飞机HIRF防护设计与验证技术综述

飞机HIRF 防护设计与验证技术综述
孔叔钫1,
2,3,4
,黄铎佳1,
2,3,4
,向荫1,
2,3,4
(1.工业和信息化部电子第五研究所,广东广州510610;
2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室,广东广州
510610;
3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心,广东
广州510610;
4.广东省工业机器人可靠性工程实验室,广东广州
510610)
摘要:高强度辐射场(HIRF )防护作为飞机研制的新要求,在我国起步晚,与国外差距较大。

介绍了国内
外飞机HIRF 防护设计要求和验证技术的发展现状,简述了飞机HIRF 防护设计需求,综述了民用飞机HIRF 符合性验证流程,介绍并分析了当前国外主流的HIRF 试验方法。

并针对我国HIRF 发展的迫切需求,对我国HIRF 防护研究发展方向进行了分析并给出了相应的建议。

关键词:高强度辐射场防护要求;高强度辐射场防护设计技术;混响室;低电平耦合;直接电流注入
中图分类号:V 216.5;TN 07文献标志码:A 文章编号:1672-5468(2018)02-0070-08
doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2018.02.015
A Review of Design and Verification Technology of
HIRF Protection for Aircraft
KONG Shufang 1,
2,3,4
,HUANG Duojia 1,
2,3,4
,XIANG Yin 1,
2,3,4
(1.CEPREI ,Guangzhou 510610,China ;
2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology ,Guangzhou
510610,China ;
3.Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment
Engineering Technology ,Guangzhou 510610,China ;
4.Guangdong Provincial Engineering Laboratory for Reliability of Industrial Robot ,Guangzhou 510610,China )
Abstract :As a new requirement of aircraft development ,HIRF protection starts late in our
country and has a big gap with foreign countries.The development status of HIRF protection design requirements and verification technologies for aircraft at home and abroad are introduced.The requirements of aircraft HIRF protection design are briefly described.And the HIRF compliance verification procedure of civil aircraft is reviewed.Besides ,the current mainstream HIRF test methods are introduced and analyzed.Moreover ,in response to the urgent need of HIRF development in our country ,the research direction of HIRF protection in our country is analyzed and the corresponding suggestions are given.Key words :HIRF protection requirements ;HIRF design technique ;reverberation room ;low
level coupling ;direct current injection
收稿日期:2017-06-29
修回日期:2018-03-25
作者简介:孔叔钫(1987-),女,四川南充人,工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心助理工程师,
从事可靠性与环境试验研究工作。

电子产品可靠性与环境试验
ELECTRONIC PRODUCT RE L IABIL I TY AND ENVI R ONMENTAL TESTING
综述与展望
第2期
0引言
高强度辐射场(HIRF:High Intensity Radiated Field)是指来自地面、舰船、海上平台或其他航空器上的雷达、无线电、电视和卫星等高功率发射机的信号穿透飞机机体、搭接和缝隙等在飞机内部耦合而形成的辐射场,它是由人类活动造成的,其频率范围高达10kHz~40GHz[1]。

随着航空电子工业技术的发展,电子电气系统逐步地取代了传统的机械电子产品,在飞机上的使用范围越来越广泛。

前者对外部电磁环境的敏感度比后者更高,抗扰度也更差。

同时,由于飞机机壳大量地甚至全部采用复合材料,这极大地降低了飞机机体的电磁屏蔽效能,从而使敏感度高和抗扰度差的产品暴露在更加严酷的电磁环境中。

另外,机载设备软件和数据总线运行速度的加快、大规模集成电路的大量使用和接收设备灵敏度的不断提高,进一步地加剧了飞机、机载系统和设备对HIRF环境的敏感性[2]。

HIRF环境会干扰机载电子电气设备的正常工作模式,可能导致发动机转速不稳定、导航指示器高度等参数的精度下降和飞行操纵系统不受控等;此外,其还可能使系统互联线束产生感应电流,当感应电流超过一定的门槛值时,系统将发生功能紊乱,对飞机的性能、可靠性和安全性等造成严重的影响[3]。

