飛控系統閃電間接效應的防護設計

葉繼海，金 平，韓 冰

（上海飛機設計研究院 上海 201210）

現代先進民用飛機設計中逐漸大量的采用復合材料來代替金屬材料，減少飛機重量的同時也極大的降低了機體對外部電磁環境的屏蔽效能。同時，伴隨著電子技術的快速發展，越來越多的復雜機載電子設備正日益廣泛的應用到飛機上，以取代傳統的機械式儀表和操縱系統。而其中由復雜電子硬件構成的非相似多余度電傳飛控系統，更是作為飛機發展的一個重要里程碑，普遍被現代民用飛機所采用。

飛控系統作為飛機飛行安全的關鍵系統，經歷了從常規機械操縱系統——帶機械備份的電傳系統——全數字電傳系統的發展階段，極大的改善了飛機的飛行品質，提高了飛機的安全性指標，并減輕了飛行員的工作負擔。然而也正是隨著數字計算機和控制設備的廣泛應用，使人們更加意識到閃電間接效應可能帶來的災難性危害。

上世紀70年代，一批來自FAA和NASA等機構的航空界工程師們對如何評估機載電子設備對閃電間接效應敏感性的測試方法展開了研究，并提出了一種瞬態分析技術[1]，開創了通過試驗驗證電子設備的瞬態設計水平（ETDL）是否可以耐受實際瞬態水平（ATL）的方法。航空無線電技術委員會（RTCA）和美國汽車工程師協會（SAE）等航空組織也相繼推出了一系列的標準以指導如何進行閃電間接效應試驗[2-3]。

1 閃電間接效應的基本特性

閃電是一種非常復雜的自然現象，其對飛機的影響可以分為直接效應和間接效應兩部分。直接效應，顧名思義是指閃電直接作用于飛機上，造成結構的熔蝕、變形等，當作用于動力燃油裝置時甚至會引起燃燒、爆炸等災難性后果。而閃電間接效應是指由于飛機遭遇閃電時，在飛機電子電氣設備接口處產生的干擾電壓/電流，及其所造成的設備永久性損壞或功能故障現象。研究表明閃電過程可以簡化建模為4個波形分量，如圖1。正是這些波形與飛機結構的相互作用使得內部電纜和設備感應到了電壓和電流瞬態[4]。

圖1 閃電波形建模Fig.1 Lightning waveform modeling

圖1中，分量A表征了飛機遭遇閃電時產生的初始回擊，其幅度可達幾百kA，該分量是整個閃電過程中能量最大，影響最主要的部分；分量B用來表征由分量A衰減到分量C過程中的過渡波形，幅值約為幾十kA；分量C表征了流經閃電通道上的電流，持續時間可達幾毫秒，幅值約為幾百A。分量D表征閃電在飛機上產生的二次回擊，峰值電流為幾十kA。

閃電的間接效應通常以共模干擾的方式影響機載電子系統，雖然實際中應用的數字電傳系統都包含多個余度備份，但是由閃電引起的大能量電磁干擾可能也會同時出現在所有備份的通道上，并對備份系統造成同樣的損害，使之失去備份的作用，如圖2。出于應用和分析的目的，通常可以將閃電間接效應的耦合機制概括成孔隙耦合和阻抗耦合兩大類。

1.1 孔隙耦合

只要飛機結構不是完全電磁屏蔽的，就會有電磁波滲透進來，或者通過對結構的穿透，或者通過孔隙的二次發射，如駕駛艙的風擋，窗戶以及口蓋縫隙等。其中以初始回擊波形分量A的影響最為主要，它通過磁場的方式滲入機體內部，并在內部回路電纜上耦合出感應電流，定義為測試波形 1（6.4/70μs）[3]。

圖2 閃電作用方式Fig.2 The effect of lightning

穿過孔隙的波形分量A以內部電場方式引起的導線與機體之間的感應電壓定義為測試波形2（0.1/6.4μs），其是一個雙指數導數波形。

由于不同的電纜長度和參數，穿透到飛機內部的電場/磁場會在電纜上激勵出諧振現象，并形成阻尼振蕩波形，頻率范圍在1 MHz到10 MHz。定義為測試波形3。

1.2 阻抗耦合

廣義而言，通過孔隙耦合屬于高頻機理，因為孔隙尺寸相對較小，限制了低頻電磁場的傳播，而通過阻抗耦合和結構擴散的方式耦合屬于低頻機理。其感應電壓值為電纜兩接地端之間的結構IR電壓和由導電材料場擴散產生的電壓總和。

