CN103616595B - 一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法 - Google Patents

Abstract

一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，包括以下步骤：在飞机表面选择电流注入点和流出点；在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，其中该回流通道由金属板和/或栅格组成；电流源输出电流至选择的飞机电流注入点，电流按电流环绕的面积最小和环路阻抗最低的原则自动调整其走向流过飞机蒙皮，经飞机电流流出点进入回流通道，最后返回电流源，本发明通过在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，以较小的注入电流在飞机内关注部位产生较强的电磁环境，从而解决了现有飞机全机高强度电磁辐照HIRF试验成本较高，不易实施的问题。

Description

一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法

【技术领域】

本发明涉及应用于飞机的电磁兼容性试验，特别是指飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法。

【背景技术】

在飞机研发、定型、适航取证过程中，为审查飞机对外部HIRF电磁环境的适应性，需进行全机高强度电磁辐照HIRF试验，以验证在预定的外部电磁环境下飞机能够全性能正常兼容工作。但此类试验电平量值远超出目前工业界实际试验能力水平，即用传统直接辐照试验方法难以满足这些规定。因此近年来业内展开了一系列替代试验方法研究，其基本思路是“外部电磁环境EME应力对EUT产生的等价电磁效应和/或EUT功能性能的等价响应”。高电平飞机表面电流注入法(HighLevelSurfaceCurrentInjection－HLSCI)就是其中一种。

HLSCI法直接对机身蒙皮注入的大电流,生成评估飞机外部电磁环境适应性所需机内电磁环境，使受试件处于与机外高电平辐照场等价的电磁应力之下，从而产生同样的响应。其依据的最根本电磁理论基础是：根据电磁场边值问题理论，自由空间里某观察点的电磁场由场源决定；有限空间里某观察点的电磁场由场源/边界条件决定。使用有限空间的实际界限时场源应一并考虑，使用源到观察点之间任意便于分析问题的包围观察点的全封闭虚拟边界时，只要保证边界上电磁场满足麦克斯韦方程组（即边值条件），则可以不再考虑场源从而降低问题的复杂性，因这时的边界条件已计入场源的贡献。即此时观察点的电磁场可由边界条件唯一确定，不同边界可能有不同难易程度的电磁条件，从而给出不同分析解决问题的途径和方法。从另一个角度考虑，只要观察点的电磁场相同，它既可以由实际场源产生，也可以由满足边值条件的其它边界场源产生，无论是哪种场源它们都是等价的。

对飞机HIRF试验而言，飞机蒙皮表面电流分布、飞机内部设备安装处空间电磁场、设备接口处的传导电流等都是等价的可考虑场源，这就给同一目的的试验带来了方法多样化的灵活性。而工程上更多关注的是精度在可接受范围内的各类试验方法，以适应于不同重点的需求（如经济、理论、工程各种层面）。

高电平飞机表面电流注入法HLSCI的优点之一是一次整机试验就同时完成对所有机载设备的EMC安全裕度评估。其最有效使用频率范围10kHz～1st飞机谐振频率（一般为飞机最大线度150～30米对应的电磁波半波长，1～5MHz），可扩展至400MHz，再高频率使稳定性变差。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，以解决现有飞机全机高强度电磁辐照HIRF试验成本较高，不易实施的问题。

为实现上述目的，实施本发明的一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，包括以下步骤：

在飞机表面选择电流注入点和流出点；

在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，其中该回流通道由金属板和/或栅格组成；

电流源输出电流至选择的飞机电流注入点，电流按电流环绕的面积最小和环路阻抗最低的原则自动调整其走向流过飞机蒙皮，经飞机电流流出点进入回流通道，最后返回电流源。

依据上述主要特征，可以选择机头－垂尾端、机头－左/右平尾端、机头－左/右机翼端、机翼端－机翼端、重点部位两边作为电流注入点和流出点。

依据上述主要特征，该回流通道通常设置在待测EUT安装位置及其互连电缆敷设途径、或蒙皮上有开口或缝隙位置的外部附近。

依据上述主要特征，组成该回流通道的金属板或栅格距飞机表面≤0.45米，栅格彼此间距≤0.3米。

依据上述主要特征，该回流通道还包括一接地平面，该接地平面面积略大于飞机垂直投影轮廓，飞机置于此接地平面上并与之绝缘，自飞机电流流出点的注入电流通过回流通道与接地平面连接，最后返回电流源。

