設備閃電間接效應試驗指標研究

摘 要：隨著復合材料、全權限發動機控制技術、集成模塊化航電等先進技術的大量應用，民用飛機對閃電間接效應防護的要求也越來越高。閃電間接效應防護的關鍵是閃電防護需求的確定和閃電防護指標的制定。該文從適航指標到需求確定，乃至閃電間接效應防護指標預估進行了研究，用于飛機設計初期在缺乏試驗數據和分析條件下的閃電間接效應防護設計開展。雖然此方法獲得的結果不能完全與實際狀態一致，但簡單有效，仍不失一個好方法。

關鍵詞：閃電間接效應 試驗電平 防護指標

中圖分類號：V267文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0008-02

民用飛機在飛行過程中遭遇閃電的事件時有報到。據有關資料介紹，每架客機平均每年大約遭遇4～5次不同程度雷擊現象。根據作用機制和產生的后果，閃電效應可分為兩類：閃電直接效應和閃電間接效應。閃電間接效應是指當飛機遭到閃電后，外部閃電通過電磁耦合在設備接口上的產生的感應電流和電壓，當其超過設備的敏感電平時就可能造成設備損壞或功能受擾，甚至于危及飛機的持續安全飛行和著陸。

閃電間接效應防護設計的基礎之一是設備閃電防護指標的確定。指標制定的準確與否決定了飛機設計后期更少的設計更改和更好的經濟性。

1 設計需求

閃電間接效應防護設計需求來自于適航條款和客戶的需求。需求的正確、完整與否是機載電子、電氣設備防護指標準確確定的前提；不同安全性等級功能的系統/設備所對應防護設計要求不同，指標也不同。

基于適航要求，飛機閃電防護需求如下：

a）飛機應被保護免受SAEARP 5412A[1]所述閃電環境而引起災難性影響；

b）機載關鍵、重要系統、設備應符合FAR25.1316[2]要求，免受閃電間接效應影響。

上述需求分解到系統/設備，分析FAR25.1316Amendment25-134[3]可知，OEM應通過合理的系統、線纜設計和安裝確保關鍵（LevelA）系統中的關鍵功能在飛機遭遇閃電期間和之后不受到任何不利影響，重要/主要的功能可以受到不利影響，但應在閃電環境過后能夠及時的自動恢復；重要/主要（LevelB/LevelC）系統的重要/主要功能可以受到不利影響，但應在閃電環境過后及時恢復；D、E級功能無適航要求。

結合AC20-136B[4]，適航需求分解到設備：A級設備瞬態設計電平（ETDL）應比實際瞬態電平（ATL）大一倍，即至少6dB安全余量；B、C級設備的ETDL應不小于ATL。

2 指標制定

根據DO-160G[5]，設備閃電間接效應防護指標包含兩類3個試驗，每個試驗要求由1位字母和數字組成。其中，字母代表波形組類型，數字代表防護電平等級，實例見圖1。

兩類試驗分別為：

插針試驗，屬于損傷容限試驗，用于檢驗設備耐受閃電環境而不發生永久損壞的能力；

單擊、多擊和多脈沖試驗，屬于功能受擾試驗，用于檢驗設備耐受閃電環境而不發生功能受擾的能力；

閃電具有頻率低、幅值大、持續時間短特點，耦合性質為磁場耦合，耦合方式分兩類：結構IR阻抗耦合和開口耦合，由設備安裝區域結構特性（材料類型、結構開口/縫隙的大小和位置），及互聯電纜敷設路徑的電磁防護特性決定。不同的耦合方式和線纜屏蔽特性，感應在設備和互聯線纜上的閃電波形類別不同，對設備功能干擾形式也不同（如表1）。

開口耦合適用于機身外部或內部具有較大電磁開口區域，或雖安裝在電磁保護區但存在線纜與電磁開放區設備相接的設備。阻抗耦合適用于CFC區域或未良好搭接金屬結構區域的設備，此時導線將暴露在以波形5A或波形4為代表的再分布閃電電流（長波電流）下。

試驗類別確定是防護指標確定的第一步，第二步是確定試驗等級，每一等級適用的電磁環境狀態見表2。

實際指標制定時，除考慮表2所列因素外還需考慮設備安全性等級。A級設備應具有6dB安全余量；B、C級設備由于無安全余量要求，指標可在A級設備基礎上降一等級；D、E級設備無適航要求只有經濟性要求，可根據波音、空客習慣只作插針試驗，且試驗等級比B、C要求再低一等級，用于確保設備不會因為閃電而頻繁損壞。

插針試驗電平與電纜束試驗電平可不同，單擊/多擊和多脈沖組試驗電平也可不一致。由于插針試驗信號直接注入線芯，未考慮導線屏蔽作用，為提高安全性建議A級設備線纜束試驗等級比插針試驗高一等級。

3 波形及試驗方法的適用性

不同波形適用于不同試驗方法，只有正確的選擇試驗方法才可確保試驗的有效性，試驗波形與試驗方法的對應關系見表3。

電簡單設備可采用絕緣耐壓試驗或高電壓（Hi-pot）試驗代替插針注入試驗。電簡單設備必須是無源設備，沒有EMI濾波器、瞬態抑制器，或其它通過機殼地與飛機結構相連的類似電路元件，如：作動器、線性可變差分互感器（LVDTs）、速度傳感器等。絕緣耐壓試驗電平應至少為規定的閃電試驗電平的峰值。當待測針腳有偏置電壓時，絕緣耐壓試驗電平應是閃電試驗電平疊加偏置電壓。

電纜束試驗盡管也具有損傷容限測試能力，但其不能代替插針試驗。電纜束試驗干擾通過電流互感器加注在一束導線上，單根導線上感應的干擾小于插針試驗的電平，因此電纜束試驗比插針試驗更容易通過。

4 結語

由于機上線纜敷設的環境復雜，實際敷設的互聯線纜可能經過不同的電磁防護區，因此實際線纜上感應的波形和電平與預估電平可能存在一定的差異，尤其是復材環境下。但在飛機設計初期，在缺乏試驗數據和計算分析的條件下基于上述定義確定防護設計指標對于實際設計仍具有指導性意義，但最終的試驗電平還應通過后續研發試驗進行不斷的修訂和更新。

參考文獻

[1]SAE ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms.

[2]CCAR/FAR 25，Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes.

[3]FAR 25.1316 Amendment 25-134，Airworthiness Standards； Electrical and Electronic System Lightning Protection.

[4]AC 20-136B，Protection of Aircraft Electrical/Electronic Systems Against the Indirect Effects of Lightning.

[5]DO-160G，RTCA Document DO-160 versions D，E，F，and G， “Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment”.