CCAR23部飞机HIRF防护适航验证方法研究

李明巧，付畅，闫冰

(1.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 飞机设计研究所， 哈尔滨 150066) (2.陆军装备部航空军事代表局驻哈尔滨地区航空军事代表室， 哈尔滨 150066)

0 引 言

目前飞机所使用的复合材料的低电导率特性使其提供的屏蔽效能差，使得电子电气系统更多地暴露于外部电磁环境。考虑到飞机中关键功能的电子系统对飞行安全的重要性和对HIRF环境的敏感性，为保障飞行安全，飞机适航要求飞机需要进行HIRF试验验证。

欧美国家基于HIRF适航条例的贯彻已具备系统性的HIRF试验能力。设备级和系统级试验基于混响室、微波暗室已经开展了大量试验研究工作，整机HIRF试验通常采用低电平耦合方式在开阔场地进行。国内强电磁环境防护技术航空科技重点实验室目前已为诸多型号开展设备级HIRF试验测试。此外还有一些单位具备部分HIRF混响室试验能力，由于HIRF防护的系统及要求均存在分级的复杂性，国内针对HIRF防护的适航验证缺少整机的方法和经验。孔叔钫等中对适航条款进行解析，介绍了HIRF适航验证流程和试验要求，但没有给出具体操作方法；章光灿仅叙述了HIRF符合性验证整机试验的流程和方法，而缺少用于飞机适航验证的实例，此外文中介绍的整机试验方法所需工作量极大。Y12F飞机是新一代多用途涡桨支线运输机，配备通讯、导航、控制、显示等重要电子电气系统。

本文以Y12F飞机为例，针对CCAR23部飞机HIRF防护系统，提出适用于CCAR23部飞机HIRF防护适航验证的方法，并对其关键技术与可行性进行分析，以期对整机HIRF防护适航验证进行指导。

1 概 述

2007年，FAA对14CFR中适航条例23部(正常类、实用类、特技类和通勤类飞机)进行修正，增加了1 308条款，提出了HIRF环境I和HIRF环境II及设备HIRF试验等级1、2、3。而在此之前FAA主要采用专用技术条件的形式对型号合格审定提出HIRF防护要求。

CAAC在其各个适航规范中还没有专门的HIRF防护条款，但通过专用技术条件，针对合格审定型号提出与FAA条例相应条款等同的HIRF防护要求。CAAC定义的HIRF环境与FAA所定义的保持一致。

证明HIRF符合性有多种可行方法，适航认可的A类系统HIRF防护符合性验证程序，如图1所示。

图1 A类系统HIRF符合性验证流程图[8]

HIRF防护适航符合性认证应包含以下内容：

(1) 根据系统安全性分析，确定需要HIRF防护系统级别；

(2) 确定外部HIRF环境；

(3) 确定所安装系统的HIRF环境；

(4) HIRF符合性验证的方法和效果。

2 HIRF防护系统的确定

根据系统功能危险性分析结果，确定需要进行HIRF防护的系统及要求级别。Y12F飞机各系统功能危险性失效结果类别在Ⅲ级以上的系统失效模式如表1所示。对于系统功能危险性分析，其失效结果类别为Ⅰ(灾难的)、Ⅱ(危险的)、Ⅲ(主要的)的，其HIRF防护等级为A、B、C三类。HIRF防护等级与系统研制保证等级一致。

Y12F飞机涉及电子电气系统的飞机级危险等级为灾难性的事件是飞行信息丧失、飞行信息有害误导，相关系统是大气/航姿系统和综合显示系统，其HIRF合格审定级别为A类。

表1 系统功能危险性失效模式和类别

3 外部HIRF环境的确定

CAAC为Y12F飞机发布的HIRF专用技术条件SC-Y12F-01附录1中给出的飞机外部HIRF环境与适航规章FAR23附录J给出的飞机外部HIRF环境一致，为HIRF环境Ⅰ和HIRF环境Ⅱ以及设备HIRF试验级别1、2、3，其中HIRF环境Ⅰ和HIRF环境Ⅱ分别见文献[10]第8页的表2“HIRF Environment Ⅰ”和第9页的表3“HIRF Environment Ⅱ”。

4 内部HIRF环境的确定

Y12F飞机安装的系统最高类别为A类显示系统，根据AC20-158A第17页的图2(A类系统HIRF符合性流程图)，确定Y12F飞机内部HIRF环境可以通过通用传递函数和衰减的关键技术，需注意的是该方法仅适用于A类显示系统，具体见AC20-158附录1，如表2所示。

