民用飞机高强度辐射场HIRF防护适航验证方法研究

章光灿

【摘 要】随着飞机安全飞行与着陆对电子/电气设备依赖性越来越强，而空间HIRF环境日益严酷，飞机HIRF防护设计及适航验证也变得日益重要。本文首先比较了目前国内外适用的HIRF防护适航条款，并解析了相应适航条款。其次，根据适航咨询通告AC20-158详细介绍了民用飞机HIRF防护适航验证的具体流程及试验要求。最后介绍HIRF适航验证过程中局方的适航审查内容及关注点。

【关键词】HIRF；试验；合格审定

【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

高强度辐射场（HIRF，High Intensity Radiated Fields）电磁环境是由雷达、无线电台、广播电视发射台，以及其它陆基、舰载或机载射频发射机等传输电磁射频能量而产生。HIRF电磁环境有3个特点：频率覆盖范围广（10KHz～40GHz）、电场强度高（可达3000V/M）、作用时间长[1]。

早期飞机设计时并未考虑HIRF防护方面的要求。现在随着射频发射机的能量级别和数量的迅猛增加，HIRF环境越来越严酷，而现代飞机安全飞行和降落功能对电子/电气系统依赖性越来越强，且这些系统对HIRF环境非常敏感。此外，飞机设计中低导电性复合材料的广泛应用也同时降低了对电子/电气系统的电磁屏蔽效能。所以，高强度电磁辐射已成为影响飞机安全性的一个重要因素。

1 HIRF防护适航条款及解析

1.1 国内外HIRF防护适航条款

美国联邦航空局（FAA）于2007年12月1日正式颁布生效的FAR25-122修正案增加了25.1317条款提出了对HIRF防护设计要求。欧洲航空安全局（EASA）于2015年7月15日正式通过CS25部第17修正案，增加CS25.1317条款。而中国民用航空局（CAAC）在2007年开始修订CCAR-25-R4时，就接受FAA修正案FAR25-122，将其内容纳入此次修订中，即在CCAR-25-R4中新增CCAR25.1317条款。这三个条款的具体的技术要求完全相同。

FAA在FAR25部中，要求大型运输类飞机对于HIRF防护要求如下[2]：

（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个电子/电气系统必须设计和安装，以符合以下要求：（1）当飞机暴露于HIRF环境I时及之后，其功能不会受到不利影响；（2）当飞机暴露于HIRF环境I后，系统及时地自动恢复起功能的正常运行，除非系统的这种功能恢复与该系统其他运行活功能要求相冲突；（3）当飞机暴露于HIRF环境II时及之后，系统不会受到不利影响。

（b）对于其功能失效后会严重降低飞机性能或飞行机组对不利运行条件的反应能力的电子/电气系统必须设计和安装，当提供这些功能的设备暴露于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性能或飞行机组对不利运行条件的反应能力的电子/电气系统必须设计和安装，当提供这些功能的设备HIRF设备测试电平3时，系统不会受到不利影响。

1.2 HIRF防护适航条款解析

针对上述条款解析如下：

（1）条款中（a）点要求面向的是经系统安全性评估确认为A级的系统；（b）点要求面向的是经系统安全性评估确认为B级的系统；（c）点要求面向的是经系统安全性评估确认为C级的系统。

（2）条款（a）中针对A级系统试验验证的通过/失败标准分成了3种情况，评判标准的选择需结合受验证系统的具体功能及失效状态影响。以飞机机轮刹车控制系统为例，如经系统功能安全性分析（FHA）确定为A级系统，其相应的A级功能（人工刹车功能）有两种失效状况能引起飞机灾难性后果：（a）着陆时完全丧失刹车功能。根据刹车系统安全性分析，飞机着陆时允许其瞬间失效并及时地自动恢复，则可以第2中情况作为评判标准。首先，条款中“及时地”的定义可根据设计确定在着陆刹车过程中允许失效的最长时间；其次，受HIRF环境影响后刹车系统必须能自动恢复100%刹车能力。（b）大于V1速度时主轮非指令刹车。根据刹车系统安全性分析，飞机起飞速度大于V1时决不能出现非指令刹车，则需根据第1中情况作为评判标准。

（3）条款中HIRF环境I、II是试验时飞机所受外部环境，当其穿透飞机形成内部射频环境还有一定程度的衰减。HIRF设备测试电平1、2、3指的是进行设备试验时实验室内施加的射频环境。

2 飞机HIRF防护合格审定

HIRF合格审定验证流程见图1[3]。主要工作包括：确定待验证的系统；确定HIRF符合性验证方法；确定试验使用的HIRF环境；确定待验证系统构型；评估对HIRF合格审定要求的符合性。

2.1 确定待验证的系统

FAA关于HIRF的规章条款和咨询通告AC20-158要求的适航审查对象仅限于经系统安全性评估得出的A级、B级和C级电子/电气系统。首先，对于完成不同功能等级的系统，由于HIRF的防护要求不同的，所以相应的试验要求也不同。A级系统必需完成设备级，系统级及飞机级试验。B级、C级只需要完成设备级试验，但如果为增强系统的自信可进行相应的系统级试验。其次，系统在飞行的不同阶段也有不同的HIRF防护要求，防护的验证过程需结合飞机正常的工作模式，飞行阶段和工作条件。

A级系统指其执行的功能失效将妨碍飞机继续安全飞行和着陆，可引起灾难性后果，使飞行机组致命或丧失能力，并造成多名乘客死亡；B级系统指其执行的功能失效将大大降低飞机或飞行机组人员的能力，可引起危险性后果，使飞行机组处于危险状态，工作负荷极大增加，完成任务的能力极大降低，并造成少部分乘客严重受伤或死亡；C级系统指其执行的功能失效会减少飞机和飞行机组人员的能力，可引起重大后果，造成飞行机组身体不适且较大的增加工作负荷，并使乘客身体极度不适或受伤。

