民用飞机全机闪电间接效应试验方法浅析

摘 要：民用飞机的闪电防护设计与验证已成为飞机适航取证的一个重要组成部分，该文介绍了一种基于低电平注入的全机闪电间接效应试验方法，通过测量机上关键/重要电子/电气系统互连线缆上的感应瞬态电平，与机载设备瞬态设计电平相比较，以验证飞机闪电间接效应防护的充分性和有效性，从而支持飞机适航取证。

关键词：闪电 间接效应 飞机 低电平注入

中图分类号：V244.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0043-02

闪电间接效应是指外部闪电环境通过各种耦合机制对机载的航空电子/电气设备产生干扰导致设备功能的暂时/永久失效，严重时将影响飞机的持续安全飞行和着陆。在现代航空技术中，大量先进航空电子技术的应用，使得飞机对闪电间接效应更加敏感，遭受闪电时损失也会更大。目前，飞机的闪电防护设计已经成为适航认证的一个重要的组成部分，美国联邦航空管理局（FAA）颁布的联邦航空规章中的FAR 25.1316条款，明确了运输类飞机的闪电间接效应防护设计要求。同时，FAA咨询通报AC 20-136也明确提出，在飞机的设计阶段，需通过全机闪电间接效应试验，验证飞机关键/重要电子/电气系统闪电间接效应防护设计的充分性和有效性[1]。因此，对机的主制造商来说，研究和掌握全机闪电间接效应试验的方法显得尤为重要。

1 试验原理

飞机遭遇闪电后，闪电能量通过机体传导和场耦合到飞机内部执行重要功能的设备连接线上形成的电压和电流瞬态电平可能会导致设备功能紊乱或者失效，从而影响飞机安全。线上感应的电压/电流瞬态称作实际感应瞬态电平（Actual Transient Level，ATL）。将这些ATL数据与表征设备耐受闪电能力的飞行关键/重要设备的设备瞬态设计电平（Equipment Transient Design Level，ETDL）比较，以验证飞机设计中所采取的闪电防护设计的充分性，从而表明飞机的适航符合性，如（图1）所示。

全机闪电间接效应试验就是用于获得飞机系统布线的ATL。为此试验需要模拟飞机遭遇闪电环境，一般采用模拟的闪电电流脉冲注入飞机，闪电电流脉冲波形在SAE ARP5412B[2]中明确定义，本文不在累赘。为避免对飞机或设备造成损坏，在试验中需要对幅值进行缩比。通过放置在飞机内部或附近的示波器测量和记录在指定的互连导线和电缆中感应的电压和电流瞬态电平，然后将被测数据线性外推，从而获得飞机实际瞬态电平（ATL）。

2 试验方法

2.1 试验布置

试验布置如（图2）所示，试验设施包括飞机、回路导体网络、电流发生器、电流发生器控制装置和监控设备、以及感应瞬态测量设备的布置。

飞机与回路导体除了在入点和出点处，不可有其他接触位置。机轮与地平面的回路导体使用绝缘衬垫隔离，绝缘衬垫需承受飞机与回路导体之间的高电压，通常要求具有35 KV以上的耐高压能力。

回路导体铺设在机身四周，形状依据机身、机翼与尾翼位置布置，这样可以尽量使电流在机身上的分布均衡，但对于大型飞机，架设这样的回路导体网络不太方便，也不现实，因此在通常情况下，可将回路导体作为地平面安装在机身、机翼和尾翼下方，如图3所示。这种构型不利之处是会导致机身下半部接近地平面处的电流密度偏大，而机身上半段的电流密度偏低，例如机身顶部及驾驶舱窗口位置。试验时，应确保整个回路导体网络具有良好的导电性能。

2.2 试验

全机闪电间接效应试验是重大的全机试验，试验需重点关注一下几点：

（1）待测电缆选取

全机闪电间接效应试验的测量对象是与飞机飞行关键/重要系统相关的导线，但是要对所有与飞行关键/重要系统相关的导线都进行感应电压和感应电流测量是不切合实际的。因此，在实际中只需选择一些典型的导线进行测量，所选择的导线的敷设路径应遍布整个飞机的所有典型位置。通常情况下，每个系统应选择一根以上的线，如果可能的话，还应包括屏蔽和非屏蔽线。

