HIRF资料

民航资源网2010年4月22日消息：4月16日上午，“Lightning/HIRF防护技术培训中心”（闪电/高强度辐射场防护技术培训中心）在中国民航大学成立。该中心由民航大学与美国EMA公司及其中国独家代理上海昂迪信息科技有限公司联合成立。

美国EMA（Electromagnetic Application）公司成立于1978年，主要致力于软件开发。该公司重点研发领域是闪电防护、电磁脉冲辐射防护等。

为了将最先进的飞机电磁防护仿真技术全面引入中国，中国民航大学经过与美国EMA

公司及其中国独家代理上海昂迪信息科技有限公司友好协商，决定在该校“Lightning/HIRF 验证及检测实验室”联合成立“Lightning/HIRF防护技术培训中心”。

“Lightning/HIRF防护技术培训中心”的成立将有助于完善我国航空器的闪电防护标准，加强适航审定技术的基础研究，促进产学研有机结合，提高中国民航大学科学研究和航空人才培养水平。同时，该中心的成立对加快该校适航研究与国际适航研究接轨的步伐将发挥助推作用。

对飞机研制的新要求——高强度辐射场（HIRF）防护

Protecting Electrical and Electronic System from HIRF Effect

唐建华

导读：与自然界产生的闪电不同，高强度电磁辐射是由人类活动造成的电磁环境问题，其频带宽（10千赫-40吉赫），作用时间长（与闪电的作用时间相比）。高强度电磁辐射、闪电与电磁兼容等电磁环境问题（统称E3问题），已成为影响飞机安全的重要因素。因此，在飞机研制中，应采取措施对飞机的电子和电气系统进行保护，以免对飞行安全带来不利影响。

高强度电磁辐射对飞行安全带来的影响日渐显现。首先，从飞机本身来看，执行关键功能的传统机械或机电控制及机电指示系统，已逐渐被电子式飞行控制系统、电子式显示指示系统和全权数字式发动机控制器等所替代，而这些设备对外部电磁环境的敏感程度显然高于传统的系统。其次，随着导电性低的复合材料越来越多地出现在新型飞机上，使得飞机对外部电磁环境的屏蔽效能大大降低。另外，从外部环境来看，现在射频发射机的数量和功率增加，工作方式增多（如地面雷达、通信和广播电视发射台、舰载和机载射频发射机等），使得空间电磁频谱变宽，电磁场强度增大。

以上三种情况使近年来由于外部电磁环境引起的飞行事故时有发生。如在外部高强度电磁辐射环境的影响下，飞行操纵系统不稳定、控制舵面错误运动、发动机转速突然变化、导航指示器的航向、高度等参数显示错误等，从而导致飞机坠毁等严重事故的发生。

HIRF要求的形成和现状

目前，高强度辐射场防护被称之为“新”要求主要是基于两点：第一，欧美等国至今还没有将HIRF防护要求作为适航规章的正式条款颁布（仍在完善中）；第二，中国民航适航当局参考欧美等国的做法，已经开始将HIRF防护要求首次列入某型号合格审定之中。

国外HIRF技术研究的现状

美国和欧洲都有专门机构，进行了多年HIRF环境研究。虽然直到目前，美国联邦航空局/欧洲联合航空局（FAA/JAA）还没有颁布正式的HIRF的适航条款。但HIRF的适航条款制

定工作一直在酝酿和讨论之中。

例如，1987年发布有FAA 报告DOT/FAA/CT 87/19“航空电子系统的HIRF防护设计”；1997年7月，FAA和JAA联合发布了建议的咨询通报“飞机电子电气系统高强度辐射场环境符合性验证”（草案6.0）；FAA于1999年3月发布的AC/AMJ20.1317用户指南；1998年4月，FAA通告N8110.71“飞机高强度辐射场环境的符合性验证指南”；2006年2月份发布了关于咨询通报AC20-HIRF的建议公告（NPRM）：AC20-HIRF飞机电子电气系统高强度辐射场环境符合性验证等。

