民用飞机闪电间接效应防护适航符合性方法研究

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摘 要：闪电间接效应防护设计是民用飞机适航取证的重要组成部分，满足FAR25.1316条款要求是民用飞机闪电间接效应防护设计的最低目标。制定合理的闪电间接效应防护措施，并在整个设计过程中有效的贯彻执行，同时，建立一套完整可行的符合性验证流程和符合性方法，是表明FAR25.1316条款符合性的前提。本文简要介绍了该条款的验证流程和符合性方法，可应用于民用飞机的研制和适航验证工作。

关键词：闪电 间接效应 适航 符合性

中图分类号：F273.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0087-03

闪电对飞机的影响是不可避免的，减少闪电对飞机的威胁一直都是摆在飞机设计者面前的一个重要的课题。为提高飞机的操作性能和减轻飞机重量，大量精密的航空电子设备和复合材料结构的应用，使得飞机对闪电更加敏感，飞机遭受闪电后的损失也会更大。目前，民用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也增加了相应的条款，明确了运输类飞机的闪电防护设计要求。闪电对飞机的影响包括闪电直接效应和闪电间接效应两部分，即闪电对飞机结构的物理损坏和对飞机电子电气设备产生干扰造成系统功能的暂时或永久失效，本文仅对闪电间接效应的适航符合性方法进行阐述。

1 适航要求

美国联邦航空管理局颁布的FAR25.1316条款“系统闪电防护”明确了运输类飞机的闪电间接效应防护设计要求。

其中FAR25.1316a）条款针对的是经闪电特定风险分析确定的执行A级功能的系统，这些系统包括但不限于航电系统、飞控系统、电源系统、起落架系统和发动机控制系统，这些系统在遭遇闪电环境时，需保证其A级功能不受不利影响。

FAR25.1316b）条款针对的是经闪电特定风险分析确定的执行B、C级功能的系统，这些系统需保证在飞机遭遇闪电环境之后能及时恢复这些功能[1]。

FAR25.1316c）条款明确了表明上述两条条款符合性的设计和验证流程，包括：确定飞机的闪电分区、建立飞机的外部和内部闪电环境、确定系统和设备在飞机上的安装位置、确定系统和设备对闪电环境的敏感度、确定闪电防护设计措施，以及验证防护措施的充分性。

2 符合性验证流程及方法

2.1 符合性验证流程

根据上述适航条款要求，需通过相应的符合性方法（Means of Compliance，MOC），验证FAR25.1316条款的符合性。FAA颁布的咨询通告AC20-136B建议，执行A级功能的系统需进行设备级、系统级和飞机级闪电间接效应试验验证；执行B、C级功能的系统需进行设备级闪电间接效应试验验证；执行D、E级功能的系统，条款没有明确的要求。验证FAR25.1316c）条款的符合性，可选择进行闪电分区缩比模型试验确定飞机的闪电分区，以及通过软件仿真计算飞机内部的闪电环境。上述验证工作完成后，编制设计符合性说明表明条款的符合性，FAR25.1316条款的符合性验证流程如图1所示。

2.2 符合性验证方法

根据FAR25.1316条款的要求，表明该条款符合性所需完成的工作主要有：建立飞机的闪电分区、建立飞机的内部闪电环境以及完成设备级、系统级和飞机级闪电间接效应试验。设备级、系统级和飞机级闪电间接效应试验能顺利通过的前提是合适的闪电间接效应防护设计措施的制定和执行。防护设计措施包括：屏蔽、搭接/接地、滤波、设备/线缆位置选择、系统冗余设计等方式（限于篇幅，本文不展开论述），同时应兼顾研制成本、飞机重量及空间位置等方面的限制因素。为降低飞机的研制成本，避免设计反复，需在飞机的设计研制初期制定闪电间接效应防护设计措施，并贯穿在整个设计过程中[2]。FAR25.1316条款符合性方法表见表1。

MOC0-简述，MOC1-设计说明，MOC2-分析和计算，MOC3-安全性评估，MOC4-试验室试验，MOC5-飞机地面试验，MOC6-飞行试验，MOC7-检查，MOC8-模拟器试验，MOC9-设备鉴定。

2.2.1 建立飞机的闪电分区

闪电分区是飞机闪电防护设计的基础，也是飞机各部位及安装在飞机上的电子/电气设备、系统采取相应闪电防护措施时需要考虑的重要因素。

确定闪电分区的方法主要有三种：（1）根据SAE ARP5414标准，参考已有相似机型的闪电分区结果，结合飞机的外形、设计飞行速度包线，通过公式计算确定飞机的闪电分区；（2）通过专业电磁仿真软件，根据飞机在遭遇闪电环境时机身表面的电场分布，确定飞机的闪电分区（MOC2）；（3）通过飞机缩比模型试验，根据电弧在飞机模型上不同位置的附着概率，确定飞机的闪电分区（MOC4）。对于新研飞机，适航当局一般要求采用缩比模型试验的方法确定飞机的闪电分区。

