民用飞机高强度射频防护适航验证要求研究

许广明 项 勇 潘超英

（中航工业洪都650所，江西 南昌 330024）

民用飞机高强度射频防护适航验证要求研究

许广明 项 勇 潘超英

（中航工业洪都650所，江西 南昌 330024）

介绍了美国联邦航空管理局和中国民用航空局民用飞机高强度射频防护适航审定要求发展现状，研究了美国联邦航空管理局民用飞机高强度射频防护适航符合性要求，并对中国高强度射频防护适航工作的开展提出了一些建议。

民用飞机； HIRF； 防护； 适航审定

高强度射频（HIRF）主要来自于雷达、无线电、电视和其它地基、船载或机载射频（RF）发射器发射的电磁能量。复杂的电磁环境不利于飞机电子和电气系统的运行，严重时甚至可能导致航空器系统故障失效，从而造成严重后果。

随着实现持续安全飞行和着陆的电子和电气系统大量推广，数据总线和处理器运行速度的增加，高度集成的电路和插件，高灵敏度的电子设备大量使用，复合材料的大量使用也减少了电磁屏蔽，使得民用飞机更加易受HIRF影响。例如在外部高强度电磁辐射环境的影响下，飞行控制系统、发动机系统、以及航姿系统等会出现工作不稳定或参数显示错误等问题，继而引发飞行事故。民用飞机对电子电气系统的HIRF防护要求呈显著增加的趋势。

在欧美等发达国家，民用飞机都有各自相应的HIRF防护适航要求，而HIRF防护正成为制约我国民用飞机适航审定的难点。

1 国内外HIRF防护适航要求发展现状

1.1 FAA HIRF防护发展现状

FAA于1998 年4月2日出版的文件N8110.71《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[1]。多年来，在缺少HIRF适航条款的情况下，FAA/JAA（欧洲联合航空局）针对不同的飞机研制项目，制定了关于HIRF防护的专用条件和问题纪要，从而保证了近年所研制的民用飞机，均按照FAA/JAA的HIRF防护要求进行设计、分析和适航符合性验证。

通过多年的理论研究和实践检验，FAA于2007年8月6日在联邦航空条例（FAR）第23、25、27、29部增加了的高强辐射场防护条款23.1308、25.1317、27.1317和29.1317，并于2007年7月30日颁发了咨询通告AC20-158《运行在HIRF环境下的航空器电子和电气系统合格审定》，提供了HIRF防护验证符合性指南。

1.2 中国民机HIRF防护要求发展现状

中国民机HIRF防护研究尚处于起步阶段，与国际上日趋成熟的民机HIRF防护存在很大的差距。在HIRF设计防护技术、预测分析技术、适航符合性验证等方面有待进行深入研究；未颁布过飞机HIRF防护的标准、规范；未进行过设备级、系统级、飞机级符合性验证试验；也尚未开展过HIRF的仿真分析等[2]。

2006 年，中国民用航空局（CAAC）在借鉴FAA N8110.71的基础上，颁发了咨询通告AC-21-1317《航空器高强辐射场HIRF防护要求》。针对具体型号采取制定HIRF专用条件来开展HIRF审定，要求与FAA相同。

2 民用飞机HIRF防护适航审定要求

2.1 FAR25.1317 HIRF防护适航要求

(a) 除本条（d）规定的以外，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气和电子系统必须设计和安装，以符合以下要求：

● 当飞机暴露于附录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；

● 飞机暴露于附录L 中描述的HIRF 环境I 后，系统及时地自动恢复其功能的正常运行，除非系统的这种功能恢复与该系统其他运行或功能要求相冲突；和

● 当飞机暴露于附录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和电气系统必须设计和安装，当提供这些功能的设备暴露于附录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性能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必须设计和安装，当提供这些功能的设备暴露于附录L 中描述的HIRF 设备测试水平3 时，系统不会受到不利影响。

(d) 在2012 年12 月1 日前，如果其功能故障后会妨碍继续安全飞行和着陆的电子或电气系统的设计和安装，在符合以下要求时可以不用满足(a)款的规定：

● 系统先前已经符合2007 年12 月1 日前颁发的FAR 21.16 规定的专用条件；

● 表明符合专用条件后系统的HIRF 抗干扰特性没有改变；和

● 提供以前表明符合专用条件的数据。

表1提供了适用的HIRF规章相应的失效条件分类和系统HIRF审定等级[4]。

表1 HIRF 失效条件和系统HIRF审定等级

图1概括了对于系统要求A级HIRF审定的符合性步骤。图2[4]概括了对于系统要求的B或C级HIRF审定的符合性步骤。

从图1和图2可以看出，A、B和C级系统HIRF符合性流程可以分为4个步骤：确定评估的系统，定义飞机和系统HIRF防护环境，选用HIRF符合性验证方法，验证HIRF防护有效性。

