航空四芯线缆雷电耦合特性仿真与试验分析

史春蕾,于佳鸣,丁 冬,任 禹,马振洋

(1.中国民航大学安全科学与工程学院 天津 300300;2.中国民航大学中欧航空工程师学院 天津 300300)

0 引言

机载线缆作为航电系统与设备间的关键连接部件,在航空电磁环境作用下产生的感应电压电流会对所连接的系统、设备造成电磁干扰,引发飞机内部电磁兼容问题,甚至造成设备损坏,进而威胁飞机安全运行。据统计,一架固定航线的商用飞机每年平均要遭遇一次雷击[1]。雷电的瞬时大电流、强电压、高功率,极易通过机载线缆耦合进入电子设备,从而造成危害。

国内学者针对同轴线、双绞线、屏蔽线束等多种机载线缆在雷电、强电磁脉冲等大电流、强电压、高功率干扰源作用下的电磁耦合特性,从线缆雷电耦合和场线电磁干扰试验[1-6]、场线耦合数值建模仿真[7-19]、大电流注入等效试验[20-27]等方面开展了大量研究。然而,对于多芯线缆雷电耦合特性,由于线缆内部存在芯线间串扰,同时外部雷电又在芯线上产生感应电压电流,两者相互作用,耦合机构复杂、分析难度大,因此相关的研究成果很少。

航空电子全双工交换式以太网(Avionics Full Duplex Switched Ethernet,AFDX)作为现代先进飞机分布式综合化的关键技术之一,实现了航电系统间的高速数据交换[28]。航空四芯线缆作为AFDX系统与设备间数据传输的主要线缆,其雷电耦合特性对AFDX系统的雷电防护能力起决定性作用。本研究以航空四芯线缆为对象,建立整机与线缆模型,搭建试验平台,通过仿真与试验对机载线缆雷电耦合特性开展研究。

1 仿真平台

由于机载电子设备大多具有金属屏蔽壳,因此忽略机内设备对线缆产生的电磁干扰。基于某型号飞机,不考虑内部结构和设备,建立如图1所示整机内置四芯线缆模型,进行线缆雷电耦合仿真。整机长度39.5 m、翼展35.8 m、高12.5 m,蒙皮材料为1.5 mm厚金属铝;四芯线缆长度为1 m,平行放置于机体中轴线,距机底0.2 m,靠近机头的电子舱位置。

图1 某型号整机内置四芯线缆模型

整机内置四芯线缆雷电耦合仿真的SPICE电路见图2。雷电仿真信号根据SAE ARP 5412[29]选用雷电电流分量A为激励信号(见图3),考虑飞机的舷窗、门缝等机体孔缝的影响,在四芯线缆雷电耦合仿真中采用如图4所示的辐照和注入两种雷电进入机体内部与线缆产生耦合的方式。其中图4(a)为雷电以垂直于机体中轴线方向辐照飞机;图4(b)为雷电由机头注入机体后经由机尾离开飞机。

图2 整机内置四芯线缆雷电耦合仿真SPICE电路

图4 雷电耦合仿真设置

2 试验平台

目前机载线缆的雷电耦合试验主要参照机载设备环境试验标准RTCA DO-160G第22章雷电感应瞬态敏感度试验中的线缆束试验[30]。仅考虑线缆的雷电耦合特性,因此采用等效阻抗元件替代机载设备作为线缆负载,设计四芯线缆雷电耦合试验如图5所示。使用表1所列设备搭建图6所示试验平台,进行航空四芯线缆雷电耦合试验。

表1 试验设备

图5 四芯线缆雷电耦合试验

图6 四芯线缆雷电耦合试验

试验航空四芯线缆长度为5.5 m,线缆两端通过50 Ω负载电阻与接地铜板连接,线缆距桌面接地铜板2 cm。根据线缆敷设所属的雷击分区,选取雷电流分量波形1和波形5A、5B(见图7)作为雷电波形信号。试验通过脉冲耦合发生器产生雷电波形,再经由脉冲耦合变压器耦合到四芯线缆。试验使用电流探头连接示波器监测四芯线缆上的感应电流。

图7 雷电电流波形

3 结果与分析

3.1 不同耦合方式对线缆雷电感应电流的影响

图8为辐照和注入两种方式下四芯线缆雷电感应电流的仿真结果。由于机身蒙皮的屏蔽作用,雷电信号在辐照方式由舷窗、门缝等耦合进入机体的能量远小于由机头注入方式。由图8可以看出,两种方式的线缆雷电感应电流幅值差距较大,平均差值为25.45 dBμA;两种方式的线缆雷电感应电流的频域波形基本一致,雷电感应电流均在65 MHz、126 MHz、188 MHz处存在谐振峰值。