（2）闪电电流通道

飞机具有典型的闪电附着点和流出点。试验应选择特定的闪电进入/流出附着点对，作为测试电流在机身上的传导路径，以使机内所有电缆线束都处于最恶劣的闪电环境中。一般典型的闪电电流通道如下表1所示：

（3）试验安全

使用全幅值波形可能造成飞机或设备的损坏，通常情况下，使用的典型电流峰值范围在1～20 KA之间，在不损坏飞机或设备的前提下，尽可能采用较高的幅值。通过放置在飞机内部或附近的示波器测量和记录在指定的互连导线和电缆中感应的电压和电流瞬态。然后将被测数据线性外推到所要求的全幅值。

试验飞机的结构和功能应该完整，机上飞行关键/重要的电子电气设备的互连线束安装完毕，机上的试飞设备或试飞电缆需拆除或进行电隔离处理。试验过程中飞机系统不上电。接触器、断路器、设备电源开关设置为连接状态，保持电路的连续性。燃油系统、电子爆炸设备等需进行保护处理。电子爆炸设备可由等效的设备替换，可燃性燃油蒸汽需从油箱清除，并注入氮气，降低燃油蒸汽密度及含量。

试验中使用的电平虽然是经过幅值缩小后的较低电平，但模拟的闪电试验涉及到一些高压设备的使用和操作，例如电容组和电弧开关，其使用方式和涉及的电气能量都超过了引起人员伤害所需的电平。因此，一定要采取安全预防措施并严格按照试验程序执行，确保在做试验期间试验人员不会与测试电路中任何带电的部件相接触。需重点关注大量流经包含燃油的机身区域的电流，需确保可能存在燃油蒸汽的区域不会出现电弧[4]。

（4）试验结果

本试验没有明确的通过/失败准则。本试验的目的是确定机上安装的导线和电缆上感应的ATL，用其和设备的瞬态设计电平（ETDL）相比较。通用的指导原则是ATL与ETDL之间应该至少有6dB的裕度。如果ATL比ETDL大，或者两者之间所具有的裕度比所要求的值小，那么就必须对系统安全的影响进行评估。如果发现存在潜在的危险，那么必须寻求一些措施以减小设备对闪电间接效应的敏感性。

2.3 测量方法

民用飞机全机闪电间接效应试验需要做下列三种基本类型的测量[3]：

单根导线上的开路电压（Voc）测量：被测导线远端接地，测量端开路，测量导线开路端与邻近地之间的感应电压；

单根导线上的短路电流（Isc）测量：被测导线两端都接地，测量出现在单根导线上的感应电流；

电缆束上感应电流（Ibc）测量：被测电缆束无需进行处理，测量电缆束上总的感应电流；

以上三种基本类型的测量方法如图4所示。

开路电压和短路电流测量时，将被测导线与其两端的设备断开，导线的远端通过一根低阻的跳线与基本结构短接，导线的测试端通过一根跳线将待测的插针引出，以方便测量。导线的屏蔽层在导线的两端都与邻近结构搭接。线缆束感应电流测量时，不需要对线缆束进行处理。

3 结语

现代航空技术的日益发展，使得闪电间接效应对民用飞机机载电子/电气系统的影响也日益显现，同时，适航当局对民用飞机的闪电间接效应防护设计和验证工作也愈加重视。因此，研究和掌握闪电间接效应防护设计的验证方法显得尤为必要。本文介绍的基于低电平注入的民用飞机全机闪电间接效应试验的方法，对民用飞机的闪电间接效应防护设计适航符合性验证工作具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] FAA AC 20-136B，Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[S].2011.

[2] SAE international aerospace recommended practice ARP 5412A，Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].2005.

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5416A，Aircraft Lightning Test Methods[S].2013.

[4] Franklin A.Fisher，J.Anderson Plumer，Rodney A.Perala. Lightning Protection of Aircraft[M].Second Edition. Published by Lightning Technologies Inc， 2004.