图2 B和C级系统符合性流程

2.3 评估系统的确定

民机HIRF符合性验证的首要工作是评估飞机上要求进行HIRF的系统。主要工作是确定系统的失效类别和HIRF审定等级，应以测量影响飞机和系统安全程度的方式来评估系统遭受的HIRF影响。分析方法类似于FAR 23.1308、25.1317、27.1317和29.1317的符合性过程。系统的HIRF评估工作有时单独或与其它相关的系统组合一起评估。评估应覆盖：

● 所有飞机正常工作模态、飞行阶段和工作条件；

● 所有失效条件和对飞机工作和机组的影响；

● 要求的任何纠正措施。

系统应基于安全评估确定的失效条件分类，仅导致灾难、危险或重要失效条件的执行或分配功能的系统适用HIRF规章。安全评估应考虑系统失效、故障或误解信息的所有潜在的不利影响，同时还要考虑系统对于不同的飞行阶段会产生不同的失效条件，在不同的飞行阶段可能适用的不同的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情况，而自主飞行控制系统在巡航运行时可能存在危险的故障情况。

FAA要求的适航审查对象仅限于飞机上的关键和重要电子和电气系统，即根据系统安全评估得出的A级、B级和C级电子和电气系统。

2.4 HIRF环境的确定

HIRF评估所确定的系统必须依据适航规章给出的外部HIRF环境I、II和III。选定适用飞机的外部HIRF环境。外部HIRF环境将穿透飞机，在电子电气系统安装处产生内部的HIRF环境。内部HIRF环境是多种因素综合的结果。如飞机的材料，结构的搭接，缝隙和开口的位置和尺寸，飞机内部的再辐射，以及飞机的共振特性等。

2.5 HIRF符合性验证

2.5.1 HIRF 符合性计划

应确定一个HIRF符合性计划以便清晰的识别和规定HIRF审定要求、HIRF防护设计、设计试验和用来作为符合性一部分的分析行为。HIRF符合性计划应和FAA讨论并提交，在执行前得到FAA批准。如果飞机、系统或安装在FAA批准后进行设计更改，修订的HIRF符合性计划应提交FAA进行批准。HIRF符合性计划应包括以下内容。

● HIRF符合性计划概要；

● 基于HIRF相关的安全评估分类的系统识别；

● 飞机和安装系统的HIRF环境；

● 验证方法，例如试验、分析或相似性；

● 确定每个系统的HIRF符合性合格/不合格准则；

这些合格/不合格准则应得到FAA批准。定义合格/不合格准则的所有影响应是包括系统独立和相关特性的可确认和可追踪的分析结果。

● 裕度的确定。

基于审定的飞机和系统的HIRF验证试验符合性通常不需要裕度。基于分析或相似性确定符合性需要确定裕度。

2.5.2 HIRF 验证试验、分析或相似性计划

应准备描述详细的验证行为的详细HIRF试验、分析或相似性计划。

2.5.2.1 试验计划

HIRF符合性验证试验的计划应包括试验目的、试验飞机和/或系统的描述、系统构型草图、建议的试验安装和方法、预期的试验等级、调幅和频率带、合格/不合格准则、试验计划和试验地点。

HIRF符合性试验计划还应覆盖适用的A、B和C级系统和设备。

HIRF符合性试验计划应描述试验系统和安装的有关内容，还应反映在HIRF符合性评估的整个过程中完成的任何分析结果。

2.5.2.2 分析计划

HIRF符合性分析计划应包括支持HIRF符合性验证产生数据的系统和设备等级的目标。 因为与飞机系统和结构的RF场耦合的综合建模和分析是一项新技术， 所以分析计划应与FAA协调以确定分析的可接受范围。 分析计划包括：分析的目的和范围、分析中提到的飞机和/或系统的描述、系统构型描述、建议的分析方法、确认分析结果的步骤、合格/不合格准则。

2.5.2.3 相似性计划

相似性计划应包括：相似性评估的目的和范围、相似性评估的系统、已审定的系统、设备和飞机的数据与新研的飞机和系统安装之间重要的差别（包括考虑相似性不确定的范围）。

2.5.3 符合性报告

符合性报告用于阐明试验、分析或相似性评估的结论。对于新研或重要改型的飞机，HIRF符合性报告可能包括一些系统和设备报告、飞机试验报告和HIRF薄弱性分析报告。报告类型包括试验报告、分析报告、相似性报告。

2.5.3.1 试验报告

HIRF符合性试验结束后应形成综合的试验报告。试验报告应包括试验期间设备或系统性能的描述、不符合HIRF要求的详细描述、所采取的纠正措施和任何相似性声明，也应该提供系统性能在试验期间的任何偏离的理由说明。

