電氣系統閃電間接效應設計與驗證技術研究論文

　　引言

　　根據歷史統計數據及分析研究結果，飛機平均每飛行1000～20000小時，會被閃電擊中一次。一旦被閃電直接擊中，飛機結構上會產生數百千安培的電流，使得飛機內部電磁環境發生變化，對系統/設備的關鍵功能會產生干擾甚至有可能損壞設備，進而可能引發災難性事故，這對于民用飛機來說是不可接受的。因此，電氣和電子系統閃電防護非常重要，在FAA、EASA和CAAC等適航當局頒布的第25部《運輸類飛機適航標準》中，條款25.1316明確提出了電氣和電子系統應滿足閃電防護的要求。針對該適航條款，RTCADO-160G提供了設備對條款25.1316要求的符合性方法，SAE ARP 5413提供了系統對條款25.1316要求的符合性方法，其中針對A級系統（執行SAE ARP 4754中定義FDAL為A級的功能），閃電防護設計和驗證的要求是非常嚴格的。

　　閃電間接效應主要是通過電纜耦合或者電勢差的方式進入設備內部，損壞或干擾電子設備，進而影響系統的正常工作。在考慮閃電間接效應的防護時，可采用兩級防護：①電纜防護設計；②設備內部過壓保護。在進行閃電防護設計前，應先確認飛機不同區域的閃電干擾形式和等級，再進行閃電防護設計，并對需求進行試驗驗證。

　　1 閃電防護相關條款

　　在中國民用航空局CAAC頒布的CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》中，條款第25.1316條提出了系統閃電防護要求，內容如下：

　　（1）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種電氣、電子系統的設計和安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環境時，執行這些功能的系統的工作與工作能力不受不利影響；

　　（2）對于其功能失效會影響或造成降低飛機能力或飛行機組處理不利運行條件能力的各種電氣和電子系統的設計與安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環境之后能及時恢復這些功能；

　　（3）必須按照遭遇嚴重閃電環境來表明對于本條（a）和（b）的閃電防護準則的符合性。申請人必須通過下列辦法來設計并驗證飛機電氣/電子系統對閃電影響的防護能力：

　　① 確定飛機的閃擊區；

　　② 建立閃擊區的外部閃電環境；

　　③ 建立內部環境；

　　④判定必須滿足本條要求的所有電子電氣系統及其在飛機上或飛機內的位置；

　　⑤確定系統對內部和外部閃電環境的敏感度；

　　⑥設計防護措施；

　　⑦ 驗證防護措施的充分性。

　　其中，子條款（a）明確要求，在閃電環境中，FDAL為A級的功能不能受到干擾，子條款（b）則要求FDAL為B級或C級的功能受到干擾后能及時恢復即可，而對FDAL為D級或E級的功能則沒有明確要求。

　　針對子條款（c）中提出的驗證要求，美國汽車工程師學會SAE發布的ARP5413《飛機電子/電氣系統閃電間接效應的適航》提供了電子電氣系統閃電防護的通用適航流程的指導，ARP 5416《飛機閃電試驗方法》則提供了電子電氣系統閃電間接效應的系統級試驗方法，美國航空無線電技術委員會RTCA發布的DO-160G《機載設備環境條件和試驗程序》第22章則提供了機載設備閃電間接效應的設備級試驗方法。

　　2 需求的確定

　　在確定閃電間接效應的需求之前，首先要在早期飛機主體結構設計時，完成對飛機閃電分區的建立，然后根據不同波形的閃電電流在各區域間的流動路徑，建立飛機不同區域的內部閃電環境，包括通過孔隙耦合和結構IR電壓兩種機理在交聯電纜和設備接口處感應出不同波形的電壓和電流。

　　在電纜或設備接口處引起的不同波形的開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）可用于定義系統/設備的閃電間接效應需求。

　　如圖1所示，在需求確認階段，可以通過分析評估飛機各區域的內部閃電環境，確定各區域交聯電纜的瞬態控制等級TCL，再疊加一定的裕度得到各區域的設備瞬態設計等級ETDL，即為系統/設備的閃電間接效應需求。

　　真實瞬態等級ATL是指當閃電擊中飛機時，在不同區域內的交聯電纜上形成的真實電壓和電流，該等級需要通過飛機級的閃電試驗進行確定。根據美國民航局FAA發布的AC20-136A，設備瞬態設計等級ETDL應大于真實瞬態等級ATL的兩倍，而真實瞬態等級ATL應不大于瞬態控制等級TCL，因此，在確認設備瞬態設計等級ETDL時，可以取為瞬態控制等級TCL的兩倍，同時對結構屏蔽設計也應提出要求，確保真實瞬態等級ATL不大于瞬態控制等級TCL。

　　3 閃電防護措施

　　完整的電子/電氣系統包括了設備和交聯電纜，而復雜系統的設備和電纜會分布在飛機上多個區域，閃電環境也有所區別。在考慮閃電防護設計時，針對閃電間接效應孔隙耦合和結構IR電壓的兩種機理，在飛機/系統層面，對交聯電纜可采取屏蔽措施，在設備層面，則需要在設備內部電路板層級做好閃電防護。

　　3.1 電纜屏蔽防護

　　非屏蔽的導線暴露在閃電環境中，會在設備接口處引起高電壓或電流。為了保護電子電氣系統免受閃電間接效應的影響，需要根據區域TCL和ETDL對導線進行相應的屏蔽保護設計，如圖2所示。

　　導線的屏蔽層形式包括導管式、編織式和纏繞式等，綜合考慮重量和屏蔽性能，在飛機上主要選用編織式的屏蔽層，即屏蔽編織套。屏蔽層與飛機結構要構成屏蔽回路，這樣才能將閃電的電流釋放，從而達到閃電防護的作用。定義屏蔽層的轉移阻抗Zt，屏蔽層的電流為IShield，則在導線上引起的電壓為

　　（1）

　　轉移阻抗越低，在導線上引起的電壓就越小，因此，編織套應具有較高的光學覆蓋率（如不能低于85%）、較粗的編織金屬絲以及電阻率較小的金屬材料等。需要注意的是，雖然屏蔽層的電流越大，在導線上引起的電壓越大，但是實際上低阻抗的屏蔽回路使得閃電電流幾乎完全流經屏蔽層，再根據公式（1）間接作用到內部電路，相對于閃電能量直接作用在內部電路，經過屏蔽層的間接作用能夠達到更大的衰減。因此，屏蔽通路的阻抗應盡量小。

　　屏蔽層在兩端都要與連接器的尾線夾進行端接，有360°和Pigtail兩種端接形式，由于Pigtail會引入額外的電感，會降低屏蔽性能，所以應盡量選用360°端接。尾線夾與連接器以及連接器與設備殼體要進行良好的面搭接。設備殼體要搭接到飛機結構，包括線搭接和面搭接兩種搭接形式，其中，面搭接可以確保搭接阻抗足夠小，是首要選擇，對于那些沒法采用面搭接的運動設備，才會選用線搭接，選用的搭接線應盡量短且較粗。