运输类旋翼航空器高强辐射场研究

摘要：随着技术的进步，现代航空器中电气和电子系统的应用越来越多，航空器安全飞行与着陆对这些系统的依赖性越来越强，而空间的高强辐射场环境日益严酷，在提高系统性能的同时，也带来了高强辐射场防护问题，因此，航空器的高强辐射场防护也变得日益重要。本文介绍了国内外高强辐射场适航条款的情况，对相应的适航要求进行了解析，提出符合性验证思路及方法建议，可为其他旋翼航空器的高强辐射场防护提供技术参考。

关键词：旋翼航空器；高强辐射场；适航

从20世纪60年代开始，随着电子和电气系统的广泛应用，电磁波和辐射对航空器的影响开始日益显现。1967～2000年，先后有几架飞机和直升机受到影响发生事故，事后调查发现，事故原因包括机载高度表显示错误、桨叶伺服机构失效、通信系统受到干扰，这几起事故均是因为电子电气系统受到了电磁波和辐射的影响，使得航空器坠毁或者受到了不同程度的损坏，由此可见，电磁防护对航空器的重要性。高强辐射场（HighIntensityRadiatedField,HIRF）是在单位面积的辐射能量比较高的一种电磁辐射。这种电磁辐射除了会对人身产生影响，还会影响航空器电子电气系统的正常运行，对航空器而言，HIRF环境一般是由雷达、无线电、电视和其他地面、水面或者空中的射频发射机发射的能量造成的。虽然HIRF没有对早期的航空器形成明显的危害，但是由上述几起事故可以看出，在20世纪70年代末期设计的民用航空器包括了关键飞行电子控制系统，电子显示以及发动机电子控制系统等，这些系统的运行在HIRF环境中更容易受到有害影响，从而影响航空器的安全飞行和着陆。近年来，由于以下原因对这些系统进行保护的必要性已经显著提升：（1）航空器持续安全飞行和着陆需要对电子和电气系统承担的功能有更大的依赖；（2）设计航空器时由于采用复合材料引起电磁屏蔽的减弱；（3）由于不断增加的数据总线或处理器运算速度，更高密度的集成电路和板块和更敏感的电子设备使得电子电气系统越来越容易受到HIRF的影响；（4）使用频率的扩展，尤其高于1千兆赫（GHz）；（5）由于无线电传输装置的数目和能量的增加引起的更严重的HIRF环境；（6）实践证明，一些航空器暴露在HIRF环境下的负作用。因此，HIRF已经成为影响现代航空器安全运行的一个重要因素。本文首先梳理了HIRF的相关适航规章和标准，根据HIRF的相关适航规章和标准，对HIRF的适航要求进行了解析，探讨了运输类旋翼航空器的HIRF适航符合性验证思路及方法。

1适航条款及解析

1.1国内外HIRF防护适航条款。美国联邦航空局（FAA）于2006年2月1日了规章制订建议公告（NPRM）（71FR5553）。该NPRM包括对促进本次规章制订的HIRF相关事件的描述。最终通过讨论，新增29.1317高强辐射场（HIRF）防护条款，并在29部增加附录E增加HIRF环境和设备HIRF测试水平的要求。中国交通运输部在2017年4月1日颁布了《运输类旋翼航空器适航规定》（CCAR-29-R2），新增了第29.1317条高强辐射场（HIRF）保护，在此之前，国内运输类旋翼航空器的HIRF防护经验十分有限，部分型号参考FAR29.1317制定了HIRF防护的专用条件。1.2HIRF防护适航条款解析。29.1317条款规定了三类不同程度影响旋翼航空器安全的电子电气系统（分别称为关键系统、重要系统、一般系统）的HIRF防护设计要求及验证要求。旋翼航空器关键系统、重要系统、一般系统的界定可按照29.1309要求，由整机功能危险分析（FHA）确定。（1）条款（a）提到的电气和电子系统是指经系统安全性评估确认为A级的系统，这些系统在功能失效后会妨碍航空器继续安全飞行和着陆；条款（b）提到的电气和电子系统是指经系统安全性评估确认为B级的系统，这些系统在功能失效后会严重降低航空器或者飞行机组对不利运行条件的应对能力；条款（c）提到的电气和电子系统是指经系统安全性评估确认为C级的系统，这些系统功能失效后会降低航空器或者飞行机组的不利运行条件的应对能力；经系统安全性评估确认为D或E级的系统，可以不考虑本条款的要求。（2）附件E对旋翼航空器电气和电子系统的HIRF环境以及设备测试水平做出了具体要求。（3）条款中“功能不会受到不利影响”，即表示系统在条款要求的HIRF环境中功能一直要保持正常，不允许有瞬态的功能丧失，通常这种情况下，可以采取系统备份的方式，保证主系统受影响后，备份系统也能正常运行。同理，“系统不受不利影响”即表示系统在条款要求的HIRF环境中不允许有瞬态的丧失。

