全权限数字电子控制器雷电试验方法研究

孔祥明，邵志江，顾颖慧

（中航工业动力控制系统研究所，江苏无锡 214063）

全权限数字电子控制器雷电试验方法研究

孔祥明，邵志江，顾颖慧

（中航工业动力控制系统研究所，江苏无锡 214063）

在分析机载设备雷电感应敏感度试验相关标准的基础上，对全权限数字电子控制器雷电间接效应试验方法进行研究。对雷电间接效应耦合方式进行了分类，并以某型全权限数字电子控制器为例，介绍了数字电子控制器雷电感应瞬态敏感度试验波形组、试验电平选择方法及试验过程。并对空客和波音公司机载设备雷电感应瞬态敏感度试验方法做了初步介绍。研究成果可供制定机载设备雷电防护要求及试验方案时参考。

全权限数字电子控制系统；雷电感应瞬态敏感度；雷电间接效应；机载设备；航空发动机

0　引言

近年来，飞机上执行飞行关键/重要功能的传统机电控制、机电指示系统逐渐被电子式飞行控制系统、电子式显示指示系统和发动机全权限数字电子控制（FADEC）系统等所替代［1］。当前商业运输机（如空客A320和波音B747-400）在发动机控制中均使用全权限数字电子控制系统。FADEC系统是飞行关键系统，适航管理机构要求该系统能承受飞机受到的严酷雷击的影响。因为该系统的大多数部件安装在机身内部，雷电间接效应是主要关注点。间接效应包括了在FADEC系统内部连接电缆上电磁场和框架电压变化感应的电压和电流。

对数控系统需特别关注在多重回击和多重脉冲环境影响下数据处理和控制功能易于出错。尽管屏蔽和其他保护方法可以将感应的瞬变电压控制到非损害的级别，但低级别的瞬变电压耦合在一起也会导致错误的命令。在多重（回击和脉冲）环境条件下，每个回击和脉冲都会产生瞬变，将改变或破坏CPU生成的数据和命令。因此，雷电感应瞬态敏感度试验及其方法研究对于发动机数控系统的安全性起着非常关键的作用。

本文对机载设备雷电感应瞬态敏感度试验标准进行研究，结合全权限数字电子控制器雷电感应瞬态敏感度试验经验，可为机载设备雷电防护要求选择试验波形组、试验电平等级时提供参考。

1　机载设备雷电感应瞬态敏感度试验

1.1设备级雷电间接效应试验波形及方法

为了避免闪电间接效应导致飞机发生灾难性功能故障，美国和欧洲等适航当局先后颁发了各类适航条例，如FAR23部、25部、27部、29部、SAEARP5412、SAE ARP5414、SAE ARP5416等，都对飞机的闪电防护提出了严格要求［1］。同时定义了雷电间接效应试验典型波形：电流波形1，电压波形2，电压/电流波形3，电压波形4，电流/电压波形5（5A/5B），电流波形6（定义于RTCA/DO-160G）［2-7］。试验方法分为插针注入和电缆束试验。

1.1.1插针注入试验

插针注入试验是将瞬态电压波形直接施加到被测件连接端口的插针上进行。通常施加在每根插针和地面之间，用于评估设备接口电路的绝缘耐压或损毁容忍度。

1.1.2电缆束试验

电缆束试验通过电缆束感应或对地注入法向电缆束施加瞬态电压或电流信号进行，用于验证机载设备能否承受外部雷电环境产生的内部电磁效应而不引起功能失效或部件损坏。分为单次回击、多重回击、多重脉冲群试验。

1.2波形选择方法

1.2.1雷电间接效应耦合方式

在飞机遭受雷击时，飞机内部的电子设备以及系统的互联电缆上感应出复杂的瞬态电压以及电流，其波形跟飞机的特性有关，如飞机结构、机身材料、机身的孔缝位置、线缆的辐射路径，线缆的屏蔽特性、电路特性等。主要定义了孔缝耦合和电阻耦合2种耦合方式。

