摘要：当飞机部件在经历鉴定试验组装成整机后，由于局部部件或系统的相互影响，不能保证整机也满足雷电防护要求，因此还需要开展整机雷电间接效应试验，验证雷电防护设计的有效性。本文依据国外试验标准，研究了整机雷电间接效应试验方法，并利用真实结构件进行了试验验证，可为该类试验的设计及实施提供参考。

关键词：整机，间接效应，试验方法，回路导体

1 引言

为了提高飞机的综合性能，大型客机需要越来越多地使用先进复合材料、电子/电气设备和系统，它们对外部环境各有不同的要求，如电子/电气设备和系统，它们对外部电磁环境的敏感程度很高。自然界产生的雷电具有高电压、大电流和瞬时电磁场等特点，当飞机处于雷电产生的强电磁场中，或者被雷电击中时，其产生的间接效应可能导致飞机部件损坏或系统功能紊乱，给飞机飞行带来严重安全威胁。

现代飞机在研制阶段，为保证飞机及机载设备的安全，必须充分考虑雷电对飞机飞行安全的影响。一般飞机都会在经历缩比模型雷电附着点试验、部件工程试验和部件鉴定试验后，最后进行整机的雷电防护特性试验。将符合雷电防护安全性要求的各飞机局部结构或部件组装成整机时，由于局部结构或部件之间的相互影响，如负载效应、电磁耦合等原因，并不能保证整机也符合雷电防护安全性指标要求，只有通过整机的雷电防护试验来验证，对发现的问题进行技术处理，并达到规定的要求后才能认为飞机满足雷电防护安全性指标的要求。

整机雷电间接效应试验方法是在美国NASA资助的一系列研究过程中开发出来的，它已经成为一种机载关键电子/电气系统雷电防护验证的可接受的方法。国外从20世纪70年代就开始了整机雷电间接效应试验技术和高强辐射场试验技术研究工作，经过几十年的不断完善改进，逐步形成了军方或适航当局、飞机研制生产部门等几方普遍接受和认可的整机雷电试验技术，并且广泛应用到军民机电磁环境效应验证试验之中，取得了事半功倍的效果。瑞士HAEFELY，美国COBHAM公司都曾研究过整机雷电试验系统，并进行过具体试验，取得了许多工程试验经验。这些年来，国外在试验布置、测量方法以及数据处理等不同方面又进行了许多改进，可以得到可信度更高，干扰更小的测量结果。

目前国内对于整机雷电间接效应试验的研究还处在验证阶段，并没有建立系统的试验方法体系。伴随着我国自主研制的大型客机C919的下线和首飞，以及适航部门对于大型客机安全性日益严格的要求，整机雷电间接效应试验在飞机雷电防护设计与验证方面的作用越来越突出，因此，本文参照国内外相关技术文献，依据国外试验标准，研究整机雷电间接效应试验方法，利用飞机真实结构件进行试验验证，获得了大量的试验数据，并对试验数据进行了分析，为配合大型客机的适航取证提供初步的试验依据。

2 试验原理

飞机遭遇雷电后，雷电能量通过开口和缝隙、机体结构IR电阻和导体引入等方式耦合到飞机内部执行重要功能的设备电缆连接线上，并形成感应电压和电流，可能导致设备/系统功能紊乱或者失效，从而影响飞机安全。线缆上感应的电压/电流称作实际瞬态电平（Actual Transient Level，ATL），将实际瞬态电平数据与表征设备耐受雷电能力的飞行关键/重要设备的瞬态设计电平（Equipment Transient Design Level，ETDL）比较，以验证飞机设计中所采取的雷电防护设计的充分性，从而表明飞机的适航符合性。

整机雷电间接效应试验就是用于获得飞机系统布线的实际瞬态电平。试验时，在飞机上注入雷电流，电流在典型雷电入点及出点之间流过，同时测量飞机内有代表性的互连线缆上的瞬态感应电平，然后将被测数据线性外推，从而获得飞机实际瞬态电平。国外研究表明，只要注入飞机的电流波形与标准中规定的全幅值雷电流的波形一致，对感应信号进行线性外推后获得的结果就能够真实模拟飞机遭受雷击时的情况。

3 试验方法

3.1 试验波形

为了尽可能真实的模拟飞机遭遇的雷电环境，需要将模拟的雷电流注入飞机。依据SAE ARP5416A要求，整机雷电间接效应试验采用电流分量A和H，其波形的定义在SAE APR5412B中描述。为了避免对飞机造成损坏，整机雷电间接效应试验通常采用降低幅值的雷电流，但是在不损坏飞机或设备的前提下，应尽可能采用较高的幅值。试验中测得的瞬态响应乘上外推因子就可获得实际瞬态电平。外推因子是全幅值雷电流峰值与测试电流峰值的比值。

3.2 回路导体

雷电与飞机的相互作用取决于雷电在飞机上的附着点。这些附着点通常通过飞机缩比模型试验获得。整机试验中，雷电附着点用电流发生器和回路导体与飞机的连接点所代替。通常，为了充分表征飞机的暂态稳定水平需要几种不同的附着方式。用于飞机试验的雷电附着配置应当以雷电附着点以及飞机上系统和导线的路线和位置为基础。