闪电分区缩比模型试验的目的是确定闪电通道在飞机上的入点和出点，即闪电1区。试验包括棒电极试验和平板电极试验，分别模拟飞机遭遇自然闪电和飞机触发闪电的情况。试验时，将飞机模型用绝缘材料置于电极和接地平面之间，采用闪电电压波形C和D对模型进行正负各10次放电，记录电弧在模型上的附着位置，附着概率超过2%的区域即可定为闪电1区。其它区域的位置和范围可根据1区的位置结合SAE ARP5414确定。

为保证试验的有效性，飞机模型的最大尺寸应不小于1 m，且表面应具有良好的导电性能，包括非金属的风挡、整流罩及作动面等[3]。

2.2.2 建立飞机内部闪电环境

在飞机总体外形、布局方案初步确定后，需确定飞机内部典型舱室的闪电环境，为设备/系统闪电防护设计指标的制定提供依据。飞机内部闪电环境的表现形式是外部闪电环境通过不同的耦合机理感应到内部线缆上的瞬态电压和电流的波形和峰值，该瞬态电平作为预期飞机内部的实际瞬态电平（ATL）。机载设备瞬态设计电平（ETDL）代表设备/系统所能承受的瞬态电压和电流波形/幅值，如果试验室试验电平超过ETDL，系统可能被损坏或出现功能紊乱现象，不能完成预期功能。ETDL可由ATL得出，通常情况下，两者应具有6 dB的裕度。ATL与ETDL之间的关系如图2所示。

飞机内部闪电环境仿真（MOC2）通过电磁仿真软件，将外部闪电环境施加到飞机模型，计算飞机内部线缆上的闪电感应电平，获得飞机预期的实际瞬态电平（ATL）。为最大限度保证仿真的准确性，仿真建模应尽可能精确，线缆设置应表征预期机上的典型走向、线缆类型和搭接/接地形式。

2.2.3 设备/系统级闪电间接效应试验

设备级闪电间接效应试验（MOC9）是将制定的ETDL施加到设备接口和系统线缆上，验证设备/系统是否损坏或出现功能紊乱的现象。ETDL由6个电压/电流波形和5个电平等级组成，波形和电平的选取与飞机结构的材料（金属或碳纤维复合材料）、设备的安装位置、线缆屏蔽类型和线缆长度等因素相关。RTCA的DO160G“机载设备环境条件和测试程序”标准中第22章“闪电感应瞬态敏感度”中规定了设备级试验方法，包括：损伤容限试验和功能受扰试验两部分。损伤容限试验是在指定的设备连接器针/孔上直接注入测试信号，每个针/孔施加正负各10次测试信号，考核设备的抗瞬态干扰能力。功能受扰试验是在设备交联的状态下，系统正常工作，通过探头在线缆束上施加测试信号，考核系统功能的抗干扰能力，测试信号包括：单次冲击、多次冲击和多脉冲冲击[4]。

对于执行A级功能的系统，需进行系统级闪电间接效应试验（MOC4），系统级闪电间接效应试验与设备级的功能受扰试验相似，区别点仅在于试验对象的范围不同。

2.2.4 飞机级闪电间接效应试验

飞机级闪电间接效应试验（MOC5）通过测量飞机内部导线/线缆上感应的实际瞬态电平（ATL），验证其是否不大于预期的ATL，或者说测量获得的ATL与表征设备耐受能力的ETDL之间是否有超过6 dB的裕度。飞机级试验方法有扫频法和电流脉冲试验法，而电流脉冲试验法又分为高电平和低电平试验方法，目前国内外普遍采用的是低电平电流脉冲试验法，然后通过线性外推，获得系统接口线束的实际瞬态电平[5]。

飞机级试验考核的是飞机结构、线缆的闪电间接效应防护措施的充分性，是验证飞机设计是否符合FAR25.1316条款要求的最直接体现。

3 结语

验证FAR25.1316条款的符合性是民用飞机适航取证的一个重要组成部分，完成该验证工作的首要任务是确定飞机的闪电分区和飞机内部的闪电环境，并通过设备级、系统级以及飞机级闪电间接效应试验表明飞机对FAR25.1316条款的符合性。上述验证工作能顺利通过的前提是合适的闪电间接效应防护设计措施的制定和执行。

参考文献

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

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

[3] SAE international aerospace recommended practice ARP 5414A，Aircraft Lighting Zoning[S]，2005.

[4] RTCA DO160G， Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S]，2010.

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