民用飛機(jī)高強(qiáng)度輻射場(chǎng)HIRF防護(hù)適航驗(yàn)證方法研究

章光燦

【摘 要】隨著飛機(jī)安全飛行與著陸對(duì)電子/電氣設(shè)備依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，而空間HIRF環(huán)境日益嚴(yán)酷，飛機(jī)HIRF防護(hù)設(shè)計(jì)及適航驗(yàn)證也變得日益重要。本文首先比較了目前國(guó)內(nèi)外適用的HIRF防護(hù)適航條款，并解析了相應(yīng)適航條款。其次，根據(jù)適航咨詢(xún)通告AC20-158詳細(xì)介紹了民用飛機(jī)HIRF防護(hù)適航驗(yàn)證的具體流程及試驗(yàn)要求。最后介紹HIRF適航驗(yàn)證過(guò)程中局方的適航審查內(nèi)容及關(guān)注點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】HIRF；試驗(yàn)；合格審定

【Abstract】With the safe flight and landing of aircraft becoming increasingly dependent upon the electrical/electronic equipment， and the HIRF environment becoming much more severe， it is more meaningful to do research on the airworthiness verification methods for HIRF protection. Firstly， this paper compares the airworthiness HIRF protection regulations establish by FAA， EASA and CAAC and analyzes it. Secondly， according to the Airworthiness Advisory Circular AC20-158， this paper introduces the verification procedures and test requirements for HIRF protection. Finally， it discusses the concerns which the airworthiness authorities may pay an attention to.

【Key words】HIRF； Test； Certification

0 引言

高強(qiáng)度輻射場(chǎng)（HIRF，High Intensity Radiated Fields）電磁環(huán)境是由雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、廣播電視發(fā)射臺(tái)，以及其它陸基、艦載或機(jī)載射頻發(fā)射機(jī)等傳輸電磁射頻能量而產(chǎn)生。HIRF電磁環(huán)境有3個(gè)特點(diǎn)：頻率覆蓋范圍廣（10KHz～40GHz）、電場(chǎng)強(qiáng)度高（可達(dá)3000V/M）、作用時(shí)間長(zhǎng)[1]。

早期飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮HIRF防護(hù)方面的要求?，F(xiàn)在隨著射頻發(fā)射機(jī)的能量級(jí)別和數(shù)量的迅猛增加，HIRF環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)酷，而現(xiàn)代飛機(jī)安全飛行和降落功能對(duì)電子/電氣系統(tǒng)依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，且這些系統(tǒng)對(duì)HIRF環(huán)境非常敏感。此外，飛機(jī)設(shè)計(jì)中低導(dǎo)電性復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用也同時(shí)降低了對(duì)電子/電氣系統(tǒng)的電磁屏蔽效能。所以，高強(qiáng)度電磁輻射已成為影響飛機(jī)安全性的一個(gè)重要因素。

1 HIRF防護(hù)適航條款及解析

1.1 國(guó)內(nèi)外HIRF防護(hù)適航條款

美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）于2007年12月1日正式頒布生效的FAR25-122修正案增加了25.1317條款提出了對(duì)HIRF防護(hù)設(shè)計(jì)要求。歐洲航空安全局（EASA）于2015年7月15日正式通過(guò)CS25部第17修正案，增加CS25.1317條款。而中國(guó)民用航空局（CAAC）在2007年開(kāi)始修訂CCAR-25-R4時(shí)，就接受FAA修正案FAR25-122，將其內(nèi)容納入此次修訂中，即在CCAR-25-R4中新增CCAR25.1317條款。這三個(gè)條款的具體的技術(shù)要求完全相同。

FAA在FAR25部中，要求大型運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)對(duì)于HIRF防護(hù)要求如下[2]：

（a）對(duì)于其功能失效會(huì)影響或妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸的每個(gè)電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)和安裝，以符合以下要求：（1）當(dāng)飛機(jī)暴露于HIRF環(huán)境I時(shí)及之后，其功能不會(huì)受到不利影響；（2）當(dāng)飛機(jī)暴露于HIRF環(huán)境I后，系統(tǒng)及時(shí)地自動(dòng)恢復(fù)起功能的正常運(yùn)行，除非系統(tǒng)的這種功能恢復(fù)與該系統(tǒng)其他運(yùn)行活功能要求相沖突；（3）當(dāng)飛機(jī)暴露于HIRF環(huán)境II時(shí)及之后，系統(tǒng)不會(huì)受到不利影響。

