民用飞机电子/电气系统闪电间接效应设计与验证技术研究

       引言 
　　根据历史统计数据及分析研究结果，飞机平均每飞行1000～20000小时，会被闪电击中一次。一旦被闪电直接击中，飞机结构上会产生数百千安培的电流，使得飞机内部电磁环境发生变化，对系统/设备的关键功能会产生干扰甚至有可能损坏设备，进而可能引发灾难性事故，这对于民用飞机来说是不可接受的。因此，电气和电子系统闪电防护非常重要，在FAA、EASA和CAAC等适航当局颁布的第25部《运输类飞机适航标准》中，条款25.1316明确提出了电气和电子系统应满足闪电防护的要求。针对该适航条款，RTCADO-160G提供了设备对条款25.1316要求的符合性方法，SAE ARP 5413提供了系统对条款25.1316要求的符合性方法，其中针对A级系统（执行SAE ARP 4754中定义FDAL为A级的功能），闪电防护设计和验证的要求是非常严格的。 
　　闪电间接效应主要是通过电缆耦合或者电势差的方式进入设备内部，损坏或干扰电子设备，进而影响系统的正常工作。在考虑闪电间接效应的防护时，可采用两级防护：①电缆防护设计；②设备内部过压保护。在进行闪电防护设计前，应先确认飞机不同区域的闪电干扰形式和等级，再进行闪电防护设计，并对需求进行试验验证。 
　　1 闪电防护相关条款 
　　在中国民用航空局CAAC颁布的CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》中，条款第25.1316条提出了系统闪电防护要求，内容如下： 
　　（1）对于其功能失效会影响或妨碍飞机继续安全飞行和着陆的每种电气、电子系统的设计和安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境时，执行这些功能的系统的工作与工作能力不受不利影响； 
　　（2）对于其功能失效会影响或造成降低飞机能力或飞行机组处理不利运行条件能力的各种电气和电子系统的设计与安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境之后能及时恢复这些功能； 
　　（3）必须按照遭遇严重闪电环境来表明对于本条（a）和（b）的闪电防护准则的符合性。申请人必须通过下列办法来设计并验证飞机电气/电子系统对闪电影响的防护能力： 
　　① 确定飞机的闪击区； 
　　② 建立闪击区的外部闪电环境； 
　　③ 建立内部环境； 
　　④判定必须满足本条要求的所有电子电气系统及其在飞机上或飞机内的位置； 
　　⑤确定系统对内部和外部闪电环境的敏感度； 
　　⑥设计防护措施； 
　　⑦ 验证防护措施的充分性。 
　　其中，子條款（a）明确要求，在闪电环境中，FDAL为A级的功能不能受到干扰，子条款（b）则要求FDAL为B级或C级的功能受到干扰后能及时恢复即可，而对FDAL为D级或E级的功能则没有明确要求。 
　　针对子条款（c）中提出的验证要求，美国汽车工程师学会SAE发布的ARP5413《飞机电子/电气系统闪电间接效应的适航》提供了电子电气系统闪电防护的通用适航流程的指导，ARP 5416《飞机闪电试验方法》则提供了电子电气系统闪电间接效应的系统级试验方法，美国航空无线电技术委员会RTCA发布的DO-160G《机载设备环境条件和试验程序》第22章则提供了机载设备闪电间接效应的设备级试验方法。 
　　2 需求的确定 
　　在确定闪电间接效应的需求之前，首先要在早期飞机主体结构设计时，完成对飞机闪电分区的建立，然后根据不同波形的闪电电流在各区域间的流动路径，建立飞机不同区域的内部闪电环境，包括通过孔隙耦合和结构IR电压两种机理在交联电缆和设备接口处感应出不同波形的电压和电流。 
　　在电缆或设备接口处引起的不同波形的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）可用于定义系统/设备的闪电间接效应需求。 
