航空電子設備間接雷電防護設計概述

摘 要：隨著航空電子設備的大規模應用，飛機遭受間接雷擊所產生的后果日益凸顯。本文從雷電的產生講到飛機遭受雷擊的全過程，并根據間接雷擊的特點，提出了間接雷擊的設計要求、設計原則、設計方法。

關鍵詞：雷電；瞬態敏感性；防護設計

引言

雷電是自然界中比較常見的自然現象，它對飛行安全存在巨大威脅，近年來雷電防護已經成為航空器設計中必須考慮的重要因素，然而雷電的特性復雜多變，給設計帶來諸多困難。對于航空電子設備來說，間接雷擊是其主要考慮的因素，本文主要針對航空電子設備的間接雷擊防護展開論述。

1 雷電是如何產生的

大氣層中不同濕度、不同密度、不同溫度的氣流互相摩擦運動，產生我們熟悉的雷電。當云層和大地之間或云層和云層之間電場強度大于1000kv/m時，空氣會被電離，在它們中間形成一條導電的等離子體氣流通道，這個通道的長度可達到數千米以上甚至更長，濕度極高的氣體通過巨大的電流，會使通道上的氣體快速膨脹，并產生耀眼的閃電和震耳欲聾的雷聲。目前有關飛機雷電防護方面的研究主要以云-地雷電為主。其放電電流波形如圖1所示。

2 飛機遭受雷擊的危害及過程

2.1 飛機遭受雷擊的危害

雷電產生的能量能夠達到幾百焦耳，其電流變化率高達到100A/us。隨著大規模集成電路和數字設備的飛速發展，雷擊成為影響飛行安全的一項重要原因。通常使飛機遭受災難性事故只需要百萬分之一焦耳的能量。因此在最近幾十年來由于雷擊所造成的災難性事故時有發生，例如，1969年，美國阿波羅宇宙飛船在發射過程中被雷擊擊中，造成7名宇航員全部遇難。1988年，一架客機在越南曼谷上空遭受雷擊，共有76人遇難，又如，1996年，在多美尼加，一架波音757客機遭雷擊，13名機組人員和176名乘客無一生還。

據統計平均每天發生約800萬次閃電，過去五十多年中年發生過十幾起由于雷擊引起災難性事故，至少七百多人遇難。因此在民用航空器上防雷擊設計已經作為一種強制要求。

2.2 飛機遭受雷擊的過程

為了更好的對雷電危害進行防護，首先需要了解飛機遭受雷電襲擊時的過程及特點，如圖2所示。

飛機遭雷擊的過程：雷電是自然界中比較長見的自然現象，由于受到溫度、濕度、氣壓等條件的影響、飛機每次遭受雷擊的情況都不盡相同，但人們通過大量的試驗總結出了飛機遭受雷擊的基本過程。

（1）附著過程：當飛機進入雷電區域時，飛機各突出部位逼近階躍先導使其附近空氣電離而產生閃流，飛機極端處會成為初始附著點，例如，空速管、機翼末端、平尾末端、垂尾末端。飛機每次被雷擊中，至少會有兩個或者兩個以上的附著點。

（2）掃描閃擊過程：雷電通道形成后，通常是穩定的，此時如果飛機進入雷電通路，飛機就成為雷電泄放通路的一部分。由于飛機高速飛行，飛機則與雷電通路形成相對運動，這就相當于雷電通路從前往后沿飛機表面掠過，這個過程就叫做掃描閃擊過程。

（3）回擊過程：與大地不同，飛機機體不能存儲雷電泄放的大量電能，因此，雷電會在飛機的另一些些附著點放電，最終將電荷泄放到大地，在這個過程中通常會出現電流沿著相同的路徑返回到飛機，我們稱這種現象為回擊。

（4）重復放電過程：放電路徑形成后，另外一些帶電云層會沿著相同的一條路徑反復放電，這就是雷電的重復放電過程。

飛機遭受雷擊通?？煞譃閮煞N情況：直接雷擊、間接雷擊。

直接雷擊是帶電云層直接釋放電荷所產生的超高電流、超高電壓直接作用于飛機機體的過程，與之相對的是間接雷擊，間接雷擊是直接雷擊放電過程同時產生的，通過電磁感應間接作用于飛機機體，又將電磁能量轉化為電流、電壓，二次作用于飛機機體的過程。這兩種雷擊特點不同，對于在飛機不同部位的不同設備，需要區別對待。例如，位于飛機突出部位的設備應主要考慮直接雷擊效應的影響，而位于飛機蒙皮內部的電子設備則應主要考慮間接雷擊效應的影響。