（b）對(duì)于其功能失效后會(huì)嚴(yán)重降低飛機(jī)性能或飛行機(jī)組對(duì)不利運(yùn)行條件的反應(yīng)能力的電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)和安裝，當(dāng)提供這些功能的設(shè)備暴露于HIRF設(shè)備測(cè)試水平1或2時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)受到不利影響。

（c）對(duì)于其功能失效后會(huì)降低飛機(jī)性能或飛行機(jī)組對(duì)不利運(yùn)行條件的反應(yīng)能力的電子/電氣系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)和安裝，當(dāng)提供這些功能的設(shè)備HIRF設(shè)備測(cè)試電平3時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)受到不利影響。

1.2 HIRF防護(hù)適航條款解析

針對(duì)上述條款解析如下：

（1）條款中（a）點(diǎn)要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為A級(jí)的系統(tǒng)；（b）點(diǎn)要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為B級(jí)的系統(tǒng)；（c）點(diǎn)要求面向的是經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估確認(rèn)為C級(jí)的系統(tǒng)。

（2）條款（a）中針對(duì)A級(jí)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)分成了3種情況，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的選擇需結(jié)合受驗(yàn)證系統(tǒng)的具體功能及失效狀態(tài)影響。以飛機(jī)機(jī)輪剎車(chē)控制系統(tǒng)為例，如經(jīng)系統(tǒng)功能安全性分析（FHA）確定為A級(jí)系統(tǒng)，其相應(yīng)的A級(jí)功能（人工剎車(chē)功能）有兩種失效狀況能引起飛機(jī)災(zāi)難性后果：（a）著陸時(shí)完全喪失剎車(chē)功能。根據(jù)剎車(chē)系統(tǒng)安全性分析，飛機(jī)著陸時(shí)允許其瞬間失效并及時(shí)地自動(dòng)恢復(fù)，則可以第2中情況作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。首先，條款中“及時(shí)地”的定義可根據(jù)設(shè)計(jì)確定在著陸剎車(chē)過(guò)程中允許失效的最長(zhǎng)時(shí)間；其次，受HIRF環(huán)境影響后剎車(chē)系統(tǒng)必須能自動(dòng)恢復(fù)100%剎車(chē)能力。（b）大于V1速度時(shí)主輪非指令剎車(chē)。根據(jù)剎車(chē)系統(tǒng)安全性分析，飛機(jī)起飛速度大于V1時(shí)決不能出現(xiàn)非指令剎車(chē)，則需根據(jù)第1中情況作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

（3）條款中HIRF環(huán)境I、II是試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)所受外部環(huán)境，當(dāng)其穿透飛機(jī)形成內(nèi)部射頻環(huán)境還有一定程度的衰減。HIRF設(shè)備測(cè)試電平1、2、3指的是進(jìn)行設(shè)備試驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)施加的射頻環(huán)境。

2 飛機(jī)HIRF防護(hù)合格審定

HIRF合格審定驗(yàn)證流程見(jiàn)圖1[3]。主要工作包括：確定待驗(yàn)證的系統(tǒng)；確定HIRF符合性驗(yàn)證方法；確定試驗(yàn)使用的HIRF環(huán)境；確定待驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)型；評(píng)估對(duì)HIRF合格審定要求的符合性。

2.1 確定待驗(yàn)證的系統(tǒng)

FAA關(guān)于HIRF的規(guī)章條款和咨詢(xún)通告AC20-158要求的適航審查對(duì)象僅限于經(jīng)系統(tǒng)安全性評(píng)估得出的A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)電子/電氣系統(tǒng)。首先，對(duì)于完成不同功能等級(jí)的系統(tǒng)，由于HIRF的防護(hù)要求不同的，所以相應(yīng)的試驗(yàn)要求也不同。A級(jí)系統(tǒng)必需完成設(shè)備級(jí)，系統(tǒng)級(jí)及飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)。B級(jí)、C級(jí)只需要完成設(shè)備級(jí)試驗(yàn)，但如果為增強(qiáng)系統(tǒng)的自信可進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。其次，系統(tǒng)在飛行的不同階段也有不同的HIRF防護(hù)要求，防護(hù)的驗(yàn)證過(guò)程需結(jié)合飛機(jī)正常的工作模式，飛行階段和工作條件。

