对飞机研制的新要求——高强度辐射场（HIRF）防护.doc

对飞机研制的新要求高强度辐射场（HIRF）防护2009年07月25日 星期六 17:52对飞机研制的新要求高强度辐射场（HIRF）防护Protecting Electrical and Electronic System from HIRF Effect 唐建华导读：与自然界产生的闪电不同，高强度电磁辐射是由人类活动造成的电磁环境问题，其频带宽（10千赫-40吉赫），作用时间长（与闪电的作用时间相比）。高强度电磁辐射、闪电与电磁兼容等电磁环境问题（统称E3问题），已成为影响飞机安全的重要因素。因此，在飞机研制中，应采取措施对飞机的电子和电气系统进行保护，以免对飞行安全带来不利影响。高强度电磁辐射对飞行安全带来的影响日渐显现。首先，从飞机本身来看，执行关键功能的传统机械或机电控制及机电指示系统，已逐渐被电子式飞行控制系统、电子式显示指示系统和全权数字式发动机控制器等所替代，而这些设备对外部电磁环境的敏感程度显然高于传统的系统。其次，随着导电性低的复合材料越来越多地出现在新型飞机上，使得飞机对外部电磁环境的屏蔽效能大大降低。另外，从外部环境来看，现在射频发射机的数量和功率增加，工作方式增多（如地面雷达、通信和广播电视发射台、舰载和机载射频发射机等），使得空间电磁频谱变宽，电磁场强度增大。以上三种情况使近年来由于外部电磁环境引起的飞行事故时有发生。如在外部高强度电磁辐射环境的影响下，飞行操纵系统不稳定、控制舵面错误运动、发动机转速突然变化、导航指示器的航向、高度等参数显示错误等，从而导致飞机坠毁等严重事故的发生。HIRF要求的形成和现状目前，高强度辐射场防护被称之为“新”要求主要是基于两点：第一，欧美等国至今还没有将HIRF防护要求作为适航规章的正式条款颁布（仍在完善中）；第二，中国民航适航当局参考欧美等国的做法，已经开始将HIRF防护要求首次列入某型号合格审定之中。国外HIRF技术研究的现状美国和欧洲都有专门机构，进行了多年HIRF环境研究。虽然直到目前，美国联邦航空局/欧洲联合航空局（FAA/JAA）还没有颁布正式的HIRF的适航条款。但HIRF的适航条款制定工作一直在酝酿和讨论之中。例如，1987年发布有FAA 报告 DOT/FAA/CT 87/19“航空电子系统的HIRF防护设计”；1997年7月，FAA和JAA联合发布了建议的咨询通报“飞机电子电气系统高强度辐射场环境符合性验证”（草案6.0）；FAA于1999年3月发布的AC/AMJ20.1317用户指南；1998年4月，FAA通告N8110.71“飞机高强度辐射场环境的符合性验证指南”；2006年2月份发布了关于咨询通报AC20-HIRF的建议公告（NPRM）：AC20-HIRF飞机电子电气系统高强度辐射场环境符合性验证等。多年来，在缺少HIRF适航条款的情况下，FAA/JAA针对不同的飞机研制项目，制定了关于HIRF防护的专用条件和问题纪要，从而保证了近年所研制的民用飞机，如波音777、A320/A340、ERJ-170、CRJ200/700等均按照FAA/JAA的HIRF防护要求进行设计、分析和适航符合性验证。通过多年的工作，他们在HIRF防护设计技术、预测分析技术、适航符合性验证技术等方面积累了丰富的经验。这也为今后HIRF适航条款的出台奠定了坚实的基础。我国HIRF技术研究的现状在2003年以前，中国民航适航等部门未曾提出过HIRF的防护问题，国内在HIRF防护设计、预测分析、试验验证技术方面基本处于空白状态。随着新型支线客机项目的启动，中国民用航空局（CAAC）适航司依据FAA N8110.71通告及AC/AMJ20.1317咨询通报，颁布了针对该机的HIRF专用条件和问题纪要。目前，中国民机HIRF防护技术研究尚处于起步阶段，在HIRF设计防护技术、预测分析技术、适航符合性验证等方面有待进行深入研究。与国际上日趋成熟的HIRF防护技术存在很大的差距，还未颁布过飞机HIRF防护的标准、规范；未进行过设备级、系统级、飞机级符合性验证试验；也尚未开展过HIRF的仿真分析等。适航规章要求FAA/JAA对HIRF的适航要求表现在“飞机电子电气系统工作在高强度辐射场环境的验证”咨询通报（AC/AMJ20.1317）中，它对不同类型的飞机规定了四类不同的HIRF环境，即：固定翼飞机的严酷HIRF环境、审定HIRF环境、正常HIRF环境和旋翼飞机的严酷HIRF环境。