回路导体和电流发生器的附着布置是模拟雷电和飞机相互作用的重要特征。被试飞机上的电流分布应尽可能地模拟飞机飞行中遭受雷击时的电流分布。回路导体的配置应该取决于飞机的形状。对于小型飞机，比较好的配置方式是在飞机周围均匀的布置14~20根小直径裸铜线，有时也采用金属箔，并用绝缘材料（通常为木头或玻璃钢）将其支撑起，距离飞机蒙皮一定高度。从原理上讲，回路导体与飞机之间的距离越远越好，这样能够产生比较真实的雷电环境，但距离的增加会增加试验回路的阻抗，影响发生器的输出，另外，回路导体与飞机之前的距离也受到机体下部与地面之间距离的限制。因此，回路导体与机体表面之间的距离通常设置为0.5m~1m之间。对于大型飞机，由于其体型较大，模拟雷电电流在机身上均匀分布较为困难。实际应用中一般采用地平面敷设回路导体网络来模拟外部雷电环境，但这样布置将导致飞机底部靠近地平面区域的电流密度比实际情况大很多。

3.3 行波效应

由于飞机尺寸较大，在冲击波的作用下会形成波过程，产生行波效应。雷电流注入飞机后，飞机和回路导体构成了一个小的均匀传输线，在分析整个试验回路时需要采用分布参数，而不能采用集总参数。受到行波效应的影响，飞机内部的电流不是以指数形式存在，而是沿飞机来回传播叠加，使得不同位置电流不同，影响了耦合到飞机内部线缆上的电压/电流。为了抑制行波效应，通常需要在电流入点并联一个电阻，在电流出点串联一个电阻。由于行波效应比较复杂，目前还无法评估行波对于测试结果的影响，只能尽量减少行波的影响。

3.4 试验布置

整机雷电间接效应试验主要包括冲击电流发生器、监测探头、测量探头、回路导体网络、光电传输系统、信号采集处理系统等。

试验过程涉及到电容的充放电，在开关闭合时会产生一个高频噪声。为了抑制此噪声，避免对测量信号产生影响，试验时需要在发生器的输出端串联一个1Ω～2Ω的电阻。为了产生符合标准要求的电流波形，要求试验回路尽可能短并合理配置发生器和飞机，使回路电感尽可能小。

3.5 测量方法

整机雷电间接效应试验主要进行以下三种类型的测量：

（1）单根线缆开路电压（Voc）：被测线缆远端接地，测量端开路，测量开路端与临近地平面之间的电压；

（2）短路电流（Isc）：被测线缆两端都接地，测量出现在线缆上的感应电流；

（3）线缆束电流（Ibc）：线缆束不需要进行额外的处理，两端都按照正常方式连接，测量线缆束中的感应电流。

4 试验验证

为了验证整机雷电间接效应试验方法，在实验室内进行了模拟试验。试验件为某型飞机真实结构件，内部安装有模拟天线。试验件框架为金属结构，其余部分为玻璃钢，表面安装有两根金属导流条。在试验件内布置带屏蔽层的线缆和模拟线缆束，测量开路电压、短路电流以及线缆束上的感应电流。

4.1 试验布置

试验件由天车悬挂，回路导线均匀分布于试验件外侧，最终汇集于铝排并接地。回路导线为8根4mm2的多股裸铜线，绝缘支撑杆为50cm的PVC管，支撑杆下方垫小块泡沫并用胶带固定在试验件外表面。由于试验件头部半圆形结构无连接位置，电流分两路从试验件两侧金属铝条处注入。接地铝排用胶带固定于试验件头部。系统所有搭接部位用螺钉紧固，保证良好接触。用差分探头测量开路电压，用Pearson线圈测量短路电流。为了降低环境噪声的影响，将示波器放置在屏蔽箱内，用UPS供电，测量探头外漏线缆用金属铝箔包裹。

测量开路电压时，线缆两端屏蔽层和远端芯线都搭接到试验件金属框架，在另一端测量开路电压；测量短路电流时，线缆两端屏蔽层和芯线都搭接到金属框架，在另一端测量短路电流；测量线缆束感应电流时，线缆束两端端接电阻作为模拟负载，屏蔽层连接到试验件金属结构。

4.2 试验结果

试验时在试验件中注入负极性双指数波，电流幅值从2kA到20kA，典型的电流波形如图1所示。图2为测量的感应信号。

图11 注入电流波形

图12 测量到的感应信号

4.3数据分析

图13是开路电压信号起始点展开图，从展开图中可以看到信号呈现周期性振荡，图中标明了高频信号各峰值点对应的时间，计算可知此高频信号相邻峰值点之间的时间间隔大约为2.1us，等效频率为0.48MHz。整个开路电压波形可以看做是电压波形3和电压波形4叠加在一起的组合波。

图13 开路电压展开图

图14是短路电流信号起始点展开图，从展开图中可以看到信号同样呈现周期性振荡，此高频信号相邻峰值点之间的时间间隔大约为0.8us，等效频率为1.25MHz。整个短路电流波形可以看做是电流波形3和电流波形1叠加在一起的组合波。

图14 短路电流展开图

5 结论

现代飞机越来越多的使用复合材料，使得雷电间接效应对于飞机电子/电气系统的影响越来越严重，对雷电效应的防护要求也在不断提高。整机雷电间接效应试验可以获得飞机的实际瞬态电平，从而验证飞机雷电防护设计的有效性。

本文参照国内外相关标准和文献，研究了整机雷电间接效应试验技术，并利用飞机真实结构件进行了试验验证，获得了内部模拟线缆的感应信号，为后续进一步开展整机雷电试验奠定了基础。