A級(jí)系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效將妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸，可引起災(zāi)難性后果，使飛行機(jī)組致命或喪失能力，并造成多名乘客死亡；B級(jí)系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效將大大降低飛機(jī)或飛行機(jī)組人員的能力，可引起危險(xiǎn)性后果，使飛行機(jī)組處于危險(xiǎn)狀態(tài)，工作負(fù)荷極大增加，完成任務(wù)的能力極大降低，并造成少部分乘客嚴(yán)重受傷或死亡；C級(jí)系統(tǒng)指其執(zhí)行的功能失效會(huì)減少飛機(jī)和飛行機(jī)組人員的能力，可引起重大后果，造成飛行機(jī)組身體不適且較大的增加工作負(fù)荷，并使乘客身體極度不適或受傷。

2.2 確定HIRF符合性驗(yàn)證方法

HIRF符合性驗(yàn)證的一般適用方法包括：試驗(yàn)驗(yàn)證（設(shè)備級(jí)試驗(yàn)、系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)、飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)），仿真分析和相似性分析。

試驗(yàn)驗(yàn)證是最有效的方法，采用DO160第20章節(jié)規(guī)定的試驗(yàn)程序要求進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證，這不僅能充分反映系統(tǒng)在HIRF環(huán)境中的性能表現(xiàn)，并能及時(shí)采取正確的糾正措施。仿真分析時(shí)需要對(duì)HIRF輻射場(chǎng)建立完整的模型，并考慮飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耦合作用，這種方法一般用于飛機(jī)設(shè)計(jì)的前期，用來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足之處。對(duì)于A級(jí)系統(tǒng)不能僅靠分析來(lái)驗(yàn)證HIRF防護(hù)的符合性，還需有試驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)說(shuō)服力。相似性分析方法的原則是原飛機(jī)/系統(tǒng)必須先前就已獲得HIRF合格審定認(rèn)可，一般用于飛機(jī)的改進(jìn)/改型。分析時(shí)因評(píng)估先前獲合格審定的飛機(jī)/系統(tǒng)與新飛機(jī)/系統(tǒng)之間的差異。如只有細(xì)微的差別，則不需要額外的試驗(yàn)。如果評(píng)估后差異影響有不確定性，則應(yīng)進(jìn)行額外的試驗(yàn)和分析。但如果發(fā)現(xiàn)顯著差異，相似性方法不能作為飛機(jī)/系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。

對(duì)于飛機(jī)級(jí)或復(fù)雜的系統(tǒng)可能需要多種驗(yàn)證方法相結(jié)合才能充分表明其HIRF防護(hù)的符合性。如果是相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)則選取一種有效的試驗(yàn)方法即可。

2.3 確定試驗(yàn)使用的HIRF環(huán)境

外部HIRF環(huán)境即條款中定義的HIRF環(huán)境I、II，具體的頻段及磁場(chǎng)強(qiáng)度可參閱文獻(xiàn)[3]。外部HIRF環(huán)境滲透入飛機(jī)后，建立飛機(jī)內(nèi)部的射頻輻射場(chǎng)，內(nèi)部的電子/電氣系統(tǒng)將暴露于此環(huán)境下。內(nèi)部射頻輻射場(chǎng)的產(chǎn)生是一系列因素復(fù)雜互相作用的結(jié)果而不是各種因素的簡(jiǎn)單疊加，如飛機(jī)接縫及開(kāi)口，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布線(xiàn)的再輻射，特有的飛機(jī)電氣共振特性等。

A級(jí)系統(tǒng)試驗(yàn)的HIRF內(nèi)部環(huán)境水平由HIRF環(huán)境I、II經(jīng)飛機(jī)衰減后形成。但是在許多情況下，系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)在飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)的評(píng)估之前完成。在這種情況下，集成系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)域HIRF環(huán)境的確定應(yīng)首先基于預(yù)期的飛機(jī)衰減或傳遞函數(shù)。對(duì)于B級(jí)和C級(jí)系統(tǒng)不要求系統(tǒng)級(jí)的HIRF試驗(yàn)達(dá)到A級(jí)系統(tǒng)的相同程度，因此不需要飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)。B級(jí)系統(tǒng)試驗(yàn)的HIRF環(huán)境可采用HIRF設(shè)備測(cè)試電平1或2，C級(jí)系統(tǒng)試驗(yàn)的HIRF環(huán)境采用HIRF設(shè)備測(cè)試電平3。