孔缝耦合：机外瞬态电磁场穿过驾驶舱风挡、窗户、口盖缝隙、非金属蒙皮及雷达罩等缝隙进入飞机内部，由内部安装的设备线缆感应瞬态电压及电流。

电阻耦合：闪电电流流过机体结构，在机内电气电路2端产生结构内阻电压，对于金属结构，结构内阻电压值很小；而对于碳纤维等复合材料结构，结构内阻电压值很大，从而导致机内设备线束及导线上感应的瞬态电压幅值很大。

1.2.2试验波形选择方法

插针注入试验波形选择根据耦合方式的不同，定义了2组波形，分别为波形组A和B。波形组A规定的试验波形由孔缝耦合产生，包含试验波形3和4。波形组B规定的试验波形由孔缝耦合和电阻耦合产生，包含试验波形3和5A。插针注入试验要求见表1。

表1　插针注入试验要求

电缆束试验波形选择根据电缆束类型（屏蔽/非屏蔽）和耦合方式的不同，定义了8组回击和2组脉冲群波形组。电缆束试验要求见表2。

表2　电缆束试验要求

1.3试验电平等级的选择方法

雷电间接效应试验电平等级主要由设备安装的位置及互连电缆的预期暴露程度决定。分为5个等级（定义于RTCA/DO-160G）［3-7］。

1.3.1等级1

当设备及其相关电缆或者其他通过电气线连接到该设备的组件，完全位于飞机中暴露于受保护良好的雷电电压瞬变的区域时，使用等级1。定义这些区域为电磁屏蔽的区域。

1.3.2等级2

当设备及其相关电缆或者其他通过电气线连接到该设备的组件，完全位于飞机中暴露于受保护不完全的雷电电压瞬变的区域时，使用等级2。定义这些区域为金属性材料或者复合材料飞机结构的内部，结构的屏蔽性能与金属飞机结构相同，并且采取措施减少雷电对电气线的耦合。

这些区域的电线束穿过舱壁，其屏蔽接到舱壁连接器上。当一些电线在这些区域结束，对这些电线使用更高的等级（等级3或4）或提供更多的防护。靠近地平面安装电线束，以利用金属结构自身的屏蔽性。载流导体（比如液压管，控制电缆，金属电线槽等）要电气接地到所有舱壁。

1.3.3等级3

当设备及其相关电缆或者其它通过电气线连接到该设备的组件，完全位于飞机中暴露于适度的雷电电压瞬变的区域时，使用等级3。定义这些区域为金属飞机结构的内部或者屏蔽性能和金属材料相同的复合材料飞机结构的内部。这些区域的例子有未使用隔离舱壁的电子设备舱、驾驶员座舱区域和有大的电磁缝隙（比如没有EMI密封垫的门窗控制板等）的位置。这些区域的载流导体（比如液压管，控制电缆，电缆束，金属电线槽等）不一定电气接地到舱壁。当少量的电线结束于这些区域，对这些电线使用更高的等级（等级4或5）或提供更多的防护。

1.3.4等级4

当设备及其相关电缆或者其它通过电气线连接到该设备的组件，当其位于飞机中暴露于严重的雷电电压瞬变的区域时，使用等级4。定义这些区域为机身外（比如机翼、整流罩，轮胎凹槽，外挂架，操纵面等）。

1.3.5等级5

当设备及其相关电缆或者其它通过电气线连接到该设备的组件，位于飞机中暴露于非常严重的雷电电压瞬变的区域时，使用等级5。FAA定义这些区域为：采用不良屏蔽性能复合材料的屏蔽的区域；不能保证结构焊接情况良好的区域；其他几乎没有屏蔽的开放区域；广泛的安装区域。

2　电子控制器雷电感应瞬态敏感度试验波形及等级的确定

2.1试验要求

电子控制器属于设备级，在飞机内部，不会遭受雷直击，所以只需按适航标准要求针对感应雷进行试验，包含插针注入和电缆束注入。如需考虑雷电感应敏感度试验对整个数控系统的影响，可针对数控系统做系统级试验。