本文主要探討航空電子設備遭受間接雷擊的防護設計。

間接雷擊防護的目標為：

遭受間接雷電效應后，不能夠造成電子設備的物理損壞；遭受間接雷電效應后，不能夠造成威脅到飛機和機上人員安全的影響、或者造成嚴重影響飛行任務的影響。

3 間接雷擊防護的設計方法

在開始雷電防護設計前應先了解幾個概念：

實際瞬態電平（ATL）：指間接雷電效應在電子設備端口處實際產生的瞬態電平。

瞬態控制電平（TCL）：指飛機總體設計者分配給飛機線路設計者用于指導線路設計的指標。

機載設備瞬態設計電平（ETDL）：指飛機總體設計者分配給航空電子設備設計者，用于控制電子設備所采用的電路類型或所采用的電路保護方式的設計指標，這個指標同時也是對設備進行合格審定試驗時的試驗電平。

敏感度電平：指會導致對電子設備產生干擾，或導致設備失效的瞬態電平。航空電子設備設計者應保證所生產的設備的敏感度電平高于指定的設備瞬態設計電平。

ETDL電平應比TCL電平高出一定余度，一般情況ETDL至少應高于TCL 6 dB。飛機系統中ATL、TCL與ETDL之間關系如圖3所示。

飛機的雷電防護應從系統的角度出發，一方面應該通過優化布局、增加屏蔽、改變傳輸介質等手段降低瞬態控制電平，即降低系統對設備的雷電防護等級要求。另一方面，應通過優化雷電防護電路提高設備瞬態設計電平，以加大防護裕度。只有兩方面均達到最優狀態，才能獲得盡可能高的安全防護等級。

3.1 雷擊區域劃分

3.2 飛機級間接雷電防護設計原則

飛機級間接雷電防護主要應該考慮如何降低瞬態控制電平TCL，為雷電防護爭取更大的裕度。

a.完成同一功能的不同設備間采用獨立非相似軟、硬件，布置在飛機的不同位置，采用不同的線束鋪設，同一數據可采用不同的數據源；b.設備間采用盡可能短的電纜連接；c.設備間采用屏蔽電纜傳輸電信號；d.設備與飛機主結構之間采用可靠的搭鐵線連接；e.極易受到干擾的高頻、高速信號采用光纜代替電纜傳輸。

3.3 設備級間接雷電防護設計原則

設備級間接雷電防護主要應該考慮如何提高設備瞬態設計電平ETDL，為雷電防護爭取更大的裕度。

a.針對LRU接口特點設計瞬態電壓抑制電路；如電源接口、數字信號接口、模擬信號接口、離散量信號接口等等；b.采用良好的搭接、接地、屏蔽、濾波等方法。

3.4 設備級雷電防護的設計步驟

本文主要針對設備級雷電防護展開討論，設計的主要流程如下：

a.從飛機制造商那里獲得設備瞬態設計電平要求（即與防雷相關的頂層要求）；b.參照DO-160環境標準中雷電相關準則，確定設備需要通過的試驗類型和等級；c.存在異議的需求應與飛機制造商進行溝通，確定最終要求；d.進行雷電防護總體設計（機箱結構、電路防護）；e.機箱結構設計主要考慮機箱外形、材料、電磁屏蔽、所處位置等因素對箱內電路產生的影響；f.電路防護主要考慮屏蔽、接地、接口電路特性等因素；g.最終進行試驗驗證。

3.5 詳細設計流程

雷電防護的詳細設計應考慮結構和電路兩方面內容，在總體設計中融入兩方面的設計考慮：

結構設計方面：

a.盡量選取具有電磁屏蔽效能的材料作為機箱外殼；b.盡量將機箱設計成封閉結構；c.盡量減少機箱突出物；d.盡量將機箱布置在遠離開口處、遠離外蒙皮、遠離飛機突出部分的位置；e.提供與飛機主結構良好的搭接。

電路設計方面：

a.將不同種類的輸入輸出信號進行分類；b.確定待保護電路的最高耐壓；c.確定雷擊等級，計算出瞬態功率；d.選擇合適的雷電防護器件；e.確保保護電路的最高殘壓小于被保護電路的最高耐壓；f.提供良好的雷電泄放通道。

3.6 間接雷電防護電路基本要求

a.快速響應：能以最快的速度泄放電流；b.性能可靠：長期使用后，尤其是多次遭受雷擊后，保護能力沒有明顯變化；c.保護得力：能夠在設計范圍內，將過電壓控制在后級能夠承受的范圍之內；d.良好兼容：雷電防護電路的存在，不能影響系統正常運行。

4 結束語

雷電防護設計是一個涉及到多個專業的系統工程，目前國內在航空電子設備間接雷電的防護方面還有很大差距，在民用飛機適航取證過程中，雷擊防護是一個不可回避的問題。因此，還需在這方面投入更大的精力。文章中的一些觀點吸收了前人的經驗并結合本人在雷電防護設計過程中總結的一些經驗，望批評指正。

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作者簡介：李然（1979-），男，漢族，河南洛陽人，在讀碩士研究生，工程師，主要研究方向為識別與跟蹤技術。