2.4 確定待驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)型

首先，試驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的安裝信息應(yīng)盡量與在飛機(jī)上的安裝相似。例如，系統(tǒng)電子/電氣設(shè)備的搭接方式與接地，導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)規(guī)，布線(xiàn)方式（平行線(xiàn)或雙扭絞線(xiàn)），電氣連接器類(lèi)型，電纜屏蔽和端屏蔽方式，各設(shè)備之間及與地平面的相對(duì)位置都應(yīng)于裝機(jī)狀態(tài)保持一致。

其次，系統(tǒng)級(jí)HIRF環(huán)境試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，并且需試驗(yàn)其所有的工作模式。系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)中對(duì)于執(zhí)行A級(jí)功能相關(guān)的所有電子/電氣設(shè)備都應(yīng)確保是真件。如果系統(tǒng)中的設(shè)備與執(zhí)行A及功能不相關(guān)，這些設(shè)備可用模擬負(fù)載代替，但是其必須能精確的反應(yīng)電子/電氣設(shè)備的終端電路阻抗。

2.5 評(píng)估HIRF防護(hù)的符合性

檢查試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)備級(jí)試驗(yàn)要求電子/電氣設(shè)備在相應(yīng)等級(jí)的HIRF設(shè)備測(cè)試電平水平下符合試驗(yàn)前確定的通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)。

A級(jí)系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)一般在飛機(jī)級(jí)試驗(yàn)之前完成，試驗(yàn)時(shí)實(shí)際的HIRF環(huán)境是基于預(yù)期的飛機(jī)衰減或傳遞函數(shù)確定。因此，待完成飛機(jī)級(jí)低電平耦合試驗(yàn)確定飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)和設(shè)備線(xiàn)束上感應(yīng)的電流及形成射頻輻射場(chǎng)后需與系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境等級(jí)相比較。如果實(shí)際飛機(jī)內(nèi)部HIRF環(huán)境比系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境水平高，則應(yīng)采取相應(yīng)的糾正措施。

3 局方審查內(nèi)容

在適航審定過(guò)程中，局方會(huì)全程介入第2節(jié)描述的HIRF防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中。相應(yīng)審定部門(mén)對(duì)申請(qǐng)人所采用的HIRF防護(hù)符合性計(jì)劃和方法的評(píng)估，驗(yàn)證過(guò)程的完整性和準(zhǔn)確性，這將關(guān)系到飛機(jī)在使用過(guò)程中對(duì)HIRF環(huán)境的防護(hù)能力和相應(yīng)安全性水平[4]。

在HIRF試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中局方審定主要包括以下幾個(gè)方面：

（a）批準(zhǔn)申請(qǐng)人提交的HIRF符合性計(jì)劃，內(nèi)容應(yīng)包括HIRF合格審定要求，待驗(yàn)證系統(tǒng)的確定，HIRF環(huán)境及試驗(yàn)方法。

（b）批準(zhǔn)申請(qǐng)人提交的HIRF防護(hù)驗(yàn)證方法的實(shí)施計(jì)劃，內(nèi)容包括試驗(yàn)?zāi)康?，被試?yàn)飛機(jī)/系統(tǒng)的描述，系統(tǒng)構(gòu)型配置，預(yù)期的試驗(yàn)環(huán)境，符合性通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)。

（c）局方需在HIRF防護(hù)驗(yàn)證試驗(yàn)前對(duì)待驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行制造符合性檢查，檢查內(nèi)容應(yīng)包含系統(tǒng)試驗(yàn)件，數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)，試驗(yàn)人員資質(zhì)等。

（d）局方需對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)目擊。

（e）批準(zhǔn)申請(qǐng)人提交的試驗(yàn)結(jié)果和HIRF防護(hù)符合性報(bào)告。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)在民航HIRF防護(hù)適航驗(yàn)證工作方面還處于起步階段，對(duì)我國(guó)民航事業(yè)是一個(gè)新興工作，尤其在適航驗(yàn)證技術(shù)，過(guò)程管理，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面與國(guó)際水平相差巨大。學(xué)習(xí)研究國(guó)外在該領(lǐng)域中的政策及法規(guī)，對(duì)航空器電子/電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適航驗(yàn)證具有相應(yīng)的參考借鑒意義，以培養(yǎng)國(guó)內(nèi)HIRF防護(hù)適航驗(yàn)證技術(shù)隊(duì)伍。

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[責(zé)任編輯：王楠]