多年来，在缺少HIRF适航条款的情况下，FAA/JAA针对不同的飞机研制项目，制定了关于HIRF防护的专用条件和问题纪要，从而保证了近年所研制的民用飞机，如波音777、A320/A340、ERJ-170、CRJ200/700等均按照FAA/JAA的HIRF防护要求进行设计、分析和适航符合性验证。通过多年的工作，他们在HIRF防护设计技术、预测分析技术、适航符合性验证技术等方面积累了丰富的经验。这也为今后HIRF适航条款的出台奠定了坚实的基础。

我国HIRF技术研究的现状

在2003年以前，中国民航适航等部门未曾提出过HIRF的防护问题，国内在HIRF防护设计、预测分析、试验验证技术方面基本处于空白状态。随着新型支线客机项目的启动，中国民用航空局（CAAC）适航司依据FAA N8110.71通告及AC/AMJ20.1317咨询通报，颁布了针对该机的HIRF专用条件和问题纪要。

目前，中国民机HIRF防护技术研究尚处于起步阶段，在HIRF设计防护技术、预测分析技术、适航符合性验证等方面有待进行深入研究。与国际上日趋成熟的HIRF防护技术存在很大的差距，还未颁布过飞机HIRF防护的标准、规范；未进行过设备级、系统级、飞机级符合性验证试验；也尚未开展过HIRF的仿真分析等。

适航规章要求

FAA/JAA对HIRF的适航要求表现在“飞机电子电气系统工作在高强度辐射场环境的验证”咨询通报（AC/AMJ20.1317）中，它对不同类型的飞机规定了四类不同的HIRF环境，即：固定翼飞机的严酷HIRF环境、审定HIRF环境、正常HIRF环境和旋翼飞机的严酷HIRF环境。这四类HIRF环境都是以表格的形式给出的，给出了频率和它所对应的电场强度。对于民用固定翼客机来说，适用于HIRF审定环境和正常HIRF环境，其设计和安装必须满足下列要求：

1.对于完成关键功能的每个系统，当飞机暴露于正常HIRF环境时，每个系统不会受到不利影响。

2.当飞机暴露于审定（Certification）HIRF环境时，所有关键功能都不得受到不利影响。

3.在飞机暴露于审定HIRF环境之后，每个受到影响的执行关键功能的系统，系统应能够自动恢复正常工作，除非与该系统的其他工作要求或功能要求有冲突。

目前，中国民航的CCAR 25部中尚没有HIRF的条款，但曾在2005年8月31日颁布了GSC-001“高能电磁辐射场”专用条件（草案），以保护飞机的电子电气系统免受高强度辐射场的不利影响。针对ARJ21飞机，CAAC审查组制定了SE001“高能电磁辐射场”问题纪要。其具体要求与FAA/JAA的要求相同。

飞机HIRF合格审定的工作内容（二标）

贯彻落实HIRF的适航要求，不仅要在飞机设计阶段进行，而且要贯穿飞机的全寿命周期。也就是说，从飞机研制初期，到投入使用运行的整个过程，都要贯彻落实“系统闪电防护”这一条款。这些工作是互相交错在一起的，是一个迭代的过程，没有严格的先后之分。

HIRF合格审定的主要工作包括：确定要评估的系统；选择适用的外部HIRF环境；选择适用的HIRF符合性验证方法；选定系统的试验环境；验证对HIRF合格审定要求的符合性。

确定要评估的系统对完成不同功能等级的系统，HIRF的防护要求是不同的。因此，要对飞机上安装的电子电气系统进行功能危害性评估工作(FHA)。

按功能危害性的不同，适航文件要求将危害性分为A、B、C、D、E 五类，A类是指会妨碍继续安全飞行和着陆的失效状态；B类是指会严重的降低飞机性能或降低机组人员应付不利的运行条件能力的失效状态；C类则是会降低飞机性能或降低机组人员应付不利的运行条件能力的失效状态，如安全裕度或操作能力降低，机组工作负荷显著增加等；D类对飞行安全影响很小的失效状态；E类对飞行安全无影响。