2.5.3.2 分析报告

分析报告用于描述分析模型细节、完成分析使用的方法和分析结果。报告应确定任何模型不确定性和证明分析计划中确定的裕度。

2.5.3.3 相似性报告

相似性报告用以表明新研飞机、系统、设备和安装的重要特征与已经过HIRF审定的飞机或系统的相似性，在差别影响评估过程中，确定与HIRF所有相关的重要差别。这些报告也应证明相似性计划中确定的裕度。

2.5.4 符合性验证方法

HIRF符合性验证的适用方法包括：验证试验、仿真分析和相似性分析。

2.5.4.1 验证试验

对失效状态为灾难性的系统（A类），要求进行设备级、系统级和飞机级的符合性验证；对失效状态为危害性的系统（B类），要求进行设备级、系统级的符合性验证；对失效状态为较大的系统（C类），仅要求进行设备级的符合性验证。

● 设备级试验

可以使用RTCA/DO-160E或最新版本20章的辐射和传导射频敏感度实验室试验确立设备HIRF抗扰性。对于A级系统，FAA认为设备HIRF试验不是强制的，可用来补充集成系统HIRF试验。

RTCA/DO-160试验程序应使用规章中规定的设备试验等级。使用的试验等级取决于系统是否分类为B或C级。1或2级设备HIRF试验应用于B级系统。3级设备HIRF试验应仅适用于C级系统。

● 系统级试验

集成系统辐射和传导的RF敏感度试验室试验应按A级系统执行。试验选择的HIRF场强和线束电流应基于飞机评估确定的衰减外部HIRF环境，设备级试验不能充分表明集成系统HIRF符合性。

● 飞机级试验

对于飞机试验两个主要方法是飞机高电平试验和飞机低电平耦合试验。飞机高电平场照射试验包括以等于HIRF规章内适用的外部HIRF环境的试验等级辐射飞机。飞机低电平耦合试验涉及测量机体衰减和传输函数，以至于内部HIRF电场和电流能与集成系统试验等级相比较。考虑飞机尺寸和外部HIRF环境照射的实际情况，飞机低电平耦合试验可能比高电平场照射试验（要求用外部HIRF环境照射整个飞机）更适合于大型飞机的试验。

2.5.4.2 仿真分析

仿真分析一般用于飞机设计前期，用来发现不足之处，以减少风险。

2.5.4.3 相似性分析

相似性分析一般用于改进、改型的飞机，用原型机的数据来进行类比分析。

2.6 HIRF防护维修要求

按照适航规章的要求，为保证HIRF防护的完整性，在持续适航文件中应给出最低维修要求，确定定期维修的时间间隔、专用试验和检查措施，以确保HIRF的整体防护作用不会降低。若要对飞机或系统进行更改，则应对HIRF防护等级的影响（包括对持续适航文件HIRF有关内容的影响）进行评估。

3 对我国HIRF防护适航验证的建议

HIRF防护适航验证是适航取证过程中不可缺少的项目，飞机全寿命周期内都要保持其完整性。由于各方面的原因，目前我国尚未开展自己领空范围内的HIRF 环境调查，因此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飞机外部HIRF 环境要求。然而，我国民用飞机的设计、改装、审定和运行现状又迫使我们必须制定自己的相关政策，加强我国HIRF防护适航要求的研究和应用。

3.1 加快适航标准的更新

针对我国HIRF防护有关标准和应用方面落后等不足，应积极借鉴国外已有的成熟适航要求，充分考虑我国的国情现状，加快制定和完善我国适航规章中HIRF防护有关要求。

3.2 提高我国HIRF防护试验基础能力

为了增强我国型号的自主研制能力，航空工业有关单位和民航局必须加强合作，逐步建立可供型号研制的并且得到民航认可的A、B和C级电子电气系统的设备级、系统级和飞机级的有关HIRF验证试验能力，提高我国HIRF防护试验基础能力。

3.3 结合具体型号研制，深入开展HIRF防护符合性验证方法研究

通过研究AC20-158和SAE ARP5583等HIRF防护适航审定相关资料，深入开展飞机及机载设备对外部电磁环境的屏蔽和抗电磁干扰相关分析技术和试验研究。并且在型号验证过程中不断积累经验，在行业中推广，在实践中不断完善，提高我国航空工业HIRF防护适航验证能力。

总之，随着我国HIRF防护研究和应用不断深入，验证方法和试验能力不断完善，必将缩短民机研制周期，降低民机研制费用，有利于提升我国民机HIRF防护设计水平，促进我国民机的快速发展。

[1] AC-21-1317 航空器高强辐射场（HIRF）保护要求[S].

[2] 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.

[3] FAR25 Airworthiness Standards:Transport Category Airplanes [S].2007.

[4] AC20-158 The Certification of Aircraft Electrical and Electronic System for Operation in the High-Intensity Radiated Fields（HIRF）Environment[S].

（编辑：雨晴）

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C

1003-6660（2014）01-0044-05

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.012

[收修订稿日期] 2014-09-04