　　如图1所示，在需求确认阶段，可以通过分析评估飞机各区域的内部闪电环境，确定各区域交联电缆的瞬态控制等级TCL，再叠加一定的裕度得到各区域的设备瞬态设计等级ETDL，即为系统/设备的闪电间接效应需求。 
　　真实瞬态等级ATL是指当闪电击中飞机时，在不同区域内的交联电缆上形成的真实电压和电流，该等级需要通过飞机级的闪电试验进行确定。根据美国民航局FAA发布的AC20-136A，设备瞬态设计等级ETDL应大于真实瞬态等级ATL的两倍，而真实瞬态等级ATL应不大于瞬态控制等级TCL，因此，在确认设备瞬态设计等级ETDL时，可以取为瞬态控制等级TCL的两倍，同时对结构屏蔽设计也应提出要求，确保真实瞬态等级ATL不大于瞬态控制等级TCL。 
　　3 闪电防护措施 
　　完整的电子/电气系统包括了设备和交联电缆，而复杂系统的设备和电缆会分布在飞机上多个区域，闪电环境也有所区别。在考虑闪电防护设计时，针对闪电间接效应孔隙耦合和结构IR电压的两种机理，在飞机/系统层面，对交联电缆可采取屏蔽措施，在设备层面，则需要在设备内部电路板层级做好闪电防护。 
　　3.1 电缆屏蔽防护 
　　非屏蔽的导线暴露在闪电环境中，会在设备接口处引起高电压或电流。为了保护电子电气系统免受闪电间接效应的影响，需要根据区域TCL和ETDL对导线进行相应的屏蔽保护设计，如图2所示。 
　　导线的屏蔽层形式包括导管式、编织式和缠绕式等，综合考虑重量和屏蔽性能，在飞机上主要选用编织式的屏蔽层，即屏蔽编织套。屏蔽层与飞机结构要构成屏蔽回路，这样才能将闪电的电流释放，从而达到闪电防护的作用。定义屏蔽层的转移阻抗Zt，屏蔽层的电流为IShield，则在导线上引起的电压为

      （1） 
　　转移阻抗越低，在导线上引起的电压就越小，因此，编织套应具有较高的光学覆盖率（如不能低于85%）、较粗的编织金属丝以及电阻率较小的金属材料等。需要注意的是，虽然屏蔽层的电流越大，在导线上引起的电压越大，但是实际上低阻抗的屏蔽回路使得闪电电流几乎完全流经屏蔽层，再根據公式（1）间接作用到内部电路，相对于闪电能量直接作用在内部电路，经过屏蔽层的间接作用能够达到更大的衰减。因此，屏蔽通路的阻抗应尽量小。 
　　屏蔽层在两端都要与连接器的尾线夹进行端接，有360°和Pigtail两种端接形式，由于Pigtail会引入额外的电感，会降低屏蔽性能，所以应尽量选用360°端接。尾线夹与连接器以及连接器与设备壳体要进行良好的面搭接。设备壳体要搭接到飞机结构，包括线搭接和面搭接两种搭接形式，其中，面搭接可以确保搭接阻抗足够小，是首要选择，对于那些没法采用面搭接的运动设备，才会选用线搭接，选用的搭接线应尽量短且较粗。 
　　另一方面，由于飞机上各区域的闪电环境是不相同的，如图2中，设备A安装在环境较好的闪电保护区，而设备B安装在环境较差的闪电暴露区，此时，需要对闪电环境隔离进行特殊考虑。在闪电暴露区的TCL和ETDL相对闪电保护区要高很多，一般在闪电保护区采用屏蔽导线可以达到闪电防护的作用，但在闪电暴露区则还需要在屏蔽导线外再增加一层屏蔽编织套，从而达到两级屏蔽衰减的效果。为了防止闪电暴露区的高电压或电流串入闪电保护区，屏蔽编织套应该搭接到这两个区域边界附件的结构（一般搭接在暴露区的结构上），可以采用线搭接（Pigtail）或者分离面（360°，面搭接）的形式，从而在闪电暴露区和闪电保护区形成独立的屏蔽回路，实现闪电环境的隔离。 
　　通过电缆屏蔽的设计，闪电间接效应产生的高电压和电流会被限制在屏蔽回路中，限制了作用至设备接口处的电压，从保障系统和设备的功能可以在闪电环境下正常运行。 
　　3.2 设备接口防护 
　　在电缆屏蔽对闪电防护的基础上，还要在设备内部进行闪电防护设计，防止串入设备接口处的闪电高电压或电流损坏设备。目前，在民用飞机电子设备上采用的闪电防护手段主要有两类，电路隔离设计和闪电防护器件。 