图8 辐照和注入方式下四芯线缆雷电感应电流

3.2 不同雷电波形对线缆雷电感应电流的影响

以电流峰值600 A的波形1、波形5A、波形5B为激励信号,采用辐照方式仿真,四芯线缆雷电耦合仿真与试验结果见图9。表2给出3种雷电电流波形的上升时间以及四芯线缆雷电感应电流峰值的仿真和试验值。仿真和试验结果表明雷电电流波形1作用下,四芯线缆的感应电流最大。

表2 不同类型雷电电流波形下四芯线缆感应电流峰值

图9 不同雷电波形作用下四芯线缆雷电感应电流

由图9和表2可看出,3种雷电电流波形在四芯线缆上产生的雷电感应电流从0到达峰值的上升时间仿真与试验的结果一致好,四芯线缆雷电感应电流峰值比例近似雷电电流波形的上升时间比值,即线缆雷电感应电流主要由雷电信号的上升时间决定。

由于产生雷电电流波形的脉冲信号发生器是通过步进输出以提升雷电电流信号的幅值,在试验中雷电电流达到峰值600 A前要输出多个低幅值雷电脉冲,四芯线缆的感应电流耗散不及时,导致下降时间增大,因此,试验得到的线缆雷电感应电流下降时间大于仿真结果。

3.3 不同雷电电流幅值对线缆雷电感应电流的影响

以图7(a)波形1为激励,不同幅值雷电电流波形作用下四芯线缆雷电感应电流的仿真与试验结果见图10。表3为雷电电流波形幅值及其试验测得的四芯线缆感应电流峰值。结果表明雷电电流的幅值变化主要影响四芯线缆感应电流的峰值,对感应电流的上升时间没有影响,由表3结果可得雷电电流幅值之比与四芯线缆感应电流峰值之比均为1∶1.2∶1.4∶2.4,即四芯线缆上感应电流大小与雷电电流波形幅值成正比。

表3 不同雷电电流幅值作用下四芯线缆感应电流峰值

图10 不同幅值雷电电流作用下四芯线缆雷电感应电流

3.4 不同端接状态对线缆雷电感应电流的影响

以雷电电流波形1作为激励信号,如图2(b)所示的四芯线缆,以芯线d作为监测对象,4根芯线一端接50 Ω、另一端接1 Ω、50 Ω、1 MΩ的电阻作为芯线负载,近似等效短路、匹配、开路3种线缆负载状态,即四芯线缆中芯线d两端接50 Ω作为监测线,其余3根芯线a、b、c一端接50 Ω、另一端接1 Ω或1 MΩ,图中纵轴S表示连接1 Ω、M表示连接50 Ω、O表示连接1 MΩ。

图11给出了四芯线缆不同端接状态的线缆雷电感应电流的仿真和试验结果。仿真与试验结果的趋势一致,四芯线缆内部芯线负载变化对雷电感应电流的峰值和上升时间存在影响。四芯线缆内芯线一端接1 Ω即芯线近似短路时,随着短路芯线的数量增加,芯线d上电流幅值减小,上升时间增加;芯线一端接1 MΩ即芯线近似开路时,随着开路芯线的数量增加,线缆d上电流幅值增大,上升时间减少。

图11 四芯线缆不同端接状态对雷电耦合特性的影响

表4给出四芯线缆中芯线d一端接50 Ω、另一端接不同负载的雷电感应电流峰值和上升时间的仿真结果,其余3根芯线a、b、c两端均接50 Ω。仿真结果显示芯线d的雷电感应电流峰值和上升时间均随负载的增大而减少;从1 Ω近似短路到50 Ω匹配,电流峰值和上升时间均下降了45%;从50 Ω匹配到1 MΩ近似开路,电流峰值下降了80%,上升时间下降了70%。

表4 不同端接负载的芯线d雷电感应电流

结合图11和表4结果,四芯线缆中在无芯线串扰的情况下,短路芯线的雷电感应电流峰值大、上升速度快;存在芯线串扰的情况下,短路芯线引起的芯线间串扰大,能够抑制芯线雷电感应电流。因此,在四芯线缆雷电防护时,仅有一根芯线存在匹配问题时,应避免该芯线短路对所连接设备引入的雷电干扰;当多根芯线存在匹配问题时,应尽量避免芯线连接高阻抗负载造成连接设备受到干扰甚至损伤。

4 结语

针对航空四芯线缆雷电耦合特性,开展了仿真与试验研究。仿真结果表明雷电进入机体的方式仅对四芯线缆雷电感应电流的峰值大小存在影响,对线缆雷电耦合的谐振频率特性没有影响;四芯线缆中芯线端接负载和不匹配的芯线数量对线缆雷电感应电流的大小和频率特性均有影响。仿真和试验结果得到的四芯线缆雷电感应电流的峰值和上升时间趋势一致性好。该研究可为航空多芯线缆雷电耦合仿真与试验提供方法和依据。