选择适用的飞机外部HIRF环境对于民用固定翼客机，适用的外部HIRF环境为审定HIRF环境和正常HIRF环境。HIRF环境的场强是用均方根值（rms）表示的。

选择适用的HIRF符合性验证方法 HIRF符合性验证的适用方法包括：

验证试验（飞机级试验、系统级试验、设备级试验）、仿真分析（一般用于飞机设计前期，用来发现不足之处，以减少风险。美国的EMA3D仿真分析软件，已被广泛应用于美、欧的军、民用飞机、航天飞机等飞行器的HIRF仿真分析中）以及相似性分析（一般用于改进、改型的飞机，用原型机的数据来进行类比分析）。

选定系统的试验环境选定系统的试验环境即建立内部HIRF环境，内部HIRF环境是外部电磁场、飞机和装在飞机上的系统间的复杂电磁相互作用的结果。外部HIRF环境将穿透飞机，在电子电气系统安装处产生内部的HIRF环境。主要的内部HIRF环境是多种因素综合的结果。如飞机的材料，结构的搭接，缝隙和开口的位置和尺寸，飞机内部的再辐射，以及飞机的共振特性等。

对失效状态为灾难性的系统（A类），要求进行设备级、系统级和飞机级的符合性验证；对失效状态为危害性的系统（B类），要求进行设备级、系统级的符合性验证；对失效状态为较大的系统（C类），仅要求进行设备级的符合性验证。

关于维修

应按适航条例25.1529的要求，在持续适航文件中，给出支持HIRF合格审定所需的最低维修。当要求使用HIRF专用防护设备或专门技术对设备或系统提供防护时，则应确定定期维修的周期、专用试验和检查措施，以确保HIRF的整体防护作用不会降低。

应避免使用那些易于被腐蚀、磨损或其他原因的影响，而在某段时间后性能会降低的元器件。如不可避免地使用了这些元器件，则应确定这些元器件的专用替换时间间隔。若要对飞机或系统进行更改，则应将更改对HIRF防护等级的影响进行评估。这一评估应建立在分析和/或测量的基础上。

应确定评估或监督设备/系统HIRF防护完整性的技术和时间间隔。为保证系统的完整性，可使用内置试验设备、阻抗测量、对整个系统进行电气连续性检查，或其它有效的方法。

目前，中国民机HIRF防护技术研究尚处于起步阶段，在HIRF设计防护技术、预测分析技术、适航符合性验证等方面有待进行深入研究。我国正在启动大型飞机项目，未来它在适航符合性验证过程中也必然会遇到HIRF的防护问题，即必须满足CAAC的HIRF防护要求。在新支线飞机的研制中，我们已针对适航当局提出的HIRF专用适航要求，开展了飞机HIRF 的防护设计、适航符合性验证和试验等工作。尤其是飞机级适航符合性验证试验技术等方面的研究工作，为飞机的HIRF防护技术研究积累经验。

可以预见，国产大型飞机将会更多的采用复合材料，HIRF的防护问题将更为严峻，应及早启动预研攻关工作。

RTCA/DO-160G已于2010年12月8日发布，取代之前的版本DO-160F。

DO-160G中设立的试验和试验电平/限值（也被称为“设备类别”）适用于现在所应用的几乎每一种类型飞机，包括小型通用飞机，商用喷气式飞机，直升机，支线喷气式飞机，和“大型

