民用飛機高強度射頻防護適航驗證要求研究

許廣明 項 勇 潘超英

（中航工業洪都650所，江西 南昌 330024）

民用飛機高強度射頻防護適航驗證要求研究

許廣明 項 勇 潘超英

（中航工業洪都650所，江西 南昌 330024）

介紹了美國聯邦航空管理局和中國民用航空局民用飛機高強度射頻防護適航審定要求發展現狀，研究了美國聯邦航空管理局民用飛機高強度射頻防護適航符合性要求，并對中國高強度射頻防護適航工作的開展提出了一些建議。

民用飛機； HIRF； 防護； 適航審定

高強度射頻（HIRF）主要來自于雷達、無線電、電視和其它地基、船載或機載射頻（RF）發射器發射的電磁能量。復雜的電磁環境不利于飛機電子和電氣系統的運行，嚴重時甚至可能導致航空器系統故障失效，從而造成嚴重后果。

隨著實現持續安全飛行和著陸的電子和電氣系統大量推廣，數據總線和處理器運行速度的增加，高度集成的電路和插件，高靈敏度的電子設備大量使用，復合材料的大量使用也減少了電磁屏蔽，使得民用飛機更加易受HIRF影響。例如在外部高強度電磁輻射環境的影響下，飛行控制系統、發動機系統、以及航姿系統等會出現工作不穩定或參數顯示錯誤等問題，繼而引發飛行事故。民用飛機對電子電氣系統的HIRF防護要求呈顯著增加的趨勢。

在歐美等發達國家，民用飛機都有各自相應的HