民用飛機高強度輻射場HIRF防護適航驗證方法研究

章光燦

【摘 要】隨著飛機安全飛行與著陸對電子/電氣設備依賴性越來越強，而空間HIRF環境日益嚴酷，飛機HIRF防護設計及適航驗證也變得日益重要。本文首先比較了目前國內外適用的HIRF防護適航條款，并解析了相應適航條款。其次，根據適航咨詢通告AC20-158詳細介紹了民用飛機HIRF防護適航驗證的具體流程及試驗要求。最后介紹HIRF適航驗證過程中局方的適航審查內容及關注點。

【關鍵詞】HIRF；試驗；合格審定

【Abstract】With the safe flight and landing of aircraft becoming increasingly dependent upon the electrical/electronic equipment， and the HIRF environment becoming much more severe， it is more meaningful to do research on the airworthiness verification methods for HIRF protection. Firstly， this paper compares the airworthiness HIRF protection regulations establish by FAA， EASA and CAAC and analyzes it. Secondly， according to the Airworthiness Advisory Circular AC20-158， this paper introduces the verification procedures and test requirements for HIRF protection. Finally， it discusses the concerns which the airworthiness authorities may pay an attention to.

【Key words】HIRF； Test； Certification

0 引言

高強度輻射場（HIRF，High Intensity Radiated Fields）電磁環境是由雷達、無線電臺、廣播電視發射臺，以及其它陸基、艦載或機載射頻發射機等傳輸電磁射頻能量而產生。HIRF電磁環境有3個特點：頻率覆蓋范圍廣（10KHz～40GHz）、電場強度高（可達3000V/M）、作用時間長[1]。

早期飛機設計時并未考慮HIRF防護方面的要求。現在隨著射頻發射機的能量級別和數量的迅猛增加，HIRF環境越來越嚴酷，而現代飛機安全飛行和降落功能對電子/電氣系統依賴性越來越強，且這些系統對HIRF環境非常敏感。此外，飛機設計中低導電性復合材料的廣泛應用也同時降低了對電子/電氣系統的電磁屏蔽效能。所以，高強度電磁輻射已成為影響飛機安全性的一個重要因素。

1 HIRF防護適航條款及解析

1.1 國內外HIRF防護適航條款

美國聯邦航空局（FAA）于2007年12月1日正式頒布生效的FAR25-122修正案增加了25.1317條款提出了對HIRF防護設計要求。歐洲航空安全局（EASA）于2015年7月15日正式通過CS25部第17修正案，增加CS25.1317條款。而中國民用航空局（CAAC）在2007年開始修訂CCAR-25-R4時，就接受FAA修正案FAR25-122，將其內容納入此次修訂中，即在CCAR-25-R4中新增CCAR25.1317條款。這三個條款的具體的技術要求完全相同。

FAA在FAR25部中，要求大型運輸類飛機對于HIRF防護要求如下[2]：

（a）對于其功能失效會影響或妨礙飛機繼續安全飛行和著陸的每個電子/電氣系統必須設計和安裝，以符合以下要求：（1）當飛機暴露于HIRF環境I時及之后，其功能不會受到不利影響；（2）當飛機暴露于HIRF環境I后，系統及時地自動恢復起功能的正常運行，除非系統的這種功能恢復與該系統其他運行活功能要求相沖突；（3）當飛機暴露于HIRF環境II時及之后，系統不會受到不利影響。

（b）對于其功能失效后會嚴重降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子/電氣系統必須設計和安裝，當提供這些功能的設備暴露于HIRF設備測試水平1或2時，系統不會受到不利影響。

（c）對于其功能失效后會降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子/電氣系統必須設計和安裝，當提供這些功能的設備HIRF設備測試電平3時，系統不會受到不利影響。

1.2 HIRF防護適航條款解析

針對上述條款解析如下：

（1）條款中（a）點要求面向的是經系統安全性評估確認為A級的系統；（b）點要求面向的是經系統安全性評估確認為B級的系統；（c）點要求面向的是經系統安全性評估確認為C級的系統。