1国内外HIRF防护适航要求的发展现状
欧美多国已经对HIRF效应进行了多年的研究,目前已形成了较为成熟的HIRF防护设计与验证体系,而我国民航HIRF防护技术的研究目前还处于起步阶段。

1.1HIRF防护适航条款的发展现状
美国联邦航空局(FAA:Federal Aviation Ad⁃ministration)于1998年4月2日颁布了通告N 8110.71《运行在HIRF环境下的航空器合格审定指南》,给出了在HIRF环境中运行的飞机的合格审定指南;于2007年7月30日颁发了咨询通告AC 20-158《运行在HIRF环境下的航空器电子和电气系统合格审定》,为验证HIRF防护的符合性提供了指南;并于2007年8月6日在联邦航空条例(FAR)第23、25、27、29部增加了HIRF防护条款23.1308、25.1317、27.1317和29.1317。

欧洲航空安全局(EASA:European Aviation Safety Agency)于2015年7月15日增加了HIRF 防护条款CS25.1317。

中国民用航空局(CAAC:Civil Aviation Ad⁃ministration of China)适航司根据FAA的N8110.71通告,于2006年8月7日颁布了咨询通告AC-21-1317《航空起高强度辐射场(HIRF)保护要求》,并于2007年增加了HIRF防护条款CCAR25.1317。

2.1HIRF防护要求
FAR25.1317、CS25.1317和CCAR25.1317对航空器电子电气系统提出的具体的HIRF防护要求完全相同。

其内容摘要如下[4-5]。

a)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。

1)当暴露于CCAR25附录L中描述的HIRF 环境I时和暴露后,其功能不会受到不利影响; 2)当飞机暴露于CCAR25附录L中描述的HIRF环境I后,其系统功能能够及时地自动恢复正常运行,除非系统的这种恢复与系统其他运行或功能要求相冲突;
3)当暴露于CCAR25附录L中描述的HIRF 环境II时和暴露后,系统不会受到不利影响。

b)对于其功能失效后会严重地降低飞机或飞行机组对不利运行条件的反应能力的电子和电气系统的设计和安装,必须满足当设备或系统暴露于CCAR25附录L中描述的HIRF设备测试水平1或2时,系统不会受到不利影响。

c)对于其功能失效后会降低飞机或飞行机组对不利运行条件的反应能力的电子和电气系统的设计和安装,必须满足当设备或系统暴露于CCAR 25附录L中描述的HIRF设备测试水平3时,系统不会受到不利影响。

HIRF环境I如表1所示,HIRF环境II如表2所示。

CCAR25附录L还规定了电子和电气系统的HIRF设备测试水平[5]。

美国航空无线电技术委员会(RTCA:Radio
孔叔钫等院飞机HIRF防护设计与验证技术综述
2018年
电子产品可靠性与环境试验
表2HIRF 环境域
表1HIRF 环境I
频段场强(E /V ·m -1)
峰值平均值(峰值的均方根值)
10kHz ~2MHz 50
502~30MHz
10010030~100MHz 50
50
100~400MHz
100100400~700MHz
700
50
700MHz ~1GHz
700
1001~2GHz 20002002~6GHz 30002006~8GHz
10002008~12GHz 3000
30012~18GHz
200020018~40GHz
600200Technical Commission for Aeronautics )2010年发布
的DO-160G 《机载设备环境条件和试验程序》将机载设备分为13类,其中有10类需要进行辐射敏感度测试,DO-160G 给出了不同类别的设备的辐照敏感度测试要求,包括信号样式及场强要求。

2005年,美国国防部发布了军用手册MIL-HDBK-516B 《适航性审查准则》,并于2008年进行了修订。

其中,第13章“电磁环境效应”有2个条款与HIRF 有关:
1)13.1.2验证所有的非飞行关键设备符合传导、辐射传热和敏感度要求(包括外部电磁环境),且不影响飞行关键设备的安全操作;
2)13.2.3验证系统与其预期的外部射频电磁环境的电磁兼容性。

国军标GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》借鉴美军标MIL-STD-464《系统电磁环境效应要求》,对飞机的外部电磁环境提出了射频场强的定量要求。

