航空發動機的雷電與HIRF適航測試試驗

■ 段澤民 司曉亮 李志寶 / 中國航空工業合肥航太

2019年上半年，中國航空工業合肥航太電物理技術有限公司（合肥航太）完成了國內首次包括發動機控制系統的整機級雷電間接效應試驗以及整機級高強輻射場(HIRF )防護試驗，標志著我國擁有了完成發動機整機級雷電及HIRF防護適航取證試驗的能力。

中國航空工業合肥航太電物理技術有限公司（合肥航太）于2019年上半年完成了國內首次包括發動機控制系統的整機級雷電間接效應試驗以及整機級高強輻射場(HIRF )防護試驗，標志著我國擁有了完成發動機整機級雷電及HIRF防護適航取證試驗的能力。

雷電長久以來一直被看作是威脅飛機飛行安全的惡劣天氣（如圖1所示），而高強輻射場則是主要來自于雷達、無線電、電視和其他地基、船載或機載射頻（RF）發射器發射的強人為電磁環境，這兩種因素對飛機上的敏感電子裝置的抗電磁干擾能力提出了極高的要求。

航空發動機系統是飛機上最關鍵的系統之一，如果在飛行中出現難以恢復的故障，如空中停車等，會給飛行安全帶來災難性的后果。因而，無論對固定翼飛機還是旋翼機，發動機的位置一般被當作抗雷電環境最為嚴苛的1區，是對雷電防護要求最高的區域。因此，在民航飛機的適航審定中，關于發動機系統的雷電防護和高強輻射場防護都已成為強制性條款。例如，CCAR-33部中提到：在聲明的環境條件下，包括電磁干擾（EMI）、高強輻射場（HIRF）和閃電條件，發動機控制系統功能不會受到有害影響。為了滿足上述要求，合肥航太結合國際先進經驗以及立足自主研發，完成了國內首次包括發動機控制系統在內的整機級雷電間接效應試驗以及整機級HIRF 防護試驗。

圖1 被雷電擊中的客機

發動機雷電防護試驗

現代雷電學認為，雷電可在100km高度大氣層內出現，雷電電壓幅值可達GV量級，電流幅值可達100kA量級。據統計，地球上每天要發生800萬次雷電，固定航線的飛機平均每年記錄1次遭雷擊事件，其中幅值達到200kA的雷電約占總數的1%。

雷電對發動機系統的影響主要分為直接效應和間接效應兩大部分。直接效應主要來自于雷電帶有的巨大能量，容易造成介質擊穿、弧根熱損傷、沖擊波效應、電動力損傷等；而間接效應則是指電磁能量通過孔隙耦合和擴散作用，在發動機的電力電子器件上感應出高閾值的浪涌電壓，導致系統故障。

燃氣渦輪發動機由傳統的全金屬結構發展到金屬加復合材料結構，現在還出現了全復合材料結構的發動機，隨著復合材料所占比重的不斷增加，發動機導電性降低，更容易遭雷電破壞。與金屬殼體相比，復合材料殼體屏蔽效能降低，內部電磁環境惡化，尤其是現代發動機控制系統逐漸由機械液壓式控制系統轉為全權限數字電子控制（FADEC）系統，對復雜電磁環境下發動機防護提出了更高的要求。對于現代直升機推進系統，多采用復合材料制造螺旋槳槳葉，雷電打擊到螺旋槳槳葉上可能會出現介質擊穿、附著點弧根熱損傷、沖擊波損傷、電動力損傷，使槳葉出現穿孔、破裂、熱解等直接效應。

因此，發動機包括控制系統（如圖2所示）的整機級雷電防護試驗是飛機整機級雷電防護試驗中不可或缺的重點內容，驗證發動機系統在實際安裝運行工況下對雷電環境的響應是否符合適航標準的要求，它的作用是設備級、系統級試驗所不能取代的，更是發動機的適航取證強制要求的項目。

航空發動機雷電防護試驗首先由雷電分區試驗開始，以此對不同區域所面對的雷電環境作出不同的規定，可以有效防止過度防護和防護不足的問題，是后續雷電防護試驗的基礎。以固定翼運輸機為例，發動機一般安裝在機翼上，因其前沿突出的外形特征和所處位置，一般位于雷電打擊1A區，代表雷電首次回擊打擊點的所在，不出現雷電懸停；前沿略向后，長度與飛機飛行速度有關的一片區域，一般位于1C區，代表雷電首次回擊的傳導電流區域；再向后的一片區域位于2A區，代表掃掠回擊區；發動機的后沿部分定義為1C區，表示雷電首次回擊的離開通道可能一直在這里懸停。不同的雷電分區表示試驗中應用不同的試驗波形，其中，對1區的防護要求最高，2區次之，3區較低。