2.2试验波形及等级的确定

电子控制器具体试验波形及试验电平等级要求需与飞机设计单位协调，原则上由主机根据电子控制器及其连接设备的安装位置给出试验要求和试验判据。如主机单位不清楚，可以和雷电测试实验室先确定一下要做的波形以及等级，再让主机单位会签。合格判据可参照2大原则：（1）硬件是否损坏；（2）软件允许跳动，但能在雷击后恢复，且对飞机影响不大。

2.3某型电子控制器试验波形及等级的确定

某型飞机FADEC系统大部分组件处于飞机内部，特别是电子控制器位于隔离舱内部，控制器处于局部保护的电磁环境中，根据标准要求，试验电平等级应设为2级。考虑到FADEC属于飞机的关键系统，部分电缆连接结束在电子控制器，如出现故障需尽快妥善处理等原因，试验电平等级升级为等级3。根据飞机安装要求，雷电电磁场同时存在孔缝耦合和电阻耦合，因此插针注入波形为3和5A。考虑到连接电缆全是屏蔽电缆，最终确定波形组为B、K、L，试验电平等级为等级3。

3　数字电子控制器雷电感应瞬态敏感度试验程序

3.1插针注入

3.1.1信号发生器校准

插针注入校准配置如图1所示。步骤如下：

（1）调节瞬态信号发生器的输出，使校准点上获得开路电压Voc的波形参数满足对应的要求；

（2）记录波形参数、电平、极性和信号发生器的设置，使试验期间能复现该电应力；

（3）以记录的信号发生器的设置，测量短路电流Isc，验证Isc的电平在规定的容差范围内；

（4）记录Isc的波形参数、电平和极性。

图1　插针直接注入法校准配置

3.1.2插针注入试验步骤

插针注入试验配置如图2所示。步骤如下：

（1）用尽量短的低电感导线把校准点连接到指定的电子控制器插针；

（2）给电子控制器供电；

（3）以校准时记录的信号发生器的设置，对选定的插针施加10个脉冲信号。同时监测每个脉冲信号波形有无非预期变化，每2个信号之间的时间间隔为20s；

（4）对每根插针重复步骤（3）；

（5）反转瞬态信号发生器的输出极性，重新进行步骤（1）～（4）；

（6）确定电子控制器的性能是否符合要求。

图2　插针直接注入法测试配置

3.2电缆束试验

3.2.1瞬态信号发生器性能确认

电缆束试验采用感应试验法，瞬态信号发生器性能确认配置如图3所示。步骤如下：

（1）把瞬态信号发生器连接到注入探头的初级输入端；

（2）记录每个信号发生器指定试验电平的校准环开路电压以及短路电流波形参数；

（3）对于多重回击和多重脉冲群试验，还要验证脉冲图样和时间间隔是否满足要求。

确认信号发生器所有波形满足要求后继续试验。

图3　电缆感应试验瞬态信号发生器性能确认配置

3.2.2电缆束感应试验步骤

电缆束感应试验配置如图4所示。步骤如下：

（1）按图4配置电子控制器、辅助设备和互连电缆，把注入探头套在受试电缆束上；

（2）把电压探头和电流监测探头连接到示波器；

（3）给电子控制器供电并设置为所选工作模式；

（4）施加瞬态脉冲信号时，逐渐增加信号发生器的输出，直到规定的试验电平或极限电平达到为止；

（5）在单次回击时，以步骤（4）确立的信号发生器设置，施加10个瞬态信号，同时监测电子控制器工作性能。每2次瞬态信号之间的时间间隔为20s；

（6）在多重回击时，以步骤（4）确立的信号发生器设置，施加10个瞬态信号，同时监测电子控制器工作性能。每2次瞬态信号之间的时间间隔为20s；

（7）在多重脉冲群时，以步骤（4）确立的信号发生器设置，每隔3s施加1次多重脉冲群，连续施加5 min，同时监测电子控制器工作性能；

（8）对于需要考核的电子控制器的每个工作模式，重复步骤（4）～（7）；

（9）反转瞬态信号发生器的输出极性，重新进行步骤（2）～（8）；

（10）对每根受试电缆，重复步骤（2）～（9）；

（11）对于每种需要施加的波形，重新确认信号发生器性能，并重复步骤（2）～（10）；

（12）确定电子控制器的性能是否符合要求。

图4　电缆感应测试试验配置

4　国外航空公司复合材料飞机机载设备雷电感应瞬态敏感度试验方法

参考了空客公司内部文件《供应商通用要求》提到的关于设备雷电间接效应测试要求及波音公司《复合材料飞机电磁干扰控制要求》中关于设备雷电感应瞬态敏感度测试要求。

4.1插针注入

4.1.1与标准通用方法主要差异

参考了空客公司及波音公司与通用试验方法差异。总结如下：

（1）2家公司都明确要求需考虑负载阻抗特性对试验结果的影响，空客公司要求插针注入测试时需分别串联最小和最大负载阻抗进行测试，波音公司要求可串联负载阻抗进行测试确定符合性；

（2）对于部分需要进行雷电隔离的设备，测试时需要确认插针在10 kHz以下对外壳阻抗大于100 Ω；

（3）空客公司要求插针注入试验必须进行共模和差模，具体方法如图5所示。