表2 通用传递函数和衰减表

Y12F飞机主体为金属结构，驾驶舱门、客货舱门、行李舱门和整流罩为复合材料结构，复合材料舱门外表面嵌合一层带孔的铝箔以提供一定的电磁屏蔽，整流罩内安装有电子设备时，整流罩外表面也要求嵌合一层带孔的铝箔以提供电磁屏蔽。Y12F飞机的电子/电气设备主要安装于如下区域：机头设备舱、飞机驾驶舱区域、飞机驾驶舱左右设备架、主起区域设备架、行李舱设备架、尾段设备架，其中，机头设备舱、飞机驾驶舱左右设备架、行李舱设备架、尾段设备架处于封闭的金属结构中。

Y12F飞机身长16.403 m，选择表2中的图A1-1通用传递函数计算飞机内部线束感应的电流(如图2中的线3所示)，通过计算，飞机内部受HIRF Ⅰ环境影响而感应的电流值如图2中的线1所示，飞机内部受HIRF Ⅱ环境影响而感应的电流值如图2中的线2所示。根据设备和线束的位置不同，选择不同的衰减计算飞机内部的HIRF环境场强：当设备及连线位于驾驶舱或未完全封闭的电子设备舱区域，如主起区域设备架，选择12 dB衰减计算飞机内部受HIRF Ⅰ环境、HIRF Ⅱ环境影响而产生的场强，如表3～表4所示，用于驾驶舱区域的设备和连线，频带边界使用最高场强；当设备位于封闭的设备架上、连线位于机身电缆通道，选择20 dB衰减计算飞机内部受HIRF Ⅰ环境、HIRF Ⅱ环境影响而产生的场强，如表5～表6所示，用于机头设备舱、驾驶舱、行李舱、尾段的设备架，频带边界使用最高场强。

图2 通用传递函数和飞机内部HIRF环境(感应的电流)

表3 飞机内部HIRF环境Ⅰ(驾驶舱区域)[8]

表4 飞机内部HIRF环境Ⅱ (驾驶舱区域)[8]

表5 飞机内部HIRF环境Ⅰ (机头设备舱)[8]

表6 飞机内部HIRF环境Ⅱ (机头设备舱)[8]

在确定飞机内部HIRF环境时应用传递函数法，选取适当的传递函数计算飞机内部电流时代替整机试验的方法，用以节约整机试验直接所需的测试成本、时间成本，以及间接的人工成本，提高试验效率。

对于B类系统/设备，应采用专用技术条件附录中设备HIRF试验等级1或HIRF试验等级2，设备HIRF试验等级1采用的电流值如图3中的线1所示，环境场强如表7所示，设备HIRF试验等级2采用的电流值即如图2中的线2所示，环境场强根据设备的位置选择表4或表6。

图3 设备HIRF试验等级1、3的电流值

表7 设备HIRF试验等级1的环境场强

对于C类系统/设备，应采用专用技术条件附录中设备HIRF试验等级3，设备HIRF试验等级3采用的电流值如图2中的线2所示，从100 MHz～ 8 GHz频率范围内，环境场强最小值为5 V/m。

5 HIRF防护符合性验证方法

5.1 A类系统

除对各设备按文献[11]第20章的要求完成设备级HIRF试验以外，还需在试验室按SAE ARP5583要求进行系统级台架HIRF试验，试验电平大于或等于飞机内部HIRF环境，试验电缆的制造应与飞机上的电缆一致。Y12F飞机上的A类系统是综合显示系统和大气/航姿系统，其设备组成、安装位置及射频敏感度试验要求如表8所示。

Y12F飞机上的A类系统是综合显示系统和大气/姿态系统，包含的A类设备有4个KDU1080平板液晶显示器、1个12槽MAU、4个KBT300总线终端电阻和1个双通道KSG7200大气航姿计算机，其中12槽MAU包含2个PWR-210电源模块、2个NIC-200网络接口控制模块、2个AGM-200图形模块、1个GIO-200双通道通用I/O模块、1个CIO-AP2双通道用户I/O模块、2个IM-950配置模块。KDU1080平板液晶显示器安装在驾驶舱仪表板上，MAU、KBT300总线终端电阻、双通道KSG7200大气航姿计算机安装在驾驶舱电子设备架，相关设备及连线所在位置的HIRF内部环境场强分别如表3和表5所示，线束感应电流如图2中的线2所示，由此确定相关设备的射频敏感度试验最低要求(按DO-160)，如表8所示，实际的射频敏感度试验电平也列在表8中，实际的射频敏感度试验电平大于或等于射频敏感度试验最低要求，满足要求。

表8 A类设备射频敏感度试验要求及符合性

A类系统除对设备应按DO-160中的20章要求进行设备的HIRF合格鉴定试验外，在试验室按ARP5583要求进行系统级台架HIRF试验，试验电平大于或等于飞机内部HIRF环境电平，并按飞机上的实际电缆情况制作一套试验电缆，试验电平需大于或等于飞机内部HIRF环境电平。HONEYWELL公司为Y12F飞机提供的APEX系统为A类显示系统，由于在以往飞机上安装的复杂配置的APEX系统已完成试验室系统级台架HIRF试验，相对 Y12F飞机的APEX系统的配置比已完成试验系统的配置简单，因此不再进行试验，但对Y12F飞机的APEX系统和已完成系统级台架HIRF试验的APEX系统进行相似性分析，作为验证支持文件。APEX系统级台架HIRF试验电平如表9所示，其中A类显示系统：6 dB对应的频率为400 MHz～1 GHz，12 dB对应的频率为1～18 GHz。