2符合性验证思路及方法建议

中国民用航空局（CAAC）2006年颁布了《航空器高强辐射场（HIRF）保护要求》（AC-21-1317），按照该咨询通告的要求，29.1317条款的建议验证思路如下：2.1确定要评估的系统。结合整机功能危险性分析和分系统功能危险性分析，梳理确定需要进行HIRF评估的关键系统和重要系统。针对不同等级的系统，由于适航规章对其有不同的防护要求，因此，应该完成的试验也不相同。A级系统通常需要完成整机级、系统级及设备级试验，而B级和C级系统通常只需要完成设备级试验。2.2建立适用的HIRF环境。CCAR29-R2附录E规定了旋翼航空器的外部HIRF环境I、II、III。一般来说，当旋翼航空器暴露在HIRF环境中时，外部HIRF能够穿透航空器，在内部形成一个射频环境，使得内部的电气和电子系统受到HIRF的影响。（1）A级系统。A级系统的内部HIRF环境是由航空器对HIRF环境Ⅰ、Ⅱ的衰减决定的。衰减是针对不同航空器和不同区域特定的，应通过整机级试验、分析或相似性来建立。A级系统应完成设备级试验及整机级试验，对显示系统来说，还需进行系统综合台架试验。（2）B级系统。B级系统应完成设备级试验，适用于HIRF设备级测试水平1、2。（3）C级系统。C级系统应完成设备级试验，适用于HIRF设备级测试水平3。2.3HIRF符合性验证方法。通常HIRF的符合性验证会采用试验室试验和分析/计算的方法。2.3.1试验室试验。试验室试验包括整机级、系统级和设备级试验。（1）整机级试验。整机级试验的两种主要方法是低电平耦合试验和高电平试验。低电平耦合包括测量机身的衰减并确认综合系统台架试验电平以反映测量的内部HIRF环境。高电平设备场照度试验包括使用与适用的外部HIRF环境相等的试验电平照射旋翼航空器。（2）系统级试验。对于A类系统，应在综合系统台架上进行辐射和传导射频敏感性试验室试验：（a）试验室集成系统试验的安装细节应该类似于机上的安装；（b）系统级HIRF环境试验时被测试的系统应该一直处于工作状态，同时需要验证所有工作模式下系统的运行情况；（c）根据系统安全评估和适当的HIRF规定，为系统定义适当的合格/不合格准则；（d）测试电平的选择应根据整机试验确定的内部HIRF预期环境。（3）设备级试验。在建立对设备HIRF抗干扰度的置信水平之前，可采用RTCA/DO-160第20节的方法进行集成系统的辐射和传导射频敏感度的试验室试验。在以往型号合格审定的过程中，一般针对A类系统，设备级HIRF试验并不是强制的，可以选择进行以支撑集成系统的HIRF试验。RTCA/DO-160中对设备试验等级进行了详细规定，B级系统采用1或者2级设备HIRF试验，C级系统采用3级设备试验。2.3.2分析/计算。一般分析/计算会采用仿真分析和相似性分析的方法。（1）仿真分析。仿真分析在现代航空器的设计中应用越来越多，通常这种分析方法会在航空器设计之初采用，用于及早发现设计中存在的一些缺陷。美、欧一些航空强国在HIRF的防护设计中普遍采用了仿真分析软件，而我国航空器HIRF防护设计的仿真分析水平与其相比还有很大差距。（2）相似性分析。在已有的旋翼航空器型号的基础上，对其进行改进或者改型时，可以采用相似性分析的方法对HIRF的防护效果进行评估。采用相似性分析时，应该对原型机和改进或改型后的机型的数据进行详细对比，保证采用相似性分析后得出的结果是可信的，能够用来表明符合性。2.4验证对HIRF合格审定要求的符合性。当试验结果表明，HIRF环境下的系统和设备线束上的射频电流低于测试等级时，可以认为符合HIRF防护的合格审定要求。

3结语

随着航空电子工业技术的发展,电子电气系统逐步取代了传统的机械电子产品,现代航空器的安全运行和着陆离不开电子电气系统，旋翼航空器与固定翼飞机相比，飞行高度低，更容易受到HIRF环境的干扰。本文梳理了国内外HIRF防护适航条款的颁布和使用情况，对运输类旋翼航空器的HIRF要求进行了解读，提出了符合性验证思路及验证方法建议，为后续其他机型开展HIRF防护设计和适航验证提供了一定的技术支持。目前，我国在运输类旋翼航空器HIRF防护设计和适航验证方面经验十分不足，由于相应的适航条款颁布的时间较晚，还没有一架运输类旋翼航空器进行过完整的HIRF设计和适航验证，与国际水平相差巨大。因此，后续对运输类旋翼航空器的HIRF防护设计和适航验证还需要进一步的研究与实践。

参考文献：

[1]章光灿.民用飞机高强度辐射场（HIRF）防护适航验证方法研究[J].科技视界，2016.

[2]中国交通运输部.CCAR29R2运输类旋翼航空器适航规定[S].北京：中国交通运输部，2017.

[3]中国民用航空总局.AC-21-1317航空器高强辐射场（HIRF）保护要求[S].北京：中国民用航空总局，2006.

作者:黄书雅 单位:中航工业直升机设计研究所