这四类HIRF环境都是以表格的形式给出的，给出了频率和它所对应的电场强度。对于民用固定翼客机来说，适用于HIRF审定环境和正常HIRF环境，其设计和安装必须满足下列要求：1.对于完成关键功能的每个系统，当飞机暴露于正常HIRF环境时，每个系统不会受到不利影响。2.当飞机暴露于审定（Certification）HIRF环境时，所有关键功能都不得受到不利影响。3.在飞机暴露于审定HIRF环境之后，每个受到影响的执行关键功能的系统，系统应能够自动恢复正常工作，除非与该系统的其他工作要求或功能要求有冲突。目前，中国民航的CCAR 25部中尚没有HIRF的条款，但曾在2005年8月31日颁布了GSC-001“高能电磁辐射场”专用条件（草案），以保护飞机的电子电气系统免受高强度辐射场的不利影响。针对ARJ21飞机，CAAC审查组制定了SE001“高能电磁辐射场”问题纪要。其具体要求与FAA/JAA的要求相同。飞机HIRF合格审定的工作内容（二标）贯彻落实HIRF的适航要求，不仅要在飞机设计阶段进行，而且要贯穿飞机的全寿命周期。也就是说，从飞机研制初期，到投入使用运行的整个过程，都要贯彻落实“系统闪电防护”这一条款。这些工作是互相交错在一起的，是一个迭代的过程，没有严格的先后之分。HIRF合格审定的主要工作包括： 确定要评估的系统；选择适用的外部HIRF环境；选择适用的HIRF符合性验证方法；选定系统的试验环境；验证对HIRF合格审定要求的符合性。确定要评估的系统 对完成不同功能等级的系统，HIRF的防护要求是不同的。因此，要对飞机上安装的电子电气系统进行功能危害性评估工作(FHA)。按功能危害性的不同，适航文件要求将危害性分为A、B、C、D、E 五类，A类是指会妨碍继续安全飞行和着陆的失效状态；B类是指会严重的降低飞机性能或降低机组人员应付不利的运行条件能力的失效状态；C类则是会降低飞机性能或降低机组人员应付不利的运行条件能力的失效状态，如安全裕度或操作能力降低，机组工作负荷显著增加等；D类对飞行安全影响很小的失效状态；E类对飞行安全无影响。选择适用的飞机外部HIRF环境 对于民用固定翼客机，适用的外部HIRF环境为审定HIRF环境和正常HIRF环境。HIRF环境的场强是用均方根值（rms）表示的。 选择适用的HIRF符合性验证方法 HIRF符合性验证的适用方法包括：验证试验（飞机级试验、系统级试验、设备级试验）、仿真分析（一般用于飞机设计前期，用来发现不足之处，以减少风险。美国的EMA3D仿真分析软件，已被广泛应用于美、欧的军、民用飞机、航天飞机等飞行器的HIRF仿真分析中）以及相似性分析（一般用于改进、改型的飞机，用原型机的数据来进行类比分析）。选定系统的试验环境 选定系统的试验环境即建立内部HIRF环境，内部HIRF环境是外部电磁场、飞机和装在飞机上的系统间的复杂电磁相互作用的结果。外部HIRF环境将穿透飞机，在电子电气系统安装处产生内部的HIRF环境。主要的内部HIRF环境是多种因素综合的结果。如飞机的材料，结构的搭接，缝隙和开口的位置和尺寸，飞机内部的再辐射，以及飞机的共振特性等。对失效状态为灾难性的系统（A类），要求进行设备级、系统级和飞机级的符合性验证；对失效状态为危害性的系统（B类），要求进行设备级、系统级的符合性验证；对失效状态为较大的系统（C类），仅要求进行设备级的符合性验证。关于维修应按适航条例25.1529的要求，在持续适航文件中，给出支持HIRF合格审定所需的最低维修。当要求使用HIRF专用防护设备或专门技术对设备或系统提供防护时，则应确定定期维修的周期、专用试验和检查措施，以确保HIRF的整体防护作用不会降低。 应避免使用那些易于被腐蚀、磨损或其他原因的影响，而在某段时间后性能会降低的元器件。如不可避免地使用了这些元器件，则应确定这些元器件的专用替换时间间隔。若要对飞机或系统进行更改，则应将更改对HIRF防护等级的影响进行评估。这一评估应建立在分析和/或测量的基础上。应确定评估或监督设备/系统HIRF防护完整性的技术和时间间隔。为保证系统的完整性，可使用内置试验设备、阻抗测量、对整个系统进行电气连续性检查，或其它有效的方法。目前，中国民机HIRF防护技术研究尚处于起步阶段，在HIRF设计防护技术、预测分析技术、适航符合性验证等方面有待进行深入研究。我国正在启动大型飞机项目，未来它在适航符合性验证过程中