2HIRF 防护设计技术
HIRF 防护可以认为是高强度的电磁兼容防护,
归根结底是辐射敏感度(RS )和传导敏感度(CS )[6]范畴。

电磁兼容理论知识和实践经验在工程研制中的应用已较为成熟,考虑到使用新技术和新材料的敏感设备自身抗干扰能力降低,以及HIRF 的场强要求远大于电磁兼容的要求,应在电磁兼容的基础上,合理地调整设备硬件和软件设计目标,以满足HIRF 防护要求。

除了提高机载设备本身的抗扰度外,电缆的屏蔽防护也是HIRF 防护的重要环节。

这是因为在10kHz~400MHz 频段,飞机内部的电子电气设备互连线束相当于天线,接收HIRF 能量并在线束电缆内部产生感应电流,进而干扰系统正常工作[12]。

为了使屏蔽效果更加理想,可采用双层或多层屏蔽:各屏蔽层应互相隔绝并填充空气或其他绝缘介质;各层屏蔽体材料最好也都不相同[11]。

除了考虑互联线束电缆屏蔽外,还需要增大机身的电磁屏蔽效能,主要可通过以下两个方面[2]来实现:
1)在飞机机身结构中嵌入金属箔或金属网等屏蔽材料,以降低回路电阻,提高机身的电磁屏蔽效能;
合进入飞机的进入点进行防护,
频段场强(E /V ·m -1)
峰值平均值(峰值的均方根值)
10~500kHz 2020500kHz ~2MHz 30
30
2~30MHz
10010030~100MHz
1010100~200MHz
3010200~400MHz
10
10400MHz ~1GHz
700
401~2GHz 13001602~4GHz 30001204~6GHz 30001606~8GHz
400
1708~12GHz 12~18GHz 18~40GHz
1230730600230190150
第2期飞机的各类门窗、非金属整流罩等各个非金属结构件应有屏蔽涂层或金属衬垫,飞机整体外部射频搭接良好;各个操作面板应有导电垫片;处于机身外部的设备、线束和电气接头等均需要进行专门的屏蔽防护;对电磁效应敏感的线束应与非敏感线束隔离分开等。

3
HIRF 防护符合性验证流程
AC-20-158规定了民机HIRF 防护符合性验证的过程,分为确定待评估的系统、建立HIRF 环境、选择HIRF 符合性验证方法和验证HIRF 防护有效性4个步骤,如图1-2所示。

3.1确定待评估系统
确定待评估系统的主要工作是系统安全评估和确定HIRF 审定等级。

系统安全性评估可单独或与其他相关系统组合进行,评估应覆盖:
1)所有的飞机正常工作模式、飞行阶段和工作条件;
2)所有的失效条件和对飞机工作和机组的影响;
3)要求的任何纠正措施。

按系统HIRF 安全评估确定的失效状态,仅导致灾难、危险或重要失效状态的系统提出HIRF 防护需求。

另外,某些系统在不同的飞行阶段失效状态也不一样,不同的飞行阶段可能适用不同的HIRF 要求。

例如:自主飞行控制系统在自主着陆时可能存在灾难性的失效状态,而在巡航时失效状态却可能是危险的。

根据系统安全评估得出的HIRF 审定等级分为A 级、B 级和C 级。

对失效状态为灾难性的系统(A 级),要求进行设备级、系统级
图2B 级和C 级系统HIRF 防护符合性审定流
程
图1A 级系统HIRF 防护符合性流
程
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2018年电子产品可靠性与环境试验
和飞机级的符合性验证;对失效状态为危险性的系统(B级),要求进行设备级、系统级的符合性验证;对失效状态为重要的系统(C级),仅要求进行设备级的符合性验证。

HIRF失效条件和系统
HIRF审定等级如表3所示。

3.2建立飞机内外部HIRF环境
目前,CAAC和其他适航当局还不能准确地定义或控制飞机使用过程中将会曝露于HIRF的能量水平,然而,为了统一飞机合格审定政策以满足不断增长的合格审定需求,通过航空立法顾问委员会(ARAC:Aivation Rulemaking Advisory Committee)的FAA/JAA电磁影响协调工作组(EEHWG: Electromagnetic Effects Harmonization Working Group)的持续研究,FAA于1998年4月2日出版了文件N8110.71,给出了在HIRF环境中运行的航空器的合格审定指南[6]。