喷气式飞机”，如来自空客（A350XWB）和波音（747-8）的最新客机。

标准中包含26节和3个附录，但是只有第15到23节和第25节涉及EMC。

RTCA/DO-160G与EUROCAR/ED-14G保持一致。

第15节磁场效应、第23节雷电直接效应、第25节静电放电

没有变化。

第16节电源输入

暂时还没有从标准中分离出来。没有新增加测试内容，但增加了一些测试应用说明。

第17节电压尖峰

澄清了要求最少50个正极性尖峰，以及50个负极性尖峰。

第18节音频传导敏感度——电源输入

最后增加了使用指南，许多说明和注释被从要求部分移到了新的使用指南。

（测试信号）限制适用功率的允许值100W已经被删除了，替代的是36A的峰峰测试电流限值。测试布置图进行了修改以表示在合适的位置进行“可选的AC电流监测”。

删掉了耦合变压器的0.6Ω输出阻抗特性要求。

第19节感应信号敏感度

澄清了这些测试不适用于电源输入线束/线。

增加了“设备的电场感应”测试。这个测试与已有的“设备的磁场感应”非常相似，所有设备类别都使用单一测试电平170Vrms（400Hz）。相应的也增加了测试布置图。

增加了感应开关瞬态（感应尖峰）图示的澄清，以接受测试中将产生不同幅度尖峰的事实，而且一些尖峰将小于指示的600Vpp幅度。

第20节射频敏感度（辐射和传导）

增加了使用指南。

对文字进行了修改或增加，以调整其与新的FAA HIRF法规，FAA AC 20-158，和SAE文件ARP5583（HIRF使用指南）相一致。

第21节射频发射

增加了使用指南。

增加了一个新的限值类别——Q类，以满足VHF和GPS接收机的额外保护，但在P 类的传导发射“HF凹陷”中不使用。

改变了带宽步进从100kHz到1MHz的频率，之前版本中这个步进在1GHz频点，DO-160G改为960MHz频点。

去掉了在960MHz以上的凹陷中测量使用10kHz带宽的可选项，作为替代，可以使用一个高增益的前置放大器。

第22节雷电感应瞬态敏感度

增加了使用指南，许多注释和备注从要求部分移到了使用指南。

确定插针测试波形源阻抗的“电阻法”被去掉了。

增加了线束测试波形6，只用于多脉冲群测试。

空界应对电磁环境的挑战(RTCA DO-160)

摘要：近些年来，从系统的角度出发，电磁环境效应（E3）正逐步取代电磁兼容（EMC）成为电磁学工程领域的热门概念。本文以航空飞行器为对象，探讨应对电磁环境挑战的若干问题。

关键词：航空EMI EMC E3测试统计数据库标准

随着半导体固态元器件的日益广泛的使用，在追求外形灵巧、功用齐全和性能卓越的理念的驱使下，电子设备的多样化、小型化、一体化和高速化趋势愈发明显，应用愈发普及，安装密集程度亦越来越高。由之带来的一个不争的事实是层出不穷的、防不胜防的电磁干扰（EMI）及其恶劣影响。一方面，工程技术人员在面对日趋复杂的工作任务时限于来自内外的种种束缚往往本能的专注于范围狭小的个别领域内，难以全面的系统的预见产品的电磁兼容（EMC）问题；竞争日趋激烈的市场对于产品研制交付周期的苛刻要求往往导致承制方为了节省时间、缩减成本和费用将EMC抛之脑后。另一方面，客户出于对切身的实际利益的忧虑在产品技术条件中提出了对产品EMI特性的控制要求，敦促承制方采取必要的有效的措施预防和解决各类潜在的和现实的EMC问题。

作为历史悠久的传统行业，航空业面临的EMC问题更为严重。尽管飞机、发动机和其它航空飞行器的制造厂商十分渴望将先进的电子和信息技术（IT）引入到产品中，以期达到减轻重量、节省空间、提升性能的目的。但是，从“EMC”的角度观察，由于系统内部安装了大量不同功能的数字和模拟电子设备，工作频带宽广、密集甚至交叠，发射设备功率大，接收设备灵敏度高，天线数量多且分布集中，EMC问题日趋复杂，研制工作由此承担了巨大的技术风险。

为了能够及时有效的处理和解决EMC问题，EMC工程体系应运而生。EMC工程体系，从功能角度划分主要包括EMC分析、EMC预测、EMC设计、EMC仿真、EMC测试、EMC评定等活动内容。到目前为止，验证和确认设备EMI特性的最终手段仍然是测试，无论从时间还是成本的角度观察，EMC测试都是EMC工程体系中最重要的一环。

传统的工程设计方法是：总体根据系统总技术条件针对各分系统提出分解后的性能指标要求。分系统在研制或生产过程中，主要考虑满足传统的功能性要求。而对系统的EMI 特性的控制并没有真正纳入到工程设计流程当中，更谈不上控制指标的量化分配和优化体系。唯一可以依照的仅仅只是若干技术标准。除了照搬标准以外，对标准的剪裁相当粗陋甚至缺乏。当各分系统研制完成后开始系统集成和总体联调时，EMC问题才充分暴露，此时

