通勤类飞机闪电间接影响防护适航验证方法研究
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作者:李明巧 林涵 陆明明
摘 要：飞机电子/电气系统易受闪电危害影响，闪电间接影响是闪电直接击中飞机时产生的电磁场将在电子电气设备或部件中感应电压和电流瞬变。随着航空器越来越广泛采用敏感的电子仪器执行飞行关键/基本功能，在航空器型号合格审定过程中，闪电间接影响对航空器的影响日益受到适航当局的关注。FAA在2011年8月增加了61号修正案，增加了1306条电子和电气系统闪电防护。希望本文能够为民用航空器闪电间接影响防护验证提供参考。
关键词：闪电间接影响 合格审定 防护验证
中图分类号： V328 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0002-02
1 概述
随着航空器广泛采用敏感的电子仪器执行飞行关键/基本功能，航空器持续安全飞行和着陆对电子电气系统的依赖性增大，数据总线或数据处理器运行速度的加快、集成电路板密度更大和电子设备的灵敏度更高，电子电气系统对闪电间接影响更加敏感。
要求航空器必须具有足够的闪电间接影响防护能力，以防止执行关键功能的航空电子系统和电气系统因闪电间接影响造成器件损坏和功能中断进而导致灾难性事故。针对FAR23部[1]规章，FAA在2011年8月增加了61号修正案，增加了1306条——电子和电气系统闪电防护。
2 闪电间接影响防护设计考虑
利用航空器结构来防止闪电直接附着在设备和导线，对于以铝蒙皮为主的金属结构，闪电能够直接附着其上;对于复合材料组成的结构需在外层增加一层金属屏蔽网，防止闪电直接附着在其下的设备和导线。
电子系统/设备进行安装设计时，应考虑闪电间接影响对其产生的作用，尽可能将设备安装在完全屏蔽的设备舱内，设备的搭接通过直接的金属与金属的接触来实现;系统电源地、信号地就近安装并和机壳地相连，屏蔽地尽可能连接到LRU机壳的输入/输出连接插头。系统连线按相关要求进行选型和制造。并将电缆通道按系统设计，电缆敷设应尽可能靠近金属蒙，满足飞机闪电间接影响防护要求。
关键系统，余度系统采用差异设计，主系统用电子系统，备份系统用机电系统;或者余度系统具有不同的闪电间接影响敏感度。
3 闪电间接影响防护适航验证
3.1 确定需要闪电间接影响防护的系统
根据FAR23.1306条款，利用系统功能危险性分析结果确定需要进行闪电间接影响防护的系统及等级。按照AC20-136[5]，系统功能危险性分析其失效结果类别为I（灾难的）、II（危险的）、III（主要的）的，要求进行闪电间接影响防护，其防护等级分别对应为A类、B类、C类。此外，闪电间接影响防护等级和系统研制保证等级是一致的。根据ARP4754[6]，系统研制保证等级的分配是基于与适用的飞机级功能相关的最严重的失效状态，当飞机级功能丧失的失效结果类别为I类，尽管系统级功能丧失的失效结果类别为II类，其设计保证等级按飞机级功能丧失的失效结果类别来对应，既应为A类。
A类系统分成A类控制系统和A类显示系统：当驾驶员不作为系统工作环节的一部分完成系统功能时，这类系统为A类控制系统;当驾驶员通过与系统进行信息交流而变为系统工作环节的一部分时，这类系统为A类显示系统。
3.2 确定航空器内的实际瞬变电平（ATL）
AC20-136规定只有A类系统在验证符合性过程中需要航空器的内部闪电环境，根据AC20-136A中图4，有4种方法确定航空器内部的实际瞬变电平（ATL）：航空器试验确定、分析确定、相似性评估确定和仅适用于A类显示系统的、利用DO160[7]第22章的指导来确定A类系统的ETDLs。
新航空器，若安装A类控制系统，则必须通过航空器级试验确定航空器内部的实际瞬变电平。航空器级试验有多种方法：低电平扫频试验、低电流脉冲试验、高电流脉冲试验。如果航空器上安装的是A类显示系统，则可以利用DO160第22章规定来确定A类系统的ETDLs。
通过分析确定飞机内部的实际瞬变电平时，分析方法有：有限元分析法、时域有限差分法、传输线建模法等。分析方法的使用需要获得适航当局的认可。
通过相似性评估来确定航空器内部的实际瞬变电平时，要求已取证的航空器和系统安装与将要取证的航空器和系统安装只有微小的不同，已取证的航空器在其运行期间没有与闪电间接影响有关的问题需要解决。
3.3 确定设备瞬变设计电平（ETDL）
设备瞬变设计电平规定了设备没有受到不利影响、可以容忍的瞬变波形和电平。按照DO160G第22章确定系统/设备的ETDLs。瞬变设计电平包含插针试验波形设置、插针试验等级、电缆束试验波形设置、电缆束单脉冲或多脉冲试验等级、电缆束多脉冲群试验等级。
波形设置与飞机结构有关，当瞬态感应源是由飞机上的孔引起的，则波形设置选择A、C、E、G、J;当瞬态感应源是由飞机上的结构电阻引起的，则波形设置选择B、D、F、H、K。具体地，A和B用于进行插针通电试验;C到F用于进行电缆束单次脉冲冲击试验;G到K用于进行电缆束单次、多次脉冲冲击和多脉冲群冲击试验
对于A类系统/设备ETDLs试验等级的确定方法见下DO-160 22章的级别表1。
对于B/C类系统/设备ETDLs，可以使用DO160G第22章的规定，选择合适的试验等级。多数B类系统使用第3级，若系统设备及连线安装在严酷闪电瞬变区域内，则使用第4级或第5级。多数C类系统使用第2级，如果系统设备及连线安装在严酷闪电瞬变区域内，则使用第3级。
4 闪电间接影响防护符合性验证
A類系统：设备按DO-160G中的22章要求进行设备的ETDLs合格鉴定试验外，还应在试验室进行系统级ETDLs的鉴定试验：其中，针注入和单个雷击的试验按照DO-160G第22章进行;多雷击和多波群试验按照ARP5416[8]进行。且试验电缆应与飞机上的电缆一致。系统级试验过程中，系统关键/重要功能没有受到不利影响，主要功能如受到不利影响，则在施加的干扰取消后，主要功能恢复。A类显示系统，系统通过了系统级的闪电间接影响试验就表明系统满足航空器的闪电间接影响防护要求;A类控制系统，系统通过闪电间接影响试验，且系统级ETDLs试验电平大于航空器内部的瞬变电平ATLs才表明系统满足航空器的闪电间接影响防护要求。
对于B、C类设备，按DO-160第22章要求进行试验，试验通过就表明B、C类设备满足航空器的闪电间接影响防护要求。
5 结语
现行的FAR23/25/27/29和CCAR相关规章中，提出的关于闪电间接影响防护的要求是相似的。本文主要介绍了闪电间接影响防护适航验证方法。希望能够为其它民用航空器闪电间接影响防护验证提供参考。
参考文献
[1] FAR23部.正常类、实用类、特技类和通勤类飞机适航规定[Z].
[2] FAR25部.运输类飞机适航规定[Z].
[3] FAR27部.正常类旋翼航空器适航规定[Z].
[4] FAR29部.运输类旋翼航空器适航规定[Z].
[5] AC20-136.Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection[Z].
[6] ARP4754.高度综合和复杂飞机系统合格审定需要考虑的问题[Z].
[7] DO-160G.机载设备环境试验条件和程序[Z].
[8] SAE ARP5416.航空器闪电试验方法[Z].
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