（2）條款（a）中針對A級系統試驗驗證的通過/失敗標準分成了3種情況，評判標準的選擇需結合受驗證系統的具體功能及失效狀態影響。以飛機機輪剎車控制系統為例，如經系統功能安全性分析（FHA）確定為A級系統，其相應的A級功能（人工剎車功能）有兩種失效狀況能引起飛機災難性后果：（a）著陸時完全喪失剎車功能。根據剎車系統安全性分析，飛機著陸時允許其瞬間失效并及時地自動恢復，則可以第2中情況作為評判標準。首先，條款中“及時地”的定義可根據設計確定在著陸剎車過程中允許失效的最長時間；其次，受HIRF環境影響后剎車系統必須能自動恢復100%剎車能力。（b）大于V1速度時主輪非指令剎車。根據剎車系統安全性分析，飛機起飛速度大于V1時決不能出現非指令剎車，則需根據第1中情況作為評判標準。

（3）條款中HIRF環境I、II是試驗時飛機所受外部環境，當其穿透飛機形成內部射頻環境還有一定程度的衰減。HIRF設備測試電平1、2、3指的是進行設備試驗時實驗室內施加的射頻環境。

2 飛機HIRF防護合格審定

HIRF合格審定驗證流程見圖1[3]。主要工作包括：確定待驗證的系統；確定HIRF符合性驗證方法；確定試驗使用的HIRF環境；確定待驗證系統構型；評估對HIRF合格審定要求的符合性。

2.1 確定待驗證的系統

FAA關于HIRF的規章條款和咨詢通告AC20-158要求的適航審查對象僅限于經系統安全性評估得出的A級、B級和C級電子/電氣系統。首先，對于完成不同功能等級的系統，由于HIRF的防護要求不同的，所以相應的試驗要求也不同。A級系統必需完成設備級，系統級及飛機級試驗。B級、C級只需要完成設備級試驗，但如果為增強系統的自信可進行相應的系統級試驗。其次，系統在飛行的不同階段也有不同的HIRF防護要求，防護的驗證過程需結合飛機正常的工作模式，飛行階段和工作條件。

A級系統指其執行的功能失效將妨礙飛機繼續安全飛行和著陸，可引起災難性后果，使飛行機組致命或喪失能力，并造成多名乘客死亡；B級系統指其執行的功能失效將大大降低飛機或飛行機組人員的能力，可引起危險性后果，使飛行機組處于危險狀態，工作負荷極大增加，完成任務的能力極大降低，并造成少部分乘客嚴重受傷或死亡；C級系統指其執行的功能失效會減少飛機和飛行機組人員的能力，可引起重大后果，造成飛行機組身體不適且較大的增加工作負荷，并使乘客身體極度不適或受傷。

2.2 確定HIRF符合性驗證方法

HIRF符合性驗證的一般適用方法包括：試驗驗證（設備級試驗、系統級試驗、飛機級試驗），仿真分析和相似性分析。

試驗驗證是最有效的方法，采用DO160第20章節規定的試驗程序要求進行相應的驗證，這不僅能充分反映系統在HIRF環境中的性能表現，并能及時采取正確的糾正措施。仿真分析時需要對HIRF輻射場建立完整的模型，并考慮飛機結構的耦合作用，這種方法一般用于飛機設計的前期，用來發現設計的不足之處。對于A級系統不能僅靠分析來驗證HIRF防護的符合性，還需有試驗來增強說服力。相似性分析方法的原則是原飛機/系統必須先前就已獲得HIRF合格審定認可，一般用于飛機的改進/改型。分析時因評估先前獲合格審定的飛機/系統與新飛機/系統之間的差異。如只有細微的差別，則不需要額外的試驗。如果評估后差異影響有不確定性，則應進行額外的試驗和分析。但如果發現顯著差異，相似性方法不能作為飛機/系統級驗證的基礎。

對于飛機級或復雜的系統可能需要多種驗證方法相結合才能充分表明其HIRF防護的符合性。如果是相對簡單的系統則選取一種有效的試驗方法即可。

2.3 確定試驗使用的HIRF環境

外部HIRF環境即條款中定義的HIRF環境I、II，具體的頻段及磁場強度可參閱文獻[3]。外部HIRF環境滲透入飛機后，建立飛機內部的射頻輻射場，內部的電子/電氣系統將暴露于此環境下。內部射頻輻射場的產生是一系列因素復雜互相作用的結果而不是各種因素的簡單疊加，如飛機接縫及開口，飛機內部結構和布線的再輻射，特有的飛機電氣共振特性等。