考虑到我国国情,可以将FAA关于HIRF的“建议的专用条件”作为飞机外部的HIRF环境。

飞机内部环境是由外部环境、机体结构、机载设备和互连线束共同作用的结果。

当飞机在遭遇外部环境电磁场时,飞机内外表面会产生感应电流。

若其内部环境不考虑飞机内部线束和机载电子电气设备对电磁环境的影响,电场强度根据飞机结构屏蔽能力呈线性衰减。

以某型水陆两栖飞机[11]为例,选用AC-20-158附录1图A1-6曲线,如图3所示。

1)对于外部HIRF环境没有任何屏蔽防护的部分,电场强度衰减值为0dB,如安装在机头采用复合材料的雷达罩;
2)对于没有较严密的外部屏蔽防护措施,仅设备机壳和互连线束有屏蔽措施的设备,电场强度衰减值取6dB,如安装在驾驶舱仪表板前端靠近风挡处的设备;
c)对于安装在设备舱机柜内部的设备,除了设备机壳和电缆屏蔽措施外,还有机柜的屏蔽保护,电场强度衰减值取12dB。

与民航运输类飞机相比,军用战斗机、预警机等遭遇的HIRF环境大为不同。

另外,军机的机载设备比民机的种类更复杂,数量更繁多,如果想取得更为理想的验证结果,应根据飞机的型号,建立不同的飞机内外部HIRF环境。

3.3确定HIRF防护符合性验证方法
3.3.1验证试验
设备级/系统级HIRF验证试验主要是参考电磁兼容试验方法,可在微波暗室、混响室、横电磁波传输室和GTEM小室进行。

微波暗室利用吸波材料模拟自由空间辐射,已被广泛地应用于电磁兼容试验中。

但国内大多数微波暗室仅能满足电磁兼容场强要求,远远达不到HIRF要求的场强。

因而,其缺点是如果想要满足HIRF的场强要求,则对吸波材料和功放的要求会更高,造价也更昂贵。

电磁混响室通过金属搅拌器改变腔室内部的电磁场边界条件形成统计均匀、各向同性和随机极化的电磁环境。

混响室只需要较小的激励就能产生高强度辐射场并获得较高的动态范围,除低频受限外,工作频率范围较宽,成本较低,测试系统配置简单,是被MTL-STD-461E《电磁干扰发射与敏感度控制要求》和DO-160G《机载设备环境条件和试验程序》等标准认可的进行设备级/系统级辐射敏感度测试[12]的试验方法。

对于小型设备而言,还可以选用GTEM小室图3飞机通用HIRF衰减系数(100MHz~18GHz)
FAR23.1308、25.1317、27.1317和29.1317HIRF要求失效状态HIRF审定等级
妨碍持续安全飞行和着陆的旋翼/飞机电子电气系统的功能失效灾难性
的A
严重降低悬疑/飞机或机组的电子电气系
统对不利运行条件的能力和功能失效
危险的B
降低旋翼/飞机或机组的电子电气系统对不利运行条件的能力的功能失效重要的C
表3
HIRF失效条件和系统HIRF审定等级
第2期进行测试[13],GTEM 小室是一个封闭的变形的同轴线结构。