閃電電流流過機體結構，在機內電子電路兩端產生結構IR電壓，對于金屬結構，結構IR電壓值很小；而對于碳纖維等復合材料結構，結構IR電壓值很大，從而導致機內設備線束及導線上感應的瞬態電壓幅值很大。此種方式的感應與閃電電流分量A直接相關，使用測試波形4（6.4/70（s）來定義。該瞬態波形也會出現在帶屏蔽層的電纜上，通過屏蔽層形成回路電流，并由屏蔽層和電纜之間的傳遞阻抗感應到電纜上。

對于直接在飛機結構上雙端接地的低阻抗電纜，由于線纜的電感相對于結構通道較高，使得波形分量A上升下降沿變緩，根據結構材料的不同，分別定義鋁結構的測試波形為5 A（40/120 μs），碳纖維等復合材料的測試波形為5B（50/500 μs）。

此外，機外安裝的電子電氣部件或金屬結構部件，通過貫穿導體與機內結構連接，因此可能將閃電電流直接引入到機體內部，如天線、航行燈的連接導線，或者機械系統的鋼索、管路等。

1.3 間接效應的評估測試技術

根據民用飛機適航標準FAA 25/CAAC 25.1306條款要求，可以將對閃電間接效應的驗證分解成以下幾個不同的任務：

1）確定飛機外的電流和電磁場強度和波形。

2）確定機身結構上的IR電壓和內部電磁場。

3）確定飛機線路對上述電壓和電磁場的響應，即確定線路上感應的電壓和電流。

4）確定電氣設備對感應電壓和電流的響應，即判斷電路是受干擾還是損壞。

5）設計并協調防護措施。

6）在試驗室進行試驗，證明設備對閃電的防護能力。

其中前4項任務是為了確定實際瞬態水平ATL，通常可以通過借鑒已有相似機型數據或者通過全機級的仿真計算來得到，得到ATL之后，才能知道要設計滿足何種等級標準的設備。也即確定設備瞬態設計水平ETDL。完成了設備的設計和研發之后，根據瞬態控制水平TCL的等級要求和測試標準（DO-160）進行試驗室試驗，以驗證設備是否能夠滿足設計要求[2]，如圖 3所示。

圖3 閃電評估方式Fig.3 Qualification method of lightning

類似于其他電磁防護技術，飛控系統對閃電間接效應的防護可以從屏蔽、接地、接口保護等方面來設計，此外優化的全機布線方式和特定的系統架構設計也能進一步提供對閃電間接效應的防護。

2 飛控系統接口保護電路設計實例

對由于閃電間接效應引起的瞬態浪涌電壓/電流的接口保護電路的原理是將串入電子設備電源線、信號線上的瞬時過電壓通過瞬態保護器件（TPD），將大電流泄放入地，并嵌位接口處的電壓在設備所能承受的范圍之內，從而保護電子設備免遭高壓，大電流的損壞[5]。

常用的瞬態保護器件有氣體放電管，壓敏電阻，瞬變抑制二極管（TVS），扼流線圈等。實際應用中，通常可以將幾種保護器件混合使用，以提供更有效的保護，如圖4所示。但要注意一般能量較高的器件應靠近瞬態浪涌進入的端口，能量較低的器件靠近敏感設備處，且兩者之間需要相距一定的距離或者串聯電阻，以保證第一級的高能保護器件能夠導通。因為高能器件通常響應時間較長，嵌位性能也不如后者穩定。

圖4 常用接口保護電路Fig.4 Common interface circuit design

設備級的瞬態保護器件首選TVS，因為其體積小，精度高，響應速度快，對閃電間接效應等產生的瞬態浪涌有很好的抑制效果，但考慮到一旦TVS被擊穿而失效后，可能造成該支路永久短路，即使在沒有瞬態干擾下也無法獲取真實的傳感器信號，造成誤操作。因此在使用TVS器件時必須要考慮其失效后所造成的可能影響。此時，可以采取兩種措施來進一步保護電路的功能正常，其一是從電路設計上進行改進，如圖5所示。通過D1、D2二極管的單向導通作用，使得TVS在電路正常工作期間與主干路隔離，而一旦有正/負極性的瞬態浪涌進入，則會導通某一支路上的二極管，從而將TVS連入電路，吸收瞬態干擾。

圖5 改進的接口保護電路Fig.5 Improved interface circuit design

其二可以從信號邏輯和軟件程序上進行設計，比如設計信號的工作邏輯如表1所示，可以看到由于TVS失效引起的短路，使得信號電平拉低到1 V以下時，計算機即會認為該支路出現故障，不使用其信號作為有效輸入。

