整机雷电试验技术

发布日期:2016.09.01

1.试验背景
       为了提高飞机的综合性能,大型客机需要越来越多地使用先进复合材料、电子电气设备和系统,它们对外部环境各有不同的要求,如电子电气设备和系统,它们对外部电磁环境的敏感程度就很高,飞机遭受的外部电磁场主要来源于自然界的雷电,自然界产生的雷电具有高电压、大电流或瞬时电磁场特点。一般雷电对飞机的危害分为直接效应(物理效应)和间接效应(电磁效应)。直接效应可能会引起飞机部件的物理损坏,间接效应可能导致飞机部件损坏或系统功能紊乱,给飞机飞行带来严重安全威胁。
       现代飞机在研制阶段,为保证飞机及机载设备的安全,必须充分考虑雷电对飞机飞行安全的影响。一般飞机都会在经历缩比模型雷电附着区域划分试验、部件工程试验和部件鉴定试验后,最后进行整机的雷电防护特性试验。将符合雷电防护安全性要求的各飞机局部结构或部件组装成整机时,由于局部结构或部件之间的相互影响,如负载效应、电磁耦合等原因,并不能保证整机也符合雷电防护安全性指标要求,只有通过整机的雷电防护试验来验证,对发现的问题进行技术处理,并达到规定的要求后才能认为飞机满足雷电防护安全性指标的要求。
       整机雷电试验方法是70年代在美国NASA资助的一系列研究过程中开发出来的,它已经成为一种机载关键电子系统雷电防护验证的可接受的方法。国外从20世纪70年代就开始了整机雷电试验技术和高强辐射场试验技术研究工作,经过几十年的不断完善改进,逐步形成了军方或适航当局、飞机研制生产部门等几方普遍接受和认可的整机雷电试验技术,并且广泛应用到军民机电磁环境效应验证试验之中,取得了事半功倍的效果。瑞士HAEFELY,美国COBHAM公司都曾研究过整机雷电试验系统,并进行过具体试验,取得了许多工程试验经验。另外,美国空军F-14,空客A330/340都曾进行过整机雷电试验。近年来,国外在试验及测量方法的不同方面又进行了许多改进,可以得到可信度更高,干扰更小的测量结果。
2.试验原理
       飞机遭遇雷电后,雷电能量通过机体传导和电磁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/电流瞬态称作实际瞬态电平(Actual Transient Level,ATL)。将实际瞬态电平数据与表征设备耐受雷电能力的飞行关键/重要设备的瞬态设计电平(Equipment Transient Design Level,ETDL)比较,以验证飞机设计中所采取的雷电防护设计的充分性,从而表明飞机的适航符合性。
       整机雷电试验就是用于获得飞机系统布线的实际瞬态电平。因此试验需要模拟飞机遭遇的雷电环境,一般是将SAE ARP5412B中定义的模拟雷电电流脉冲注入飞机。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仪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。
3.试验目的
       1) 确定飞机遭受雷击时电气/电子系统上的瞬态感应电平及波形,并作为电气/电子系统雷电防护设计及试验的依据;
       2) 验证电气/电子系统雷电防护措施的有效性;
       3) 测量燃油系统的结构、控制线缆、液压等位置上的实际瞬态电流,并作为燃油系统雷电防护设计及验证的依据。
4.试验对象
       整机雷电试验的对象包括完整的可运行飞机、飞机的主舱段、以及发动机装配段。要求飞机装机件完整,功能完备,同时要求:
       1) 飞机为完整且可正常运行的原型机;
       2) 机上没有安装试飞电缆,如已安装,则这些电缆的两端和连接器必须断开,屏蔽层必须和飞机结构隔离;
       3) 飞机系统不上电,但必须具有完整的电路连续性;系统/设备按照各自飞行测试程序(On Aircraft Test Procedure,OATP)完成相关功能检查;或待测系统/设备按照设计要求安装和测试完毕,待测线束具有完整的电路连续性;
       4) 为安装测试探头和仪器而对飞机的修改不能影响雷电电流的传输路径或者产生附加的回路;
       5) 任何燃油和易起火的燃油蒸汽都必须去除或者做安全处理;
       6) 试验前,飞机和发动机要接受适航的符合性检查。
5.试验方法
       整机雷电试验有两种基本的方法。一种是脉冲电流法。试验时在飞机上注入与SAE ARP5412B中定义的外部雷电流波形相同的脉冲电流,测量飞机内部线缆上感应的电压和电流,然后进行线性外推,获得飞机实际瞬态电平。另一种是扫频电流法。扫频电流法采用频域测量,通过测量瞬态感应电压/电流与飞机注入电流之间的传递函数来确定瞬态感应响应。然后将测量到的传递函数与雷电流分量频谱相乘,并进行傅里叶逆变换,即可获取飞机内部电缆束上的瞬态感应响应。试验时使飞机通过循环连续的正弦电流,该电流的频率和幅值与用傅里叶级数表示的定义的雷电电流的频率和幅值相同。
6.总结

       国内对于雷电对飞机飞行安全影响的研究起步较晚,经验较少,还尚未独自开展过整机雷电试验,因此需要深入开展整机雷电试验技术研究,并创建自主的整机雷电试验能力和手段,以满足飞机试验验证需求。


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