運輸類旋翼航空器高強輻射場研究

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摘要：隨著技術的進步，現代航空器中電氣和電子系統的應用越來越多，航空器安全飛行與著陸對這些系統的依賴性越來越強，而空間的高強輻射場環境日益嚴酷，在提高系統性能的同時，也帶來了高強輻射場防護問題，因此，航空器的高強輻射場防護也變得日益重要。本文介紹了國內外高強輻射場適航條款的情況，對相應的適航要求進行了解析，提出符合性驗證思路及方法建議，可為其他旋翼航空器的高強輻射場防護提供技術參考。

關鍵詞：旋翼航空器；高強輻射場；適航

從20世紀60年代開始，隨著電子和電氣系統的廣泛應用，電磁波和輻射對航空器的影響開始日益顯現。1967～2000年，先后有幾架飛機和直升機受到影響發生事故，事后調查發現，事故原因包括機載高度表顯示錯誤、槳葉伺服機構失效、通信系統受到干擾，這幾起事故均是因為電子電氣系統受到了電磁波和輻射的影響，使得航空器墜毀或者受到了不同程度的損壞，由此可見，電磁防護對航空器的重要性。高強輻射場（HighIntensityRadiatedField,HIRF）是在單位面積的輻射能量比較高的一種電磁輻射。這種電磁輻射除了會對人身產生影響，還會影響航空器電子電氣系統的正常運行，對航空器而言，HIRF環境一般是由雷達、無線電、電視和其他地面、水面或者空中的射頻發射機發射的能量造成的。雖然HIRF沒有對早期的航空器形成明顯的危害，但是由上述幾起事故可以看出，在20世紀70年代末期設計的民用航空器包括了關鍵飛行電子控制系統，電子顯示以及發動機電子控制系統等，這些系統的運行在HIRF環境中更容易受到有害影響，從而影響航空器的安全飛行和著陸。近年來，由于以下原因對這些系統進行保護的必要性已經顯著提升：（1）航空器持續安全飛行和著陸需要對電子和電氣系統承擔的功能有更大的依賴；（2）設計航空器時由于采用復合材料引起電磁屏蔽的減弱；（3）由于不斷增加的數據總線或處理器運算速度，更高密度的集成電路和板塊和更敏感的電子設備使得電子電氣系統越來越容易受到HIRF的影響；（4）使用頻率的擴展，尤其高于1千兆赫（GHz）；（5）由于無線電傳輸裝置的數目和能量的增加引起的更嚴重的HIRF環境；（6）實踐證明，一些航空器暴露在HIRF環境下的負作用。因此，HIRF已經成為影響現代航空器安全運行的一個重要因素。本文首先梳理了HIRF的相關適航規章和標準，根據HIRF的相關適航規章和標準，對HIRF的適航要求進行了解析，探討了運輸類旋翼航空器的HIRF適航符合性驗證思路及方法。

1適航條款及解析

1.1國內外HIRF防護適航條款。美國聯邦航空局（FAA）于2006年2月1日了規章制訂建議公告（NPRM）（71FR5553）。該NPRM包括對促進本次規章制訂的HIRF相關事件的描述。最終通過討論，新增29.1317高強輻射場（HIRF）防護條款，并在29部增加附錄E增加HIRF環境和設備HIRF測試水平的要求。中國交通運輸部在2017年4月1日頒布了《運輸類旋翼航空器適航規定》（CCAR-29-R2），新增了第29.1317條高強輻射場（HIRF）保護，在此之前，國內運輸類旋翼航空器的HIRF防護經驗十分有限，部分型號參考FAR29.1317制定了HIRF防護的專用條件。1.2HIRF防護適航條款解析。29.1317條款規定了三類不同程度影響旋翼航空器安全的電子電氣系統（分別稱為關鍵系統、重要系統、一般系統）的HIRF防護設計要求及驗證要求。旋翼航空器關鍵系統、重要系統、一般系統的界定可按照29.1309要求，由整機功能危險分析（FHA）確定。（1）條款（a）提到的電氣和電子系統是指經系統安全性評估確認為A級的系統，這些系統在功能失效后會妨礙航空器繼續安全飛行和著陸；條款（b）提到的電氣和電子系統是指經系統安全性評估確認為B級的系統，這些系統在功能失效后會嚴重降低航空器或者飛行機組對不利運行條件的應對能力；條款（c）提到的電氣和電子系統是指經系統安全性評估確認為C級的系統，這些系統功能失效后會降低航空器或者飛行機組的不利運行條件的應對能力；經系統安全性評估確認為D或E級的系統，可以不考慮本條款的要求。（2）附件E對旋翼航空器電氣和電子系統的HIRF環境以及設備測試水平做出了具體要求。（3）條款中“功能不會受到不利影響”，即表示系統在條款要求的HIRF環境中功能一直要保持正常，不允許有瞬態的功能喪失，通常這種情況下，可以采取系統備份的方式，保證主系統受影響后，備份系統也能正常運行。同理，“系統不受不利影響”即表示系統在條款要求的HIRF環境中不允許有瞬態的喪失。