表1 針對閃電瞬態的邏輯設計Tab.1 Logic design against lightning transient

3 飛控系統設備安裝和布線

飛控電子設備及其互聯電纜應盡量安裝在由閃電電流引起的電磁場較小的區域。飛控電子計算機等主要控制設備盡量安放在屏蔽的設備艙，如電子/電氣設備艙、貨艙、后設備艙及前附件艙，且遠離門、窗、口蓋等開口；互聯電纜的布置應遠離外蒙皮，尤其是飛機機頭等曲率半徑小，閃電電流密度大的區域；對于安裝在駕駛艙、起落架艙、機翼前后緣、吊掛和發動機短艙等電磁相對開放區域的設備和電纜，必須依靠機箱和線束屏蔽來提供額外的防護[6]。

通常而言，磁場對機載設備的干擾要遠大于電場，因為普通的鋁制結構能夠很好的提供對電場的屏蔽，相比而言，磁場更容易穿透鋁制結構，通過電路回路感應到設備端口。因此在布置電磁暴露區的飛控系統互聯線束時應盡可能靠近接地平面或金屬結構件敷設，以減少穿過回路與參考面之間的磁通量，如圖6所示。標號為3位置上的線纜，磁場穿過線纜和參考面之間的通量最大，也是最差的布線位置；標號為1位置的線纜，磁通量最小，是最佳的布線位置。

圖6 優化的布線方式Fig.6 Optimum wiring of interaction cables

此外在敷設飛控電纜時應注意與非敏感導線的隔離，因為有些非敏感導線如航行燈或標志燈的導線，從非屏蔽區域進入機身或其他屏蔽空間，將攜帶很大的閃電感應電流和電壓，如果這些導線與飛控系統的線束并行敷設，則閃電感應能量會耦合到飛控系統的敏感線束中。

無論是接口保護電路的設計還是電纜束屏蔽層的端接，都需要以良好可靠的搭接和接地技術來實現。一般要求飛控設備的對地搭接電阻小于2.5毫歐，且應使用下列接地技術來有效的隔離閃電電流：

1）在嚴酷的閃電耦合區域（如機翼前后緣、起落架艙等）敷設的電纜束，應使用屏蔽編制套，且屏蔽層多點接地。接地點間隔約為其終端設備最高響應頻率波長的1/20，但每個接地點之間的距離最好有所差異，以避免在線纜上產生諧振；

2）電纜束的屏蔽層在連接器處應以360°方法端接到設備連接器后殼，連接器的兩個配合表面在配合時應有良好的RF搭接。不應用屏蔽引線（pig-tail）來接地；

3）屏蔽線束從閃電暴露區域（例如機翼、起落架艙）進入機身等屏蔽區域時，其線束總屏蔽層也應以360°方式在分離面處端接，而不能穿過分離面進入機身屏蔽區。

4 系統架構考慮

在系統級，閃電間接效應防護技術是在該系統冗余部件之間使用非相似設計[7]。在所有情況下，一個系統組件的失效絕不能對該系統功能有不利影響。為達到上述目的，可采用如下方法：

1）非相似硬件、軟件架構；

2）不同數據源輸入；

3）不同的航線可更換設備（LRU）布置在不同的位置，不同的導線敷設路線和長度，避免通道間和組件間的信號公共點或路徑；

4）采用平衡差分線及遠端負載浮地的設計方式，如圖7。

圖7 遠端負載浮地設計Fig.7 Remote load isolated design

5 結束語

文中從現代先進民用飛機的特點出發，闡述了由于電傳飛控系統和復合機身材料的廣泛應用，使得閃電間接效應的影響愈發受到重視。通過分析閃電間接效應的基本特性，給出了不同試驗波形的耦合機制，和對電傳飛控系統的影響方式。最后分別從接口保護電路設計、屏蔽和接地、布線方式以及系統架構等方面論述了在電傳飛控系統設計中如何有效的對閃電間接效應進行防護。

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[3]Aircraft Lightning Test Methods[S].SAE/ARP5416，2005.

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[5]McCreary C A，Lail B A.Lightning transient suppression circuit design for avionics equipment[C]//Electromagnetic Compatibility （EMC）， 2012 IEEE International Symposium on.IEEE，2012:93-98.

[6]王天順，雷虹，李鋒，等.飛機雷電防護設計與鑒定試驗[J].飛機設計，2009，29（5）:54-59.

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