民用飞机音频系统静电效应仿真

夏大旺

【摘要】 在民用飞机的研制期间，飞机试飞过程中出现过数次地空通信失效现象。经过一系列的分析及试验，确认地空通信失败可能是因为飞机在穿越云层时，音频控制板所在的音频通信系统产生静电效应所引起。本文根据民用飞机内部音频系统分布及特性建立模型，根据模型仿真结果建立等效电路进行计算，最后提出故障解决方法。

【关键字】 民用飞机 通信失效 音频系统 静电效应

一、引言

静电效应通常是由于物体内部电子受到外部作用时从物体的一部分转移到另一部分或者从一个物体转移到另一个物体引起的，此时得到电子的部分或者物体带负电，失去电子的部分或者物体带正电，当这种电子转移累积到一定程度，并在合适的情况下便产生静电效应。飞机穿过云层所发生的静电效应主要是因为飞机飞行过程中机体与云层发生摩擦导致电子转移而引起。

二、飞机音频系统模型建立

2.1 音频系统组成及架构

民用飞机的音频系统主要以无线电接口装置（RIU）和音频控制板（ACP）为核心，能够对导航系统、通信系统、内话系统、旅客广播系统进行语音处理和控制的系统。如图1所示，音频系统主要包括两套无线电接口装置、三块音频控制板、三块音频插孔板以及驾驶员话筒耳机等外围设备。音频系统可提供以下功能：

a） 提供导航系统和通信系统音频信息；

b） 为机组提供语音告警信息；

c） 为内话系统、旅客广播系统提供选择控制；

d）提供应急情况下地空语音通信功能；

e）为驾驶舱语音记录器提供音频输入源。

2.2 系统模型建立

对于建立仿真模型来说，完全按照当前飞机的外形和内部结构建立模型是很困难的，同时也是不明智的。本节将根据音频系统所在位置的电气特性，使用计算机辅助设计（CAD）科学建立其仿真模型。

对于民用飞机来说，机体采用的是金属蒙皮，整个机身都为等势体。飞机的客舱、电子电气设备舱、驾驶舱、前起落架舱等之间都有金属板隔开，且该金属板都与机体直接相连，所以这些金属板与机体也为等势体。由于音频控制板、无线电接口装置均位于驾驶舱，所以在建立模型时，只使用驾驶舱结构 [1]。

与驾驶舱建模相似，音频控制板和音频插孔板存在较多的细小结构，但是这些结构对于静电仿真影响较小，所以在建模过程中只保留其主体结构，此处不再赘述。

三、音频系统静电效应仿真

飞机发生故障架次飞机与其它未发生该类型故障架次飞机构型略有不同，主要区别在于音频插孔板的位置的更改。

系统采用的ANSYS/EMAG软件进行静电效应仿真[2]。云层电量设置为10库仑，云层与飞机之间的垂直距离为50米，飞机速度为150米每秒，仿真距离为200米。图2给出飞机在原始位置时音频系统静电效应随飞行距离的变化所产生的电压示意图，图3给出飞机在更改后位置时音频系统静电效应随飞行距离的变化所产生的电压示意图。

从图2和图3中可以看出，更改位置后音频控制板与音频插孔板之间的静电效应电压差要远远大于原始位置下静电效应电压差。由于两者之间依靠导线导通，较大的电压差势必造成较大的放电电流。从电磁学考虑，飞机在穿过大量带电云层时，静电效应不断累积，最终将超过音频控制板与音频插孔板抗噪能力，导致音频系统发生故障。

根据上述分析可知，若能够使音频控制板与音频插孔板积累的电荷在发生静电效应后迅速泄放掉，可以显著减少音频系统受静电效应影响。为了使二者在发生静电效应时能够迅速泄放电流，对发生故障的构型飞机工程上采取了改善设备等电位搭接的方式解决音频系统静电效应问题，其搭接导体选用了较小长宽比的搭接件，以保证更好的搭接效果，之后故障未再发生。

四、结论

民用飞机对机载设备的体积和重量具有严格的要求，相对于地面设备，其内部空间小，设备安装位置集中且繁多，各种信号互有干扰，因此对于设备的静电效应的防护提出了更高的要求。本文从工程实际问题出发，通过分析原因、建立模型、仿真结果、得出结论的方法解决民用飞机研制过程中音频系统失效问题，为飞机研制积累了宝贵经验。

参 考 文 献

[1] 王涛. 电磁场计算中的时域有限差分法的研究[D]. 吉林大学， 2005.

[2] 刘尚合， 周万珍， 孙秋红. 静电放电电磁脉冲理论建模与作用机理研究进展[J]. 河北科技大学学报， 2005， （2）：87-92.