某型教练机测试改装中电磁兼容控制与防护

摘要：某型教練机测试改装完成后，在做全机全系统电磁兼容性试验时出现电磁干扰问题，现针对这一问题的分析和解决过程进行阐述，并结合实际测试改装工作，介绍电磁干扰的来源及其控制与防护方法。

关键词：飞机测试改装；电磁干扰；电磁兼容

中图分类号：V217；TN03  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2023）11-0074-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.020

0    引言

飞机测试改装是飞行试验的一个重要环节，涉及在试验机上加装各型传感器、信号采集器、数据记录器等测试改装设备，以及按照试飞任务要求对试验机的飞行控制系统、航电系统、发动机系统、燃油系统、液压系统、环控系统、雷达系统等进行测试改装，测试改装组成示意图如图1所示。

随着我国航空工业的迅猛发展，大量电气设备取代了原有的机械仪表，应用于机载设备的各个领域。而机载设备工作环境具有狭小空间中电气设备安装密集，线缆敷设集中，电磁频谱覆盖范围广，受干扰因素多等特点[1]。各种机载设备的电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）对飞机的性能有着直接影响，甚至直接关系到飞机的试飞安全。

在实际测试改装过程中，加装的线缆或经过改装的原机线缆与试验机原机线缆和机载设备之间存在着复杂的电气或电磁交联，从而使试验机的原机线缆和机载设备受电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）影响的问题特别突出[2-3]。此外，测试改装设备除了本身应达到各项电磁兼容技术要求外，还应确保其不成为其他设备的干扰源，亦不被其他设备所干扰，实现与全机全系统的电磁兼容，从而满足后续试飞任务。

1    问题的背景

某型教练机为执行某产品的鉴定试飞任务，对机上相关系统进行测试改装，主要加装了姿态传感器、大气总温传感器、GPS天线、GPS采编器、信号采集器、数据记录器等机载测试改装设备，改装完成后做全机电磁兼容性试验时，发现各测试改装设备均工作正常，但试验机电台与地面指挥塔台间的无线电通信受到干扰，机上其余设备工作正常，具体故障现象表现为机上电台主频点持续或间歇性噪声。测试改装设备连接示意图如图2所示。

经初步分析，认为导致该现象的原因是在加装测试改装设备后，新增设备对试验机电台造成电磁干扰，从而产生噪声。由于无线电通信系统与飞行安全密切相关，在该故障排除前，绝不能进行后续飞行试验。

2    问题的解决

为了寻找故障原因，对该试验机进行了一系列测试，其中包括：

（1）断开所有测试改装设备电源，仅对试验机全机通电，试验机电台与指挥塔台间的无线电通信恢复正常。因此，可判断试验机电台未出现故障。

（2）断开所有测试改装设备电源，采用地面电源方式供电，试验机电台与指挥塔台间的无线电通信依然有干扰。因此，可初步判定加装的测试改装设备与试验机存在电磁干扰。

（3）将各个测试改装设备逐一关闭，发现只有在信号采集器关闭的情况下试验机电台通信正常；再将各个测试改装设备逐一打开，发现只有在信号采集器打开的情况下试验机电台通信受到干扰。故可进一步判定信号采集器是造成电磁干扰的主要原因。

（4）用频谱分析仪探头多次探测信号采集器及连接线缆处的信号强度，如表1所示，发现在信号采集器供电线缆捆扎处的信号强度最强。

（5）在制作线缆时预留长度比理论需要线缆长度长，这就造成敷设完成后有多余线缆，但此时线缆两端已连接设备，只能进行集束捆扎处理。随后重新制作供电线缆，去除预留长度，并根据信号类型对线缆进行重新敷设捆扎处理。

（6）重复（2）（3）的测试，发现试验机电台与指挥塔台间的无线电通信恢复正常。再次通过频谱分析仪探头多次探测信号采集器及连接线缆处的信号强度，如表2所示。

对上述一系列测试的分析表明，故障是由于测试改装设备的供电线缆产生的电磁辐射对机载设备产生了干扰。因此，查找干扰源，判断干扰传播途径，减少被干扰的设备，提高抗干扰能力，保证试验机各系统工作正常，是必须研究的重要课题之一。

3    测试改装中的电磁兼容控制与防护

电磁兼容是研究电磁干扰的问题，通常把复杂的电磁环境分解成电磁干扰的三要素[4]，即产生电磁干扰的干扰源、对干扰敏感的接收单元、将电磁能量由干扰源传递至接收单元的传递通道，如图3所示。

飞机测试改装中的干扰源主要由机械改装和电气改装两方面组成，接收单元主要是由数字电路和放大电路等组成的电气设备，传递通道有供电线缆耦合、接地线缆耦合、空间电磁波等方式，电磁兼容的控制与防护也主要集中在这些方面。

3.1    机械改装

机械改装中电磁兼容的控制与防护主要涉及的是测试改装设备安装位置的选择。在现代化的飞机上，机身各处都存在电气设备，在安装测试改装设备之前进行科学布局，可以很大程度上解决飞机改装中电气设备的电磁干扰问题[5]。

例如，某些类型的传感器含有电磁线圈，在工作时会产生电磁辐射，影响试验机内部原有电磁环境，导致机载设备性能下降，甚至失灵。为防止类似情况的发生，就需要根据实际工作情况来选择测试改装设备，并对所有加装设备与拟安装舱位的试验机原机设备统筹安排，主要考虑电磁信号的遮挡，即加装测试改装设备与原机设备的隔离情况，以加装测试设备与原机设备不在同一舱位为最佳。

