試驗(yàn)機(jī)改裝的電磁兼容性研究

霍新晨 張寒

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089

引言

試驗(yàn)機(jī)改裝是在試驗(yàn)機(jī)上加裝各類被試、測(cè)試系統(tǒng)，通過各個(gè)系統(tǒng)的工作去測(cè)得飛機(jī)或任務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的不斷發(fā)展，各種機(jī)載設(shè)備層出不窮，不同設(shè)備和傳感器之間的電磁兼容性能參差不齊。在改裝過程中，由于試驗(yàn)機(jī)上空間狹小，加裝各類設(shè)備繁多，電磁環(huán)境復(fù)雜。由此引發(fā)的電磁干擾對(duì)測(cè)試、被試系統(tǒng)及原機(jī)各項(xiàng)系統(tǒng)的干擾較為嚴(yán)重。怎樣抑制電磁干擾，提升系統(tǒng)間的電磁兼容性顯得尤為重要。

1 什么是電磁干擾和電磁兼容

電磁干擾是指設(shè)備工作時(shí)，設(shè)備本身及支持其工作的電纜產(chǎn)生的降低信號(hào)完整性的噪音，常見的電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，試驗(yàn)機(jī)電氣改裝過程中兩種干擾都會(huì)存在。電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中可以正常工作，并且不會(huì)對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。

2 常見的電磁干擾類型

分析電磁干擾故障時(shí)，應(yīng)從電磁干擾源、電磁波傳輸過程以及靜電干擾等方面去研究，這對(duì)于快速定位故障點(diǎn)，找出相應(yīng)的解決辦法有巨大的作用。

2.1 常見產(chǎn)生電磁干擾的源頭

在加裝的任務(wù)系統(tǒng)以及飛機(jī)本身系統(tǒng)中，以下幾種元器件和設(shè)備常常能引起電磁干擾[1]：①變頻器等：變頻器工作時(shí)會(huì)向電路內(nèi)發(fā)射諧波電流和射頻噪聲電流，這會(huì)導(dǎo)致供電線路內(nèi)電壓畸變，對(duì)設(shè)備造成電磁干擾；②功率放大器、遙測(cè)發(fā)射機(jī)等：在測(cè)試系統(tǒng)中常見的遙測(cè)發(fā)射機(jī)、功率放大器、信號(hào)接收、發(fā)射天線等能發(fā)射功率較強(qiáng)的設(shè)備，提高電磁輻射對(duì)同一空間內(nèi)的電子設(shè)備造成電磁干擾，甚至這種電磁干擾可以沿著支持其工作的電纜傳播，對(duì)鏈路內(nèi)的其他設(shè)備都造成不同程度的影響。③開關(guān)器件：在改裝供電線路常出現(xiàn)的如：繼電器、接觸器、開關(guān)等，在工作過程中頻繁啟動(dòng)線圈、感性負(fù)載時(shí)，引發(fā)的電磁干擾較為嚴(yán)重。

2.2 電磁波傳輸中的電磁干擾

試驗(yàn)機(jī)改裝過程中，由于飛機(jī)本身空間以及負(fù)載功率的限制，常常采用“單線制”的供電方式，這種供電模式容易受到電磁干擾。從原機(jī)配電盒引出一根線通過保護(hù)裝置來給改裝系統(tǒng)供電，負(fù)線和屏蔽線常常在設(shè)備安裝位置附近接地[2]。單根線的電源供電極易受到電磁干擾，而且由于不同用電設(shè)備的功率不同會(huì)導(dǎo)致電源連接部位電位不同，對(duì)用電設(shè)備造成影響。另外，大功率用電設(shè)備常常容易引起試驗(yàn)機(jī)供電線路和信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，一些對(duì)電源和網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)要求高的設(shè)備受到的影響會(huì)非常嚴(yán)重。

在改裝線纜敷設(shè)過程中，由于線纜敷設(shè)通道的限制，射頻線、信號(hào)線以及電源線不能滿足分開敷設(shè)的要求而成一束捆扎[3]。這樣不僅會(huì)導(dǎo)致測(cè)試線纜之間互相干擾，而且會(huì)影響到原機(jī)視頻、音頻等信號(hào)線；另外大功率電源設(shè)備的啟停造成線路中的電壓電流階躍，對(duì)供電設(shè)備造成影響；遙測(cè)發(fā)射機(jī)，天線等設(shè)備的信號(hào)發(fā)射與接收，都會(huì)使得線路中存在著不同程度的電磁干擾，不用類型線纜間的電磁耦合會(huì)阻礙系統(tǒng)的正常工作，對(duì)飛機(jī)上磁性傳感器，如：羅盤，磁航向傳感器等有著很大的影響。

2.3 改裝過程中存在的靜電干擾

靜電是一種存在于干燥空氣和設(shè)備上的靜止的電荷，易吸附灰塵。由于這種特性，易造成集成電路和半導(dǎo)體元件的污染，另外設(shè)備上覆蓋灰塵會(huì)極大地增大設(shè)備的接地電阻，影響設(shè)備的正常使用，縮短使用壽命。靜電在放電時(shí)，電流變化引起的感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)引起磁性導(dǎo)航設(shè)備和電子設(shè)備的誤動(dòng)作，造成電磁干擾。其放電產(chǎn)生的電流會(huì)促使元件老化甚至擊穿電子元件，危及設(shè)備安全。另外電流產(chǎn)生的熱量釋放也會(huì)對(duì)設(shè)備有一定的影響。