当输入端输入功率信号时,传输室内便建立起TEM 波和TEM 场,能实现较大频率范围的测试。

由于结构封闭,试验时GTEM 小室不会向外辐射电磁能量,不会造成电磁污染。

其缺点是工作静区较小,被试设备的最大尺寸必须小于最高测试频率的一个波长,而最高测试频率又由小室的尺寸和场均匀性决定。

GTEM 装置典型测试配置如图5所示。

飞机级HIRF 验证试验包括飞机高电平场照射、低电平耦合和低电平直流注入等。

a )飞机高电平场照射
飞机高电平场照射试验是以等于HIRF 条款规定的外部HIRF 环境的能量等级照射安装有关键重要系统的飞机。

其优点是具有较高的逼真度;缺点是产生均匀的HIRF 的成本高昂,低频段的HIRF 还会产生严重的射频电磁污染。

考虑到占地空间、成本等因素,低频段飞机级试验应尽量地采取其他方式替代。

b )低电平耦合试验
低电平耦合(LLC :Low Level Coupling )试验的过程一般为:首先,在外部射频电磁环境下,确定机身感应电流、外部辐射场对机内互联线束感应电流的传递函数和机体结构对机内设备安装位置的机体衰减特性;然后,根据规定的外部HIRF 环境,获得实际的线束感应电流和设备安装位置场强;最后,将飞机级试验测试所获结果与外部施加的检测电平进行比较,以验证飞机HIRF 防护设计
是否满足要求[14-15]。

LLC 试验覆盖了10kHz ~18GHz 频率范围内的3种试验,即:低电平直接驱动(LLDD )测试、低电平扫频电流(LLSC )测试和低电平扫频场(LLSF )测试。

LLDD 试验的目的是为了确定在机身表面电流与设备互连线束感应电流之间的传递函数关系,适用范围是10kHz 到机身一本振谐振频率。

在LLDD 试验开始之前,可建立机身三维模型通过模拟外部不同极化方式和辐射角的辐射场来确定机身表面的感应电流。

试验时在飞机外部的机头、垂尾和左右翼尖等处注入电流,用电流探针测量系统互联线束感应电流的大小并计算出归一化的电场强度,最后通过线性叠加得到实际外部HIRF 环境下的内部电场强度。

AC-20-158给出了各类运输类飞机的机身表面电流和设备互连线束感应电流之间的传递函数曲线。

LLSC 试验时通常在机头、垂尾和左右翼尖4个方位放置辐射天线,天线与机身的距离要适当以便充分辐射,用500kHz ~400MHz 的频率信号分别在水平和垂直两种极化方式下扫频辐射,测量线束感应电流并计算出归一化电场强度,从而得到外部辐射场与线束感应电流之间的传递函数。

LLSF 试验的目的是确定100MHz ~18GHz 范围内机体结构对飞机外部辐射场的衰减特性。

LLSF 的试验方法与LLSC 类似,但是内部射频环境是直接通过测量电场强度获得,原因是在高频段线束耦合作用降低,HIRF 能量主要是通过机身缝隙、设备开孔和1/4波长连接线等途径耦合进来的。

图5GTEM 装置典型测试配置
驱动电机
电源输入滤波器
非导电支持物
均匀场体
搅拌器
可供搅拌器放置
的位置
搅拌器
姿/4在最低可用
频率
场发射天线指向
搅拌器
混响室通空
连接线滤波器
电磁场产生设备
被测设备监测器
图6飞机LLC 试验流程
连接器
芯线
吸波材料
电场探头
H
C E
EUT
光缆
存储示波器
瞬变脉冲信号发生器
EMP 电源滤波器珠形支撑
LISN 保护装置
电源输入
孔叔钫等院飞机HIRF 防护设计与验证技术综述
2018年电子产品可靠性与环境试验
必须要注意的是,应证明飞机的实际内部环境等于或低于试验水平,包括电缆感应电流和内部场强[6,10]。

LLC试验技术具有与自由场辐射相关性良好、测试系统简单、成本低和适用开阔场地等优点,是被AC-20-158认可的、可以取代飞机高电平场照射的试验方法之一,在国外已被广泛地应用于飞机
HIRF和电磁防护试验中。

c)低电平直接电流注入试验
低电平直接电流注入(DCI:Direct Current Injection)试验有全回路导体直接电流注入和接地平板直流注入两种方法[16-17]。

比较典型的全回路导体直接电流注入方法是将EUT做成同轴传输线的内导体,沿机身周围铺设铜管作为外导体,机头部分作为馈入端通过环形连接器接入驱动电流,机尾或机翼接作为负载端通过环形连接器接匹配负载吸收功率。