依据上述主要特征，飞机电流流出点与回流通道之间串接有阻抗匹配网络或电阻。

与现有技术相比较，本发明通过在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，以较小的注入电流在飞机内关注部位产生较强的电磁环境，从而解决了现有飞机全机高强度电磁辐照HIRF试验成本较高，不易实施的问题。

【附图说明】

图1为实施本发明的第一实施例的示意图。

图2与图3为实施本发明的第二实施例的示意图。

图4为实施本发明的第三实施例的回流构架配置方法理论的计算仿真结果示意图。

【具体实施方式】

在具体实施时，飞机外部电磁环境安全裕度评估主要包括以下5个步骤：

(1)确认受评估系统；

(2)确定飞机外部电磁环境电平；

(3)构建与受试设备相关的回流构架；

(4)注入电流定标

(a)低电平扫描辐照；

(b)等价低电平表面电流注入。

(5)高电平表面电流注入法符合性验证测试。

上面试验步骤中“构建与受试设备相关的回流构架”的目的是使对机身蒙皮直接注入的大电流在受试件处生成的机内电磁环境，更容易与机外高电平辐照场的对应等价，从而产生同样的电磁效应。

替代试验中“建立与受试设备相关的回流构架”是重要环节之一，构架的大小、形状、与飞机蒙皮的相对距离位置，都直接影响在飞机内部产生规定电磁环境所需注入的电流大小。在本实施例中，可选择机头－垂尾端、机头－左/右平尾端、机头－左/右机翼端、机翼端－机翼端、重点部位两边作为电流注入点和流出点，具体如图4所示。

本发明对此一点通过理论分析证明了回流构架的配置原则，其重点是通过在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，以较小的注入电流在飞机内关注部位产生较强的电磁环境。

电磁场耦合机理及媒质中电磁场分布的研究给本发明的“构建与受试设备相关的回流构架”的技术方案提供了2条重要理论依据：

1.飞机外部电磁场在蒙皮外表面感生的表面电流，通过磁耦合在机内附近导体（如机箱壁板或互连电缆）中进一步感生电流，其大小与附近蒙皮外表面电流成正比。

2.存在多个导电通道的情况下，电流具有自动调整其走向使电流环绕的面积最小（频率越高环路面积越小）和环路阻抗最低的固有本性。

由此推出构造注入飞机蒙皮电流回路的基本原则：希望蒙皮上哪里表面电流较强，就在其外部附近布置回流通道。这样由依据2可知蒙皮上电流趋于分布在附近有回流导体的区域，因为只有这种分布电流才使电流环绕的面积最小和阻抗最低，而由依据1进一步有在紧邻该蒙皮机内附近导体兼感生较强电流，邻近空间有较强电磁环境。

按此原则实施的好处显然是可以较小的注入电流在飞机内关注部位产生较强的电磁环境。飞机外部附近均匀布置的回流通道可使蒙皮表面电流均匀分布，呈现较好的“传输线”特性，因实施费用和可行性，此方案更适用于小型飞机（如图1示，容后详述）。对于工程上受限的大型飞机多用接地平板作回流通道，在此基础上再适当增加关注区域外部附近附加的局部回流通道构架，使得机内电磁环境进一步增强（如图2和图3所示，容后详述）。此方案中一般的电流回流构架布置方法为：

（1）首先把飞机置于与之绝缘的面积略大于飞机垂直投影轮廓的接地平面上，这可使飞机腹部蒙皮上分布较强的表面电流，与飞行中遭遇的电磁干扰多来自于地面设施的情况一致；

（2）其次在更受关注的飞机部位（往往是待测EUT安装处及其互连电缆敷设途径、或蒙皮上有开口/缝隙处）的外部附近布置附加金属回流通道（一般由距飞机表面≤0.45米的金属板和/或栅格组成，栅格由彼此间距≤0.3米导体构成），来自飞机流出点的注入电流通过这些回流通道和/或接地平面，返回电流源。这就使关注部位飞机蒙皮上流经更大的表面电流。