图5　空客公司共模、差模插针注入试验

4.1.2试验电平等级

在空客公司内部有专用的产品分类，针对不同试验波形和互连设备安装位置及产品类别，定义了不同的测试电平要求，A、B、C产品类波形5A插针注入要求见表3。空客公司要求做波形2、3和5A。波音公司定义的测试等级（见表4）只跟线缆的安装位置有关，且只要求做波形5A。

表3　空客公司A、B、C产品类波形5A插针注入要求

表4　波音公司雷电测试等级

4.2电缆束试验

4.2.1与标准通用方法主要差异

空客和波音公司要求断开所有屏蔽电缆的屏蔽层后进行试验，如图6所示。空客公司还要求进行差模和共模注入试验，如图7所示。空客公司试验按照标准RTCA/DO-160进行。波音公司要求注入探头距被测件15 cm，监测探头距被测件7.5 cm。标准要求注入探头距监测探头5～50 cm，监测探头距离被测件5～15 cm。

4.2.2试验电平等级

在空客公司内部有专用的产品分类，针对不同试验波形和互连设备安装位置及产品类别，定义了不同的测试电平要求，与表3要求类似，空客公司要求做波形2、3和5A。波音公司试验电平等级要求见表4，仅要求做波形3和5A。

图6　波音公司电缆束注入试验配置

图7　空客公司共模、差模电缆束注入试验

5　结束语

飞机特别是由复合材料制造的飞机在飞行中经常遭遇到雷电，雷电间接效应试验可以有效模拟雷电电流对飞机内部的电子/电气设备的影响。该试验可用于验证机载设备雷电防护措施的有效性，以及雷电防护的优化设计。目前数字电子控制器设备级雷电间接效应试验已经开展，FADEC系统雷电防护设计的符合性试验方法正在研究中。

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（编辑：张宝玲）

Lightning Test Methods for FADEC

KONG Xiang-ming，SHAO Zhi-jiang，GU Ying-hui
（AVIC Control System Institute，Wuxi Jiangsu 214063，China）

The test methods of the indirect effects of lightning test for FADEC were analyzed based on lightning induced transient susceptibility for airborne equipment relevant standards.The indirect effects coupling modes were classified.The choose method of test waveforms and test levels was also proposed.The test procedure，choose method of test waveforms and levels for one type FADEC were introduced as an example.The test method for equipment level of lightning induced transient susceptibility test from Airbus and Boeing company was preliminarily introduced.The study results will provide reference to verification requirements and test plan for airborne equipment regarding indirect effects of lightning.

FADEC；lightning induced transient susceptibility；indirect effects of lightning；airborne equipment；aeroengine

V 216.5

Adoi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.05.005

2016-03-08基金项目：国家重大基础研究项目资助

孔祥明（1977），男，硕士，高级工程师，主要从事电磁兼容性试验技术研究工作；E-mail：lychy@263.net。

引用格式：孔祥明，邵志江，顾颖慧.全权限数字电子控制器雷电试验方法研究［J］.航空发动机，2016，42（5）：26-31.KONGXiangming，SHAOZhijiang，GU Yinghui.LightningtestmethodsforFADEC［J］.Aeroengine，2016，42（5）：26-31.