　　电路隔离设计要求构成电路回路的两端设备都进行隔离设计，设备内部需要设计与飞机结构地相隔离的电源作为电路回路的工作电源。对于交流设备，电源隔离可以通过变压器直接实现；但对于直流供电设备，则需要设计开关电源来提供隔离电源。 
　　闪电防护器件是一种简单而有效的防护设计，包括气体放电管、压敏电阻和瞬态二极管。由于瞬态二极管的响应时间能达到10-12s的级别，普遍使用在民用飞机电子设备上，如图3所示。 
　　由于闪电间接效应产生的电压具有正负极性的特征，所以设计时应使用双向瞬态二极管或者使用两个单向瞬态二极管进行双向布置。选用瞬态二极管时，应考虑如下几点： 
　　根据设备ETDL规定的闪电插针电平/电流，确定瞬态二极管的功率，该功率应拥有一定裕度； 
　　瞬态二极管的额定反向关断电压应大于后端电路的最大工作电压，确保TVS不影响后端电路的正常工作； 
　　瞬态二极管的最大钳位电压应小于后端被保护电路的损坏电压； 
　　如图3所示，瞬态二极管与针脚之间可以设计一个电阻，在该电阻不影响后端电路正常工作的前提下，可以降低瞬态二极管的实际工作功率，增强闪电保护。 
　　4 试验验证技术 
　　针对电缆屏蔽防护和设备接口防护，有系统级和设备级的闪电间接效应试验，SAE ARP 5416提供了系统级闪电试验的要求和方法，DO-160G的第22章规定了设备级的闪电电缆束试验和闪电插针注入试验要求和方法。其中，闪电电缆束试验为功能敏感性试验，要求试验过程中，系统/设备的功能不能受到干扰且设备不被损坏，主要验证电缆屏蔽的性能，包括系统级试验和设备级试验；闪电插针注入试验为损伤评估试验，要求试验后设备不能被损坏，主要在设备级验证设备内部接口防护设计的性能。 
　　对于闪电电缆束试验，要分别依次进行设备级和系统级的试验验证，试验的方法和要求上有所区别，如表1所列。 
　　在设计设备级的闪电电缆束试验时，由于采用的是单线束或者单设备注入，考虑设备本身的功能受扰能否被监控到即可。 
　　在设计系统级的闪电电缆束试验时，要以系统功能是否受扰为基本出发点，如条款25.1316所述，着重要考虑A/B/C级功能，其中A级功能在试验过程中不能出现失效状态；B/C级功能可以出现失效但要及时恢复，如果出现失效则要对及时恢复性进行详细的定量分析。对于系统级试验，首先要考虑系统功能失效状态涉及的电缆集合或者设备集合，然后要按照这些集合对集合中的电缆或设备采用同时注入的方法。而对于可能会出现的功能失效，要设计相应的监控手段，包括从读取系统多个设备的状态或者引入独立于系统的传感器进行监控，使用这些数据要能够准确且有效地判断出系统功能失效。 
　　在系统级试验中，对于系统所包含设备以外的交联设备，如果涉及系统A级功能，应尽量使用取证构型的真件；如果涉及系统B/C级，可以使用与取证构型等效的仿真负载，但是必须进行分析说明。试验电缆也要与飞机取证构型电缆一致，尤其是电缆成束、导线的长度、材料和直径、屏蔽层设计、屏蔽层端接、连接器和尾线夹等关键因素要与飞机电缆一致。 
　　通过设备级和系统级的闪电电缆束试验以及闪电插针试验，可以验证系统/设备的闪电防护设计能够满足ETDL的需求。另外，还需要通过飞机级闪电试验验证ETDL大于真实瞬态等级ATL的两倍，最终符合条款25.1316。 
　　5 结束语 
　　本文介绍了民用飞机电气和电子系统闪电防护适航条款，详细阐述了闪电防护需求确定的过程、飞机详细设计阶段闪电防护的设计措施以及在飞机试制阶段闪电需求的验证方法。文中阐述的是对条款25.1316的一般通用符合性方法，实际上FAA、EASA以及CAAC等不同适航当局的要求不完全一样，此时申请人需要制定方案，提前与适航当局进行讨论，确保局方能够认可对条款25.1316的符合性方法。 
　　1. [课题项目] 本工作受到上海市浦江人才计划项目的资助，课题编号15PJ1433900。