2符合性驗證思路及方法建議

中國民用航空局（CAAC）2006年頒布了《航空器高強輻射場（HIRF）保護要求》（AC-21-1317），按照該咨詢通告的要求，29.1317條款的建議驗證思路如下：2.1確定要評估的系統。結合整機功能危險性分析和分系統功能危險性分析，梳理確定需要進行HIRF評估的關鍵系統和重要系統。針對不同等級的系統，由于適航規章對其有不同的防護要求，因此，應該完成的試驗也不相同。A級系統通常需要完成整機級、系統級及設備級試驗，而B級和C級系統通常只需要完成設備級試驗。2.2建立適用的HIRF環境。CCAR29-R2附錄E規定了旋翼航空器的外部HIRF環境I、II、III。一般來說，當旋翼航空器暴露在HIRF環境中時，外部HIRF能夠穿透航空器，在內部形成一個射頻環境，使得內部的電氣和電子系統受到HIRF的影響。（1）A級系統。A級系統的內部HIRF環境是由航空器對HIRF環境Ⅰ、Ⅱ的衰減決定的。衰減是針對不同航空器和不同區域特定的，應通過整機級試驗、分析或相似性來建立。A級系統應完成設備級試驗及整機級試驗，對顯示系統來說，還需進行系統綜合臺架試驗。（2）B級系統。B級系統應完成設備級試驗，適用于HIRF設備級測試水平1、2。（3）C級系統。C級系統應完成設備級試驗，適用于HIRF設備級測試水平3。2.3HIRF符合性驗證方法。通常HIRF的符合性驗證會采用試驗室試驗和分析/計算的方法。2.3.1試驗室試驗。試驗室試驗包括整機級、系統級和設備級試驗。（1）整機級試驗。整機級試驗的兩種主要方法是低電平耦合試驗和高電平試驗。低電平耦合包括測量機身的衰減并確認綜合系統臺架試驗電平以反映測量的內部HIRF環境。高電平設備場照度試驗包括使用與適用的外部HIRF環境相等的試驗電平照射旋翼航空器。（2）系統級試驗。對于A類系統，應在綜合系統臺架上進行輻射和傳導射頻敏感性試驗室試驗：（a）試驗室集成系統試驗的安裝細節應該類似于機上的安裝；（b）系統級HIRF環境試驗時被測試的系統應該一直處于工作狀態，同時需要驗證所有工作模式下系統的運行情況；（c）根據系統安全評估和適當的HIRF規定，為系統定義適當的合格/不合格準則；（d）測試電平的選擇應根據整機試驗確定的內部HIRF預期環境。（3）設備級試驗。在建立對設備HIRF抗干擾度的置信水平之前，可采用RTCA/DO-160第20節的方法進行集成系統的輻射和傳導射頻敏感度的試驗室試驗。在以往型號合格審定的過程中，一般針對A類系統，設備級HIRF試驗并不是強制的，可以選擇進行以支撐集成系統的HIRF試驗。RTCA/DO-160中對設備試驗等級進行了詳細規定，B級系統采用1或者2級設備HIRF試驗，C級系統采用3級設備試驗。2.3.2分析/計算。一般分析/計算會采用仿真分析和相似性分析的方法。（1）仿真分析。仿真分析在現代航空器的設計中應用越來越多，通常這種分析方法會在航空器設計之初采用，用于及早發現設計中存在的一些缺陷。美、歐一些航空強國在HIRF的防護設計中普遍采用了仿真分析軟件，而我國航空器HIRF防護設計的仿真分析水平與其相比還有很大差距。（2）相似性分析。在已有的旋翼航空器型號的基礎上，對其進行改進或者改型時，可以采用相似性分析的方法對HIRF的防護效果進行評估。采用相似性分析時，應該對原型機和改進或改型后的機型的數據進行詳細對比，保證采用相似性分析后得出的結果是可信的，能夠用來表明符合性。2.4驗證對HIRF合格審定要求的符合性。當試驗結果表明，HIRF環境下的系統和設備線束上的射頻電流低于測試等級時，可以認為符合HIRF防護的合格審定要求。

3結語

隨著航空電子工業技術的發展,電子電氣系統逐步取代了傳統的機械電子產品,現代航空器的安全運行和著陸離不開電子電氣系統，旋翼航空器與固定翼飛機相比，飛行高度低，更容易受到HIRF環境的干擾。本文梳理了國內外HIRF防護適航條款的頒布和使用情況，對運輸類旋翼航空器的HIRF要求進行了解讀，提出了符合性驗證思路及驗證方法建議，為后續其他機型開展HIRF防護設計和適航驗證提供了一定的技術支持。目前，我國在運輸類旋翼航空器HIRF防護設計和適航驗證方面經驗十分不足，由于相應的適航條款頒布的時間較晚，還沒有一架運輸類旋翼航空器進行過完整的HIRF設計和適航驗證，與國際水平相差巨大。因此，后續對運輸類旋翼航空器的HIRF防護設計和適航驗證還需要進一步的研究與實踐。

參考文獻：

[1]章光燦.民用飛機高強度輻射場（HIRF）防護適航驗證方法研究[J].科技視界，2016.

[2]中國交通運輸部.CCAR29R2運輸類旋翼航空器適航規定[S].北京：中國交通運輸部，2017.

[3]中國民用航空總局.AC-21-1317航空器高強輻射場（HIRF）保護要求[S].北京：中國民用航空總局，2006.

作者:黃書雅 單位:中航工業直升機設計研究所