只能寄希望于后期的EMC加固，而工期的拖延和成本的急升难以避免，甚至系统的技术指标难以满足要求导致项目失败。

为解决传统方法在系统EMI特性控制方面的不足，有关专家学者提出了自上而下、全面量化的EMC预设计方法，从方案论证阶段就着手构建系统EMI特性控制的模型，以系统的安全性为基点，建立指标的量化、分配和优化体系，实现对指标的全寿命周期的动态控制，争取在系统设计定型前尽可能的发现和最大限度的解决EMC问题。

然而，该方法在实际运用的过程中仍然面临现实的难题——设计输入所须的经验数据的零乱和匮乏导致指标对“真实世界”的偏离。这直接归因于现有EMC工程体系在经验数据的采集、组织和整理方面的混乱状况。至少到目前为止，数据库与大多数工程项目还相距甚远。而离开了数据的支持和共享，EMC工程体系中的各个力量就如同无头苍蝇和一盘散沙，难以发挥合力，不可能成就伟大事业。只有将分散的工程力量集中联合起来，共享各自成果，业界才能及时跟上技术的快速发展变化，应对日益严峻的挑战。

而标准的制定和修订无疑可以看作业界合作发展的标志。很大程度上标准依赖于对不断更新的经验数据的有效统计分析。

在标准的制定和修订方面，国际航空界无疑有很好的范例，如RTCA/DO-160《机载设备环境条件与测试规程》，该标准是由RTCA 下属的SC135特别委员会起草制定的，基于同EUROCAE 的合作关系，RTCA/DO-160与EUROCAE/ED-14为同一标准，而且被ISO 认作ISO7137的事实标准。DO-160的适用对象包括了所有的航空飞行器，从轻型到重型，从小型到大型，它提供了一整套实验室测试方法以判定被测对象在模拟的环境条件下是否满足规定的性能指标要求。目前，RTCA/DO-160已更新至E版本。经常与DO-160一同被提及的还有DO-254《机载电子设备设计保障指南》和DO-178B《机载系统和设备鉴定中的软件审察》。RTCA/DO-160中的Section15-23和Section25专门涉及EMC，主要包括磁场效应、电源波动、电压尖峰、电源音频传导敏感度、感应信号敏感度、射频辐射／传导敏感度、射频辐射／传导发射、雷电感应瞬态敏感度、雷电直击效应、静电放电。其中的部分内容在很大程度上借鉴了MIL-STD-704和MIL-STD-461。但是值得关注的是，雷电和静电测试是DO-160中的特色内容，这两项测试充分考虑到了实际工作环境对于航空飞行器的影响。电磁环境效应（E3）的概念由此初露端倪。

E3概念的正式提出可以追溯到美国国防部于1997年发布的MIL-STD-464《系统电磁环境效应要求》。一般的，电磁环境效应（E3）被定义为电磁环境（EME）对于暴露在其中的人员、设备、系统和搭载平台的安全和效能的影响。它涉及所有的电磁学领域，诸如电磁兼容（EMC），电磁干扰（EMI），电磁敏感度（EMV），电磁辐射危害（EMRADHAZ），电磁脉冲（EMP）以及雷电（Lightning）和静电（p-Static）等自然现象。

与传统的“电磁兼容”仅仅将视觉限制于特定的系统内部相比，“电磁环境效应”在保留了系统性的和对象性的特征的基础上强调从“系统”的角度识别其与“环境”的关系，是对“电磁兼容”的进一步拓展。

最新研制的航空飞行器普遍采用复合材料机身结构，如空中客车A380和波音787这样的先进大型民用喷气式客机。电磁环境效应日趋复杂。而系统的安全和可靠性要求也达到前所未有的水平。

现有的EMC工程体系将迎来新的变革，而首当其冲的是测试技术的改变。下面是一些目前研究的热点：

与气候、力学试验相结合的联合EMC测试技术。

EMC测试与预测分析的紧密结合。

HIRF测试技术。

雷电测试波形改进。

纵览EMC工程体系的发展演变，探究系统的真实EMI特性比起通过相关标准的测试更重要。而在这方面，航空界无疑走在了前列。