3 電磁兼容技術(shù)在改裝過程中的應(yīng)用

電磁兼容技術(shù)主要作用是抑制電磁干擾，良好的電磁兼容性是設(shè)備正常運(yùn)行的前提和保證。在試驗(yàn)機(jī)改裝過程中，常見的電磁兼容技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾方面：

3.1 控制電磁干擾源

在改裝過程中，首先要注意電源方面引起的電磁干擾。在設(shè)計(jì)施工過程中，盡量選用帶有屏蔽層的，導(dǎo)電性良好的電源導(dǎo)線。在選取設(shè)備安裝位置時(shí)要綜合考慮，盡可能縮短電源線的長(zhǎng)度，避免因?yàn)殡娫淳€太長(zhǎng)而導(dǎo)致供電線路中壓降太大的情況出現(xiàn)。在供電線路中不加或者少加一些對(duì)接，減少不必要的電壓損耗，使得供電線路的壓降符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

其次，在安裝設(shè)備時(shí)，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，其電磁兼容性必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)對(duì)大功率設(shè)備和普通設(shè)備進(jìn)行分類安裝，進(jìn)行“空間分離”[4]。比如：遙測(cè)發(fā)射機(jī)、功率放大器、GPS天線等，要盡可能遠(yuǎn)離其他設(shè)備，避免對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。在啟動(dòng)任務(wù)系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備時(shí)，要按照功率由大到小的順序啟動(dòng)，還應(yīng)該給大功率設(shè)備安裝“軟啟動(dòng)”程序，避免大功率設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)線路中其他設(shè)備及原機(jī)設(shè)備造成影響。對(duì)一些較為落后，品質(zhì)較差的設(shè)備或者對(duì)電源敏感的設(shè)備，要在電源接口處串入濾波器，盡可能降低鏈路內(nèi)電壓、電流波動(dòng)對(duì)其的影響。

3.2 優(yōu)化傳輸線路

試驗(yàn)機(jī)改裝過程中，任務(wù)系統(tǒng)的電纜基本都依附于原機(jī)線纜進(jìn)行敷設(shè)。當(dāng)傳輸線路中線纜電流變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，其對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)內(nèi)的其他線纜會(huì)造成電磁干擾。所以，在改裝線纜選材時(shí)，應(yīng)選擇帶有屏蔽層的導(dǎo)線，避免出現(xiàn)耦合。在線纜敷設(shè)過程中，應(yīng)對(duì)線纜進(jìn)行分類，測(cè)試設(shè)備的線纜應(yīng)和原機(jī)音、視頻等其他通訊電纜分開敷設(shè)，與磁性導(dǎo)航設(shè)備如：羅盤等設(shè)備要保持足夠的距離，避免電磁干擾[5]。高電壓、大電流電源線應(yīng)與配電控制線、信號(hào)傳輸線分開敷設(shè)，且要遵循“不平行”走向的原則，多個(gè)種類的線纜不應(yīng)綁扎組合在一起。任務(wù)系統(tǒng)的線纜盡量與原機(jī)同類型電纜一同敷設(shè)，將同類型線纜通道合并。

改裝新增的線纜應(yīng)保持良好的接地，電連接器外殼、設(shè)備金屬外殼和接地點(diǎn)連接完好。對(duì)于像發(fā)電機(jī)等會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重電磁干擾部位的線纜，應(yīng)在供電線纜外加套金屬屏蔽網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“全屏蔽”。在接地點(diǎn)的選取過程中，電源回路、信號(hào)地以及結(jié)構(gòu)電搭接要分開接到不同螺栓上，避免因?yàn)榻釉谕稽c(diǎn)引發(fā)接地阻抗，產(chǎn)生干擾。且接地點(diǎn)處的表面平整度等的處理要符合改裝標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 消除靜電干擾

為了減小試驗(yàn)機(jī)上任務(wù)系統(tǒng)和原機(jī)設(shè)備上的靜電，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行接地處理。對(duì)于改裝過程中的設(shè)備和線纜要做好接地處理，避免靜電產(chǎn)生進(jìn)行靜電屏蔽，如圖1所示。對(duì)于一些敏感的磁性導(dǎo)航設(shè)備，如：羅盤、磁性方位角傳感器等設(shè)備做好接地處理。在設(shè)備接口等進(jìn)行金屬隔離或加入濾波器，增強(qiáng)防靜電能力。

4 試驗(yàn)機(jī)改裝過程中典型的電磁干擾故障及解決辦法

4.1 典例1

故障現(xiàn)象：某型試驗(yàn)機(jī)改裝期間，由于平臺(tái)較為老舊，匯流條上負(fù)載功率難以支撐任務(wù)系統(tǒng)的功率需求，需要直接從發(fā)動(dòng)機(jī)上交流發(fā)電機(jī)引電到系統(tǒng)上。結(jié)果出現(xiàn)了脫離地面電源車后，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)無法開車的故障，且電源線發(fā)熱嚴(yán)重。