表9 APEX系统级台架HIRF试验电平

5.2 B类系统

对于B、C类设备，按DO-160的20章要求进行设备的HIRF合格鉴定试验，试验电平大于或等于其对应的飞机内部HIRF环境。

Y12F飞机上的B类系统是直流电源系统，其设备组成、安装位置及射频敏感度试验要求如表8所示。

Y12F飞机上的B类系统是直流电源系统，B类设备有直流电源系统的1个PDA-145主配电盒、2个300SG116Q-1起动发电机和2个GCSG504-4调压盒，B类设备暴露于专用技术条件SC-Y12F-01附录1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，设备HIRF试验等级1采用的电流值如图2的线1所示，环境场强如表7所示，设备HIRF试验等级2采用的电流值即为图3中的线2，环境场强根据设备的位置选择表4或表6。由此确定相关设备的射频敏感度试验最低要求(按DO-160)，如表10所示。

表10 B类设备射频敏感度试验最低要求[15]

PDA-145主配电盒实际的射频敏感度试验是按DO-160进行的，其中传导敏感度试验按U类进行，试验电平为30 mA，频率范围：10 kHz～400 MHz，辐射敏感度试验按U和R类进行，试验电平分别20 V/m(CW连续波、AM调幅波，频率范围：100 MHz～8 GHz)和150 V/m(PM调相波，频率范围：400 MHz～8 GHz)，实际的射频敏感度试验电平大于或等于射频敏感度试验最低要求，满足要求。

300SG116Q-1起动发电机和GCSG504-4调压盒为货架成品，这2个成品为早期产品，300SG116Q-1起动发电机满足TSO-56a技术规范，只按DO-160进行了环境试验，其中无线电频率敏感度试验(辐射和传导)未进行，考虑到300SG116Q-1起动发电机是一个磁密闭体，不会受到电磁场辐射影响，又由于发电机是一个大的能量转换设备，传导干扰电流也不会对其产生影响，因此300SG116Q-1起动发电机能满足HIRF环境使用要求；而GCSG504-4调压盒,只按MIL-STD-461B元器件手册进行了EMI/RFI试验，其中与传导和辐射敏感度有关的试验有：CS01、CS02、RS02、RS03，未进行无线电频率敏感度试验(辐射RS和传导CS)。GCSG504-4调压盒已在Y12IV飞机上使用，其间未发生由于HIRF环境而引起的故障，其服役经验表明其在预期的环境条件下提供连续、安全服务的能力。

5.3 C类系统

Y12F飞机上的C类系统是交流电源系统、TCASII空中防撞系统、TAWS地形提示和告警系统、VHF甚高频通信系统和音频控制系统，其设备组成及射频敏感度试验要求如表11所示。

表11 C类设备的组成及射频敏感度试验最低要求

Y12F飞机上的C类系统是交流电源系统、TCASⅡ、TAWS、VHF通信系统和音频控制系统，主要设备有综合显示系统的KMC2210主飞行显示器控制板和KMC2220多功能控制板及数据采集单元、ADAHRS中的磁通阀、TCASⅡ系统中的TPU67A空中防撞处理器和CM67A模块、TAWS系统中的MK Ⅵ增强型近地警告计算机、VHF通信系统中的KTR2280 多功能设备、音频控制系统的KMA29音频控制板以及交流电源系统的SC50静态变流器。对于C类设备，采用专用技术条件附录中设备HIRF试验等级3，设备HIRF试验等级3采用的电流值如图3的线2所示，从100 MHz～8 GHz频率范围内，环境场强最小值为5 V/m。由此确定相关设备的射频敏感度试验最低要求(按DO-160)，除了SC50静态变流器外，其他设备实际的射频敏感度试验电平大于或等于射频敏感度试验最低要求，满足要求，而SC50静态变流器已在Y12系列飞机上使用，其间未发生由于HIRF环境而引起的故障，服役经验表明其在预期的环境条件下提供连续、安全服务的能力。

6 结 论

(1) 在确定内部HIRF环境时，根据Y12F飞机只有A类显示系统的特点，采用了传递函数和衰减计算的方法，应用该方法有效降低了整机HIRF防护适航验证的复杂程度，提高了试验效率。

(2) 通过对A、B、C三类飞机HIRF防护系统分别进行验证，表明本文提出的整机HIRF防护适航验证方法符合CAAC23部飞机适航条例要求，可供今后此类适航验证参考使用。