A級系統試驗的HIRF內部環境水平由HIRF環境I、II經飛機衰減后形成。但是在許多情況下，系統級試驗在飛機級試驗的評估之前完成。在這種情況下，集成系統試驗區域HIRF環境的確定應首先基于預期的飛機衰減或傳遞函數。對于B級和C級系統不要求系統級的HIRF試驗達到A級系統的相同程度，因此不需要飛機級試驗。B級系統試驗的HIRF環境可采用HIRF設備測試電平1或2，C級系統試驗的HIRF環境采用HIRF設備測試電平3。

2.4 確定待驗證系統構型

首先，試驗系統在實驗室中的安裝信息應盡量與在飛機上的安裝相似。例如，系統電子/電氣設備的搭接方式與接地，導線線規，布線方式（平行線或雙扭絞線），電氣連接器類型，電纜屏蔽和端屏蔽方式，各設備之間及與地平面的相對位置都應于裝機狀態保持一致。

其次，系統級HIRF環境試驗時應保持系統處于工作狀態，并且需試驗其所有的工作模式。系統級試驗中對于執行A級功能相關的所有電子/電氣設備都應確保是真件。如果系統中的設備與執行A及功能不相關，這些設備可用模擬負載代替，但是其必須能精確的反應電子/電氣設備的終端電路阻抗。

2.5 評估HIRF防護的符合性

檢查試驗結果，設備級試驗要求電子/電氣設備在相應等級的HIRF設備測試電平水平下符合試驗前確定的通過/失敗標準。

A級系統級試驗一般在飛機級試驗之前完成，試驗時實際的HIRF環境是基于預期的飛機衰減或傳遞函數確定。因此，待完成飛機級低電平耦合試驗確定飛機內部系統和設備線束上感應的電流及形成射頻輻射場后需與系統試驗環境等級相比較。如果實際飛機內部HIRF環境比系統試驗環境水平高，則應采取相應的糾正措施。

3 局方審查內容

在適航審定過程中，局方會全程介入第2節描述的HIRF防護試驗驗證過程中。相應審定部門對申請人所采用的HIRF防護符合性計劃和方法的評估，驗證過程的完整性和準確性，這將關系到飛機在使用過程中對HIRF環境的防護能力和相應安全性水平[4]。

在HIRF試驗驗證過程中局方審定主要包括以下幾個方面：

（a）批準申請人提交的HIRF符合性計劃，內容應包括HIRF合格審定要求，待驗證系統的確定，HIRF環境及試驗方法。

（b）批準申請人提交的HIRF防護驗證方法的實施計劃，內容包括試驗目的，被試驗飛機/系統的描述，系統構型配置，預期的試驗環境，符合性通過/失敗標準。

（c）局方需在HIRF防護驗證試驗前對待驗證系統進行制造符合性檢查，檢查內容應包含系統試驗件，數據監控設備，實驗室資質，試驗人員資質等。

（d）局方需對試驗過程進行現場目擊。

（e）批準申請人提交的試驗結果和HIRF防護符合性報告。

4 結束語

目前，我國在民航HIRF防護適航驗證工作方面還處于起步階段，對我國民航事業是一個新興工作，尤其在適航驗證技術，過程管理，實驗室建設等方面與國際水平相差巨大。學習研究國外在該領域中的政策及法規，對航空器電子/電氣系統設計，適航驗證具有相應的參考借鑒意義，以培養國內HIRF防護適航驗證技術隊伍。

【參考文獻】

[1]ARP 5583-2003， Guide to Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field（HIRF） environment[S].

[2]FAA.Federal Aviation Regulation 25. Washington D.C.：FAA，2007[Z].

[3]AC 20.158. The certification of aircraft electrical and electronic systems for operation in HIRF environment. U.S. Department of Transportation， FAA 2007（07）： 30[Z].

[4]蘇多，栗牧懷，舒小華.民用航空器HIRF防護適航驗證方法和審定政策研究[J].國際航空，2009（10）.

[責任編輯：王楠]