此外，如果测试改装中需要加装天线，那么在确定天线的安装位置时，需要做好以下两点：

第一，在確定天线的安装位置，尤其是具有较大输出功率的天线的安装位置时，应确保发射天线在最大程度上远离接收天线，从而提高空间隔离度，避免电磁干扰。

第二，应尽可能将机上工作频率相同或相近的天线相互远离，以保持足够的距离，防止相互之间产生干扰。

实践证明，通过科学合理的布局，能够解决大部分飞机测试改装中电气设备电磁兼容的问题。

3.2    电气改装

电气改装中的电磁干扰主要分供电线缆干扰和静电干扰两部分。

3.2.1    供电线缆干扰

飞机上的电源系统普遍采用的是“单线制”供电方式，“单线制”就是电流从飞机发电机或二次电源的正端输出，再经过配电枢纽分流至不同的电气设备，而各个电气设备和飞机发电机或二次电源的负端都与飞机就近一端的金属外壳相连，形成一个公共的“大地”，从而构成完整的电源系统[6]。

这种供电模式的优势主要体现在不需要多次重复敷设供电线缆，但是也存在由供电线缆产生的电磁辐射影响其他电气设备的缺陷。

为了避免这种供电方式所引发的电磁干扰问题，需要做好以下五点：

第一，要在测试改装设备供电线缆敷设前选择合适的敷设路径，并将与不同供电线缆连接的设备分别做好屏蔽与接地设计，设备与电源负端之间的阻抗也应严格控制。

第二，测试改装设备应选用横截面积宽且长度短的线缆作为供电线缆，以降低供电线缆的阻抗，减少设备供电线缆的压降损失，同时减少供电线缆的搭接，避免因接触不良而产生电磁干扰。

第三，测试改装设备如选用了大功率设备，则应与其他设备进行分开供电，避免大功率设备在启动时引起试验机电源系统电压不稳，进而影响其他设备。另外，还应在大功率设备上加装继电器等“缓启动”装置，将试验机电源系统受到的电涌效应冲击降到最低。

第四，供电线缆与信号线缆都应选用带屏蔽功能的线缆，并将供电线缆与信号线缆分开敷设。此外，还应尽可能使用防波套将屏蔽线缆套住，使外防波套与屏蔽线缆两端的屏蔽层相连接，保证与大地良好接触；若加装测试改装设备的工作功率较小，也可选用带屏蔽的双绞线作为供电线缆进行供电，从而确保供电线缆对信号线缆产生的电磁干扰降到最低。

第五，在敏感度高的测试改装设备的电源输入端口前增加滤波器，提高其电源品质，从而减少供电线缆对设备的干扰，确保设备正常运行。此外，在测试改装安装空间位置允许的情况下，可采用多电源模块分组供电，避免大功率设备与敏感度高的测试改装设备共用同一电源而造成电磁干扰。

3.2.2    静电干扰

避免静电干扰所引发的电磁兼容问题，主要需做好以下两点：

第一，在测试改装中使用合理的接地设计可以释放飞机在静电感应中产生的静电，这样既能够有效防止积累的静电形成高压而干扰设备的正常运行，又能够提升设备的工作稳定性。在理想状态下，飞机机体各个部位的电阻都应为零。但是在实际工作中，飞机机体各个部位的电阻是不可能为零的，这就导致了电势差，各个部位电阻值的差值越大就会导致电势差越大，相互之间的影响也就越大。因此，良好的接地设计可以有效减小电阻，从而减小电势差，避免积累的静电对机载设备造成损害。

第二，飞机构造原理特殊，导致在飞行时金属机体与空气的高速摩擦会产生大量的静电积累。虽然在飞机机体的不同部位均设计有静电释放装置，但飞机机体的部分区域仍然会有不能及时释放的静电电压，这些电压通过传导和放电的方式最终产生电磁干扰。因此，测试改装中的各条线缆和测试改装设备都要做好绝缘处理。另外，在选择加装的测试改装设备时，应尽可能选用静电防护能力强的电气设备。

4    结语

随着我国航空工业的迅猛发展，在飞机测试改装中应用的新技术、新设备也越来越多。如果加装的测试改装设备与试验机内部原有的电磁环境不兼容，就会造成设备故障甚至损坏，严重影响试飞安全。所以在飞机的测试改装中，尤其是在测试改装方案设计前就要充分考虑到测试改装设备与试验机原有机载设备的电磁兼容性。

在完成测试改装后，还需进行全机全系统的电磁兼容性试验，确保后续飞行试验的安全进行。

[参考文献]

[1] 杜晓昌.机载设备的电磁干扰及电磁兼容性分析研究[D].西安：西安电子科技大学，2015.

[2] 白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[3] 齐兴昌，宋祖勋.复杂电磁环境中电磁干扰现象分析与解决措施[J].华北科技学院学报，2005，2（1）：81-83.

[4] 徐鹏根.电磁兼容性原理及应用[M].北京：国防工业出版社，1996.

[5] 刘亚飞.飞机改装中的电磁兼容技术[J].军民两用技术与产品，2015（16）：14.

[6] 李建峰.飞机加装机载WIFI系统电磁兼容性研究[J].通讯世界，2016（8）：230-231.

收稿日期：2023-02-01

作者简介：叶锡涛（1990—），男，江西南昌人，工程师，研究方向：飞行试验测试改装与遥测监控。