民用飛機音頻系統靜電效應仿真

夏大旺

【摘要】 在民用飛機的研制期間，飛機試飛過程中出現過數次地空通信失效現象。經過一系列的分析及試驗，確認地空通信失敗可能是因為飛機在穿越云層時，音頻控制板所在的音頻通信系統產生靜電效應所引起。本文根據民用飛機內部音頻系統分布及特性建立模型，根據模型仿真結果建立等效電路進行計算，最后提出故障解決方法。

【關鍵字】 民用飛機 通信失效 音頻系統 靜電效應

一、引言

靜電效應通常是由于物體內部電子受到外部作用時從物體的一部分轉移到另一部分或者從一個物體轉移到另一個物體引起的，此時得到電子的部分或者物體帶負電，失去電子的部分或者物體帶正電，當這種電子轉移累積到一定程度，并在合適的情況下便產生靜電效應。飛機穿過云層所發生的靜電效應主要是因為飛機飛行過程中機體與云層發生摩擦導致電子轉移而引起。

二、飛機音頻系統模型建立

2.1 音頻系統組成及架構

民用飛機的音頻系統主要以無線電接口裝置（RIU）和音頻控制板（ACP）為核心，能夠對導航系統、通信系統、內話系統、旅客廣播系統進行語音處理和控制的系統。如圖1所示，音頻系統主要包括兩套無線電接口裝置、三塊音頻控制板、三塊音頻插孔板以及駕駛員話筒耳機等外圍設備。音頻系統可提供以下功能：

a） 提供導航系統和通信系統音頻信息；

b） 為機組提供語音告警信息；

c） 為內話系統、旅客廣播系統提供選擇控制；

d）提供應急情況下地空語音通信功能；

e）為駕駛艙語音記錄器提供音頻輸入源。

2.2 系統模型建立

對于建立仿真模型來說，完全按照當前飛機的外形和內部結構建立模型是很困難的，同時也是不明智的。本節將根據音頻系統所在位置的電氣特性，使用計算機輔助設計（CAD）科學建立其仿真模型。

對于民用飛機來說，機體采用的是金屬蒙皮，整個機身都為等勢體。飛機的客艙、電子電氣設備艙、駕駛艙、前起落架艙等之間都有金屬板隔開，且該金屬板都與機體直接相連，所以這些金屬板與機體也為等勢體。由于音頻控制板、無線電接口裝置均位于駕駛艙，所以在建立模型時，只使用駕駛艙結構 [1]。

與駕駛艙建模相似，音頻控制板和音頻插孔板存在較多的細小結構，但是這些結構對于靜電仿真影響較小，所以在建模過程中只保留其主體結構，此處不再贅述。

三、音頻系統靜電效應仿真

飛機發生故障架次飛機與其它未發生該類型故障架次飛機構型略有不同，主要區別在于音頻插孔板的位置的更改。

系統采用的ANSYS/EMAG軟件進行靜電效應仿真[2]。云層電量設置為10庫侖，云層與飛機之間的垂直距離為50米，飛機速度為150米每秒，仿真距離為200米。圖2給出飛機在原始位置時音頻系統靜電效應隨飛行距離的變化所產生的電壓示意圖，圖3給出飛機在更改后位置時音頻系統靜電效應隨飛行距離的變化所產生的電壓示意圖。

從圖2和圖3中可以看出，更改位置后音頻控制板與音頻插孔板之間的靜電效應電壓差要遠遠大于原始位置下靜電效應電壓差。由于兩者之間依靠導線導通，較大的電壓差勢必造成較大的放電電流。從電磁學考慮，飛機在穿過大量帶電云層時，靜電效應不斷累積，最終將超過音頻控制板與音頻插孔板抗噪能力，導致音頻系統發生故障。

根據上述分析可知，若能夠使音頻控制板與音頻插孔板積累的電荷在發生靜電效應后迅速泄放掉，可以顯著減少音頻系統受靜電效應影響。為了使二者在發生靜電效應時能夠迅速泄放電流，對發生故障的構型飛機工程上采取了改善設備等電位搭接的方式解決音頻系統靜電效應問題，其搭接導體選用了較小長寬比的搭接件，以保證更好的搭接效果，之后故障未再發生。

四、結論

民用飛機對機載設備的體積和重量具有嚴格的要求，相對于地面設備，其內部空間小，設備安裝位置集中且繁多，各種信號互有干擾，因此對于設備的靜電效應的防護提出了更高的要求。本文從工程實際問題出發，通過分析原因、建立模型、仿真結果、得出結論的方法解決民用飛機研制過程中音頻系統失效問題，為飛機研制積累了寶貴經驗。

參 考 文 獻

[1] 王濤. 電磁場計算中的時域有限差分法的研究[D]. 吉林大學， 2005.

[2] 劉尚合， 周萬珍， 孫秋紅. 靜電放電電磁脈沖理論建模與作用機理研究進展[J]. 河北科技大學學報， 2005， （2）：87-92.