（3）在机身的注入电流流出点与回流通道/接地平板/回流栅格之间串接适当的阻抗匹配网络/电阻可提高电流注入效能。

实施例1：小型飞机回流通道配置方案

如图1所示，在飞机外部罩上与飞机形状相似并且分布均匀的导电栅格，流经该导电栅格的返回电流通道可使飞机蒙皮表面电流均匀分布，并在飞机内生成较均匀的电磁环境。由于整个回流通道呈现较好的“传输线”特性，有利于注入电流源的匹配。在机身的注入电流流出点与回流通道之间串接适当的阻抗匹配网络/电阻可提高注入电流效能。一般金属板和/或栅格距离飞机表面≤0.45米，栅格由彼此间距≤0.3米导体构成，其中金属板与栅格应是可替代的，一般栅格较金属板廉价、轻便且容易设置实施。

实施例2：大型飞机回流导体布置

如图2所示，把飞机置于与之绝缘的面积大于飞机垂直投影轮廓的接地平面上，接地平面与机腹尽可能接近，使飞机腹部蒙皮上分布较强的表面电流，模拟飞行中遭遇的电磁干扰多来自于地面设施的情况。再在更受关注的飞机部位（往往是待测EUT安装处及其互连电缆敷设途径）的外部附近布置附加金属回流通道（本图中是在飞机垂尾两侧），来自飞机流出点的注入电流通过这些回流通道与接地平面连接，返回电流源，这可使飞机垂尾蒙皮上流经更大的表面电流，使垂尾内部的电磁环境适当增强。

图3还示意出电流路径：电流源输出电流至选择的飞机电流注入点，按电流环绕的面积最小和环路阻抗最低的原则自动调整其走向流过飞机蒙皮，经飞机电流流出点通过匹配阻抗进入回流导体（一般由相互电气连接的栅格、金属板、接地平板等组成），最后返回电流源。

以下是回流构架配置原则的理论分析证明：

设任意形状导电平板上方附近有一电源，其一端就近与平板连接，另一端通过贴近平板的一段导线与平板上任意另一点连接。平板中电流将沿什么路径返回电源呢？

在形成电流回路过程瞬间，具有自感的导体会同时产生自感电动势及相应自感电流。据楞次定律该自感电流的效果总是反抗引起自感电流的原因，或从能量角度说自感电流总是反抗载流导体储存磁场能量，即总是使电流回路最终储存最少磁能。而任何载流导体（一段导线或导线环路）都因其固有自感特性储存有磁场能量，能量的大小与导体自感量成正比，且导线环路的自感量一般与环路面积成正比。所以在这些电磁理论基本定律及导体固有特征的共同作用下，导电平板上的返回电流将自动沿着使回路面积最小的路径流动，即导电平板上的返回电流最终趋于沿导线下方正投影路径流动。再因为自感电动势与电流变化率成正比，所以频率越高电流回路面积越小。计算机仿真结果示意见图4所示，可以看出随着频率增长，回流路径越来越靠近导线，电流回路面积越来越小，并且直流时对应最小电阻，高频时对应最小阻抗。

至于“电流自动沿阻抗最小路径流动”，由欧姆定律是显而易见的，只是直流时考虑电阻最小，高频时考虑最小阻抗（自感量起主导作用），不再赘述。在上述的叙述中，“电流具有自动调整其走向使其环绕的面积最小和环路阻抗最低的固有本性”的两种说法实质是一样的。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

在飞机表面选择电流注入点和流出点；

在飞机内关注区域对应飞机蒙皮外部附近构造附加注入电流的回流通道，其中该回流通道由金属板和/或栅格组成；

电流源输出电流至选择的飞机电流注入点，电流按电流环绕的面积最小和环路阻抗最低的原则自动调整其走向流过飞机蒙皮，经飞机电流流出点进入回流通道，最后返回电流源。

2.如权利要求1所述的飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于：可以选择机头－垂尾端、机头－左/右平尾端、机头－左/右机翼端、机翼端－机翼端、重点部位两边作为电流注入点和流出点。

3.如权利要求1所述的飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于：该回流通道通常设置在待测EUT安装位置及其互连电缆敷设途径、或蒙皮上有开口或缝隙位置的外部附近。

4.如权利要求1所述的飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于：组成该回流通道的金属板或栅格距飞机表面≤0.45米，栅格彼此间距≤0.3米。

5.如权利要求1所述的飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于：该回流通道还包括一接地平面，该接地平面面积略大于飞机垂直投影轮廓，飞机置于此接地平面上并与之绝缘，自飞机电流流出点的注入电流通过回流通道与接地平面连接，最后返回电流源。

6.如权利要求1或5所述的飞机表面电流注入试验中的回流通道设置方法，其特征在于：飞机电流流出点与回流通道之间串接有阻抗匹配网络或电阻。