過往收集到的雷擊事件報告表明，當雷電打擊渦噴發動機時，發動機可能會發生失速或轉速下降，甚至可能完全熄火，但還沒有案例說明這些故障是不可恢復的，出現上述情況的發動機都通過重新起動和加大功率恢復了運行。由于通過實驗室模擬雷電環境復現發動機熄火或失速不現實，所以還沒有關于此類故障機理的定量分析。但研究人員一般認為，此類事件是由于沿機體掃掠的雷電通道掠過發動機進氣道附近所帶來的沖擊波效應，造成進氣中斷而產生的。統計發現，此類事件在大飛機上發生的概率低于小飛機上發生的概率，也從側面印證了尺寸小的進氣口更易受雷電沖擊波影響。除非飛行員確定這種故障的原因，通常觀察不到發動機或發動機短艙的其他損壞。對于上述情況，除了重新點火起動發動機，別無其他防護措施。

圖2 發動機數字電子控制器雷電間接效應試驗

發動機HIRF防護試驗

與雷電不同，HIRF環境是人類活動所造成的，并且在可預見的未來，伴隨著各種大功率、超大功率電磁波發射裝置的增加和使用，HIRF環境總體上只會越來越嚴苛。在適航標準中規定的HIRF外部環境中，電場強度峰值可達到7200V/m。

外部HIRF環境會穿透飛機并形成一個內部射頻環境，而電子/電氣系統就曝露其中。內部射頻環境的產生是由一系列因素相互作用引起的，比如飛機的孔縫耦合、飛機內部結構和線路的再輻射，還有典型的飛機電子共振效應等。所以飛機的內部射頻場是一個綜合的結果，也是不均勻的，強度、波形和波阻抗可能在寬頻內變化。另外影響導線對HIRF耦合的一個重要因素是導線相對電磁場的極化方向，且當機體或導線長度是波長的整數倍或1/2、1/4時，易因諧振達到最大耦合。飛機對HIRF效應防護的能力與使用不同的系統安裝布局有關。在飛機整體設計層面上，設計目標是降低安裝電子/電氣設備附近的HIRF內部環境。在系統層面上，設計目標是健全的系統安裝布置；同時，對HIRF效應具有強健的系統度量標準（軟件和硬件），以及結構防護與防護裝置的設計也是必要的。適航驗證將飛機上各系統的失效狀態分為災難性(A)、危險性(B)、重大性(C)3個HIRF審定等級，發動機系統就屬于A類，即功能失效會影響飛機飛行安全，帶來災難性后果的系統。

發動機適航符合性驗證方法包括驗證試驗和仿真分析。驗證試驗包括整機級試驗、系統級試驗、設備級試驗，而合適的仿真分析雖然可以幫助減少不必要的試驗，但不能取代試驗。對發動機這種A類系統的符合性驗證方式是最繁雜的，要求進行設備級、系統級和整機級的符合性驗證，一般從整機級驗證開始，使各系統、設備所在區域的場強符合驗證要求后，再進行分項試驗。所以，整機級試驗具有特殊的意義。整機級HIRF符合性驗證是一個系統的持續性工作，應有一個明確的HIRF符合性計劃，以便清晰地識別和規定HIRF審定要求、HIRF防護設計、設計試驗和用來作為符合性一部分的分析行為。HIRF符合性計劃在執行前應提交適航，并得到適航當局批準。如果飛機、系統或裝置在適航當局批準后進行設計更改，修訂的HIRF符合性計劃也應提交適航當局獲得批準。

發動機整機HIRF防護試驗是為了測量被試飛機關鍵位置實際射頻環境以及電子/電氣系統或設備互聯導線上的感應情況。對試驗中測試電纜和區域的選擇須經過分析討論，并得到適航當局的認可，從數百根電纜束中選擇典型設備的電纜和位置進行試驗。這樣既能滿足定型考核試驗的要求，又可以兼顧試驗周期。

實際操作中要先確認被試直升機裝備執行關鍵功能和重要功能的電子設備是按實際裝機情況敷設電纜，之后試驗將按照標準規定布置試驗環境，包括對直升機關鍵位置實際射頻環境和電子/電氣系統、設備互聯導線上的感應情況進行測量，并與合格判據對比以得出鑒定結論。

合肥航太對被測飛機應用了發動機整機HIRF低電平耦合（LLC）試驗。這里的低電平耦合試驗包括低電平掃描電流（LLSC）和低電平掃描場（LLSF）試驗方法。低電平掃描電流試驗測試了發動機兩側控制系統電纜束的傳遞函數曲線，而低電平掃描場試驗測試了發動機關鍵設備安裝區域的衰減系數曲線。通過對這些隨頻段而變化的曲線與實際HIRF環境數據進行處理，把測試結果與合格判據做對比，最后得出結果。這種方法的優點有：可大量多次試驗，減少隨機性誤差；把整機曝露到遠場，能更好模擬真實環境；具備模式選擇能力，測試結果更可靠；試驗成本較低，試驗設備更易搭建等。

合肥航太已開展了對AC312E直升機的整機HIRF試驗（如圖3所示），具備發動機整機HIRF防護試驗能力，并針對發動機控制系統進行了測量。

圖3 整機HIRF試驗外場

結束語

我國目前已經能夠完成飛機雷電和HIRF整機防護測試試驗，但是發動機的雷電與HIRF防護測試試驗水平仍需進一步提高，未來應加強對發動機系統關于雷電與HIRF耦合效應機理的研究，加強對適航標準的理解，同時要重視高水平仿真在適航取證中的積極作用，以進一步提高我國發動機雷電與HIRF試驗與適航審定能力。