2.2 确定HIRF符合性验证方法

HIRF符合性验证的一般适用方法包括：试验验证（设备级试验、系统级试验、飞机级试验），仿真分析和相似性分析。

试验验证是最有效的方法，采用DO160第20章节规定的试验程序要求进行相应的验证，这不仅能充分反映系统在HIRF环境中的性能表现，并能及时采取正确的纠正措施。仿真分析时需要对HIRF辐射场建立完整的模型，并考虑飞机结构的耦合作用，这种方法一般用于飞机设计的前期，用来发现设计的不足之处。对于A级系统不能仅靠分析来验证HIRF防护的符合性，还需有试验来增强说服力。相似性分析方法的原则是原飞机/系统必须先前就已获得HIRF合格审定认可，一般用于飞机的改进/改型。分析时因评估先前获合格审定的飞机/系统与新飞机/系统之间的差异。如只有细微的差别，则不需要额外的试验。如果评估后差异影响有不确定性，则应进行额外的试验和分析。但如果发现显著差异，相似性方法不能作为飞机/系统级验证的基础。

对于飞机级或复杂的系统可能需要多种验证方法相结合才能充分表明其HIRF防护的符合性。如果是相对简单的系统则选取一种有效的试验方法即可。

2.3 确定试验使用的HIRF环境

外部HIRF环境即条款中定义的HIRF环境I、II，具体的频段及磁场强度可参阅文献[3]。外部HIRF环境渗透入飞机后，建立飞机内部的射频辐射场，内部的电子/电气系统将暴露于此环境下。内部射频辐射场的产生是一系列因素复杂互相作用的结果而不是各种因素的简单叠加，如飞机接缝及开口，飞机内部结构和布线的再辐射，特有的飞机电气共振特性等。

A级系统试验的HIRF内部环境水平由HIRF环境I、II经飞机衰减后形成。但是在许多情况下，系统级试验在飞机级试验的评估之前完成。在这种情况下，集成系统试验区域HIRF环境的确定应首先基于预期的飞机衰减或传递函数。对于B级和C级系统不要求系统级的HIRF试验达到A级系统的相同程度，因此不需要飞机级试验。B级系统试验的HIRF环境可采用HIRF设备测试电平1或2，C级系统试验的HIRF环境采用HIRF设备测试电平3。

2.4 确定待验证系统构型

首先，试验系统在实验室中的安装信息应尽量与在飞机上的安装相似。例如，系统电子/电气设备的搭接方式与接地，导线线规，布线方式（平行线或双扭绞线），电气连接器类型，电缆屏蔽和端屏蔽方式，各设备之间及与地平面的相对位置都应于装机状态保持一致。

其次，系统级HIRF环境试验时应保持系统处于工作状态，并且需试验其所有的工作模式。系统级试验中对于执行A级功能相关的所有电子/电气设备都应确保是真件。如果系统中的设备与执行A及功能不相关，这些设备可用模拟负载代替，但是其必须能精确的反应电子/电气设备的终端电路阻抗。

2.5 评估HIRF防护的符合性

检查试验结果，设备级试验要求电子/电气设备在相应等级的HIRF设备测试电平水平下符合试验前确定的通过/失败标准。

A级系统级试验一般在飞机级试验之前完成，试验时实际的HIRF环境是基于预期的飞机衰减或传递函数确定。因此，待完成飞机级低电平耦合试验确定飞机内部系统和设备线束上感应的电流及形成射频辐射场后需与系统试验环境等级相比较。如果实际飞机内部HIRF环境比系统试验环境水平高，则应采取相应的纠正措施。

3 局方审查内容

在适航审定过程中，局方会全程介入第2节描述的HIRF防护试验验证过程中。相应审定部门对申请人所采用的HIRF防护符合性计划和方法的评估，验证过程的完整性和准确性，这将关系到飞机在使用过程中对HIRF环境的防护能力和相应安全性水平[4]。

在HIRF试验验证过程中局方审定主要包括以下几个方面：

（a）批准申请人提交的HIRF符合性计划，内容应包括HIRF合格审定要求，待验证系统的确定，HIRF环境及试验方法。

（b）批准申请人提交的HIRF防护验证方法的实施计划，内容包括试验目的，被试验飞机/系统的描述，系统构型配置，预期的试验环境，符合性通过/失败标准。

（c）局方需在HIRF防护验证试验前对待验证系统进行制造符合性检查，检查内容应包含系统试验件，数据监控设备，实验室资质，试验人员资质等。

（d）局方需对试验过程进行现场目击。

（e）批准申请人提交的试验结果和HIRF防护符合性报告。

4 结束语

目前，我国在民航HIRF防护适航验证工作方面还处于起步阶段，对我国民航事业是一个新兴工作，尤其在适航验证技术，过程管理，实验室建设等方面与国际水平相差巨大。学习研究国外在该领域中的政策及法规，对航空器电子/电气系统设计，适航验证具有相应的参考借鉴意义，以培养国内HIRF防护适航验证技术队伍。

【参考文献】

[1]ARP 5583-2003， Guide to Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field（HIRF） environment[S].

[2]FAA.Federal Aviation Regulation 25. Washington D.C.：FAA，2007[Z].

[3]AC 20.158. The certification of aircraft electrical and electronic systems for operation in HIRF environment. U.S. Department of Transportation， FAA 2007（07）： 30[Z].

[4]苏多，栗牧怀，舒小华.民用航空器HIRF防护适航验证方法和审定政策研究[J].国际航空，2009（10）.

[责任编辑：王楠]