于后端被保護(hù)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(shè)計(jì)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(qiáng)閃電保護(hù)。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)
針對(duì)電纜屏蔽防護(hù)和設(shè)備接口防護(hù)，有系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)的閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)，SAE ARP 5416提供了系統(tǒng)級(jí)閃電試驗(yàn)的要求和方法，DO-160G的第22章規(guī)定了設(shè)備級(jí)的閃電電纜束試驗(yàn)和閃電插針注入試驗(yàn)要求和方法。其中，閃電電纜束試驗(yàn)為功能敏感性試驗(yàn)，要求試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)/設(shè)備的功能不能受到干擾且設(shè)備不被損壞，主要驗(yàn)證電纜屏蔽的性能，包括系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)和設(shè)備級(jí)試驗(yàn)；閃電插針注入試驗(yàn)為損傷評(píng)估試驗(yàn)，要求試驗(yàn)后設(shè)備不能被損壞，主要在設(shè)備級(jí)驗(yàn)證設(shè)備內(nèi)部接口防護(hù)設(shè)計(jì)的性能。
對(duì)于閃電電纜束試驗(yàn)，要分別依次進(jìn)行設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)的方法和要求上有所區(qū)別，如表1所列。
在設(shè)計(jì)設(shè)備級(jí)的閃電電纜束試驗(yàn)時(shí)，由于采用的是單線束或者單設(shè)備注入，考慮設(shè)備本身的功能受擾能否被監(jiān)控到即可。
在設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)的閃電電纜束試驗(yàn)時(shí)，要以系統(tǒng)功能是否受擾為基本出發(fā)點(diǎn)，如條款25.1316所述，著重要考慮A/B/C級(jí)功能，其中A級(jí)功能在試驗(yàn)過程中不能出現(xiàn)失效狀態(tài)；B/C級(jí)功能可以出現(xiàn)失效但要及時(shí)恢復(fù)，如果出現(xiàn)失效則要對(duì)及時(shí)恢復(fù)性進(jìn)行詳細(xì)的定量分析。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，首先要考慮系統(tǒng)功能失效狀態(tài)涉及的電纜集合或者設(shè)備集合，然后要按照這些集合對(duì)集合中的電纜或設(shè)備采用同時(shí)注入的方法。而對(duì)于可能會(huì)出現(xiàn)的功能失效，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控手段，包括從讀取系統(tǒng)多個(gè)設(shè)備的狀態(tài)或者引入獨(dú)立于系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行監(jiān)控，使用這些數(shù)據(jù)要能夠準(zhǔn)確且有效地判斷出系統(tǒng)功能失效。
在系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)中，對(duì)于系統(tǒng)所包含設(shè)備以外的交聯(lián)設(shè)備，如果涉及系統(tǒng)A級(jí)功能，應(yīng)盡量使用取證構(gòu)型的真件；如果涉及系統(tǒng)B/C級(jí)，可以使用與取證構(gòu)型等效的仿真負(fù)載，但是必須進(jìn)行分析說明。試驗(yàn)電纜也要與飛機(jī)取證構(gòu)型電纜一致，尤其是電纜成束、導(dǎo)線的長(zhǎng)度、材料和直徑、屏蔽層設(shè)計(jì)、屏蔽層端接、連接器和尾線夾等關(guān)鍵因素要與飛機(jī)電纜一致。
通過設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的閃電電纜束試驗(yàn)以及閃電插針試驗(yàn)，可以驗(yàn)證系統(tǒng)/設(shè)備的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)能夠滿足ETDL的需求。另外，還需要通過飛機(jī)級(jí)閃電試驗(yàn)驗(yàn)證ETDL大于真實(shí)瞬態(tài)等級(jí)ATL的兩倍，最終符合條款25.1316。
5 結(jié)束語
本文介紹了民用飛機(jī)電氣和電子系統(tǒng)閃電防護(hù)適航條款，詳細(xì)闡述了閃電防護(hù)需求確定的過程、飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段閃電防護(hù)的設(shè)計(jì)措施以及在飛機(jī)試制階段閃電需求的驗(yàn)證方法。文中闡述的是對(duì)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(dāng)局的要求不完全一樣，此時(shí)申請(qǐng)人需要制定方案，提前與適航當(dāng)局進(jìn)行討論，確保局方能夠認(rèn)可對(duì)條款25.1316的符合性方法。
1.[課題項(xiàng)目] 本工作受到上海市浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目的資助，課題編號(hào)15PJ1433900。
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