机外铜管和机体结构之间形成TEM场产生TEM波,机体结构的表面产生感应电流,实现电流注入。

接地平板试验方法是在机身下方铺设接地平板,通过锥形连接器使飞机机身和平板之间构成回路,机身作为内导体,接地平板作为外导体。

目前国际上对DCI已经开展了大量的理论和试验研究工作。

英国宇航公司(BAe)已将DCI技术广泛地应用于需要进行高电平HIRF试验的军用飞机中,但其在民用飞机的适航取证中应用得较少,主要原因是DCI注入电流与自由场照射之间的感应电流等价性未被普遍接受,文献[18]指出,在400MHz以下,用DCI技术来替代HIRF 照射是可行的。

3.3.2仿真分析
HIRF仿真分析既要考虑飞机壳体的电磁波反射、绕射等作用,还要考虑飞机内部线束、机柜等产生的电磁波的传播、多次反射等过程。

HIRF仿真建模需要建立干扰源、耦合路径和敏感设备等问题。

当前商用仿真软件建模都需要明确的结构参数输入和接触关系定义,缝隙的导电连续性受接触面粗糙程度、压力等因素的影响,难以直接建模,需要通过大量的测试来获得等效模型参数,是HIRF 仿真建模的难题之一[19]。

目前国际上已开发出了多种分析软件,例如: EMA3D、HFSS、CST、FEKO和CableMod等。

E⁃HIRF仿真分析中。

FEKO的数值计算方法之一——
—快速多级子法大大地降低了对计算机内存的需求,可用于计算电大尺寸模型。

3.3.3相似性分析
相似性分析是指与通过HIRF验证的原型机在设备类型、功能、设计和安装等方面进行相似性类比分析,一般适用于改进、改型飞机。

当飞机设计改动较大时,相似性分析结果的可信度会下降。

AC-20-158指出,如果相似性说明不能令人完全满意,可以注入一个从10kHz~400MHz频率范围内的大电流以验证相似性。

4我国HIRF防护发展方向分析为了满足现代飞机对环境适应性的要求,保证军用飞机的任务可靠性和任务成功率,我国应尽早组织技术攻关,在新型、改型飞机中开展HIRF防护工作。

a)深入研究飞机HIRF环境
目前我国尚未开展自己领空范围内的HIRF环境调查,尚无条件完全独立地制定符合中国国情的可用于飞机合格审定的航空器外部HIRF环境要求[6],为了满足民用飞机的设计、改装、审定和运行要求,应尽早系统、深入地研究我国固有的HIRF环境,以形成飞机HIRF防护符合性验证过程中标准的外部环境条件。

与民机在航线飞行中遭遇的HIRF环境相比,军用飞机由于战场环境、飞机任务需求不同,所面临的战场HIRF环境更加复杂。

因此,还应系统、全面地研究战斗机、运输机、预警机和直升机等不同类型的飞机的HIRF环境,为飞机HIRF的合理设计提供依据。

b)开展HIRF防护和验证技术的研究
国内目前还没有完全自主开展过飞机的HIRF 防护符合性验证试验工作,尚未形成HIRF验证试验的方法和规范。

因此,需要收集和调研国外飞机HIRF试验方法和案例等,确定HIRF验证试验方案和试验规范,结合具体的型号,开展飞机HIRF 防护设计与验证工作。

在飞机研制的早期阶段,可以考虑推广HIRF 仿真分析工作,以便提早发现飞机的HIRF设计问题。

目前,国内已有一些单位具备电磁屏蔽仿真能力,应在此基础上组织技术人员学习HIRF仿真技术,为飞机的早期设计提供技术支撑。

第2期
c)加强HIRF验证能力的建设
目前国内已有部分科研院所能够进行系统级HIRF试验,但还不具备飞机级试验的条件(ARJ21新支线飞机项目飞机级试验由国外一家试验单位承担)。

为了满足我国飞机研制对HIRF验证试验的迫切需求,应加大经费投入,提升系统级试验能力,尽快地建立飞机级HIRF验证试验环境。

5结束语
本文介绍了国内外飞机HIRF防护设计要求和验证技术的发展现状,简述了飞机HIRF防护设计需求,综述了民用飞机HIRF符合性验证流程,介绍并分析了当前国外主流的HIRF试验方法。

并针对我国HIRF发展的迫切需求,对我国HIRF防护研究发展方向给出了分析和建议。

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