故障原因：經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)是由于任務(wù)系統(tǒng)電源線選材時(shí)未選用屏蔽類型的導(dǎo)線，非屏蔽線在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓觸發(fā)了電機(jī)本身的自保功能，且電流變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)上磁感類元件受到影響，電流變化使得處于感應(yīng)磁場(chǎng)內(nèi)的線纜發(fā)熱，產(chǎn)生的電磁干擾影響了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)。

解決辦法：為了減弱非屏蔽線的電磁干擾，將原線纜拆除，選用了新的帶有屏蔽的導(dǎo)線將其替代，并且在導(dǎo)線外套上金屬屏蔽網(wǎng)，減弱電磁干擾的影響。任務(wù)系統(tǒng)再次上電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)，故障排除。

4.2 典例2

故障現(xiàn)象：某架機(jī)改裝完成后，在地面開車過程中，出現(xiàn)了飛行員耳機(jī)內(nèi)聲音嘈雜，與塔臺(tái)和地面指揮員無法溝通的故障。

故障原因：經(jīng)排查線纜和數(shù)次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，由于測(cè)試系統(tǒng)某遙測(cè)發(fā)射機(jī)的同軸線纜在敷設(shè)時(shí)依附于原機(jī)音頻傳輸線纜。這種大功率同軸線纜產(chǎn)生的電磁干擾使得原機(jī)音頻線路受到了干擾。

解決辦法：將原線纜拆除，重新選擇新的線纜路徑，避開原機(jī)音、視頻傳輸線纜，與原機(jī)同類型電纜進(jìn)行通道合并。后經(jīng)試驗(yàn)，原機(jī)音頻信號(hào)良好，故障排除。

4.3 典例3

故障現(xiàn)象：在某大型它機(jī)航電試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)改裝時(shí)，需要270V直流以及220V交流等電源。在任務(wù)系統(tǒng)上電時(shí)，出現(xiàn)了“一上電就跳電報(bào)警”，保險(xiǎn)絲燒毀的現(xiàn)象，且兩套電源系統(tǒng)不能同時(shí)啟動(dòng)。

故障原因：任務(wù)系統(tǒng)中，交流逆變器和直流逆變器同時(shí)啟動(dòng)會(huì)對(duì)飛機(jī)的交、直流電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，會(huì)造成逆變電源和飛機(jī)的短時(shí)電流過大。雖然系統(tǒng)中逆變電源的抗干擾指數(shù)能夠達(dá)標(biāo)，但在大功率啟動(dòng)時(shí)較弱，其啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾會(huì)使得飛機(jī)掉電和地面電源發(fā)生短路故障。

解決辦法：經(jīng)排故證明，故障發(fā)生在270V逆變電源工作時(shí)，三相115V電源通過相序保護(hù)器時(shí)產(chǎn)生了故障導(dǎo)致瞬間電流過大，引發(fā)飛機(jī)和地面電源車跳電。經(jīng)協(xié)調(diào)決定廠家加裝一套過流保護(hù)設(shè)備，增加設(shè)備抗擾能力。再次啟動(dòng)時(shí)，故障排除。

4.4 典例4

故障現(xiàn)象：某型機(jī)改裝時(shí)，將部分設(shè)備安裝到機(jī)上時(shí)，設(shè)備無法正常工作。設(shè)備在裝機(jī)前都進(jìn)行過上電聯(lián)試，狀態(tài)完好。

故障原因：經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部電路板上元器件被擊穿。查詢發(fā)現(xiàn)并非上電導(dǎo)致元器件被擊穿，而是在設(shè)備搬運(yùn)和安裝過程中，摩擦產(chǎn)生了靜電。在靜電放電過程中，擊穿了元器件。

解決辦法：設(shè)備搬運(yùn)安裝時(shí)，要注意除去設(shè)備上的靜電，用接地線將設(shè)備與大地相連，解除靜電危險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

電磁干擾是試驗(yàn)機(jī)改裝和試飛階段常見的電氣故障之一。本文從電磁干擾源頭，電磁波傳輸過程中以及靜電干擾方面分析了常出現(xiàn)的電磁干擾問題。針對(duì)這3個(gè)方面提出了相應(yīng)提高電磁兼容性的方法。對(duì)試驗(yàn)機(jī)改裝過程中常出現(xiàn)的電磁干擾故障現(xiàn)象和解決辦法進(jìn)行了舉例。

電磁干擾具有復(fù)雜性高，表現(xiàn)形式多樣等的特點(diǎn)。有效抑制電磁干擾，提升電磁兼容性沒有固定的方法，而是在面對(duì)不同情況時(shí)做針對(duì)性處理。不斷積累經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)理論知識(shí)學(xué)習(xí)，隨著技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，快速發(fā)現(xiàn)、定位電磁干擾故障，有效提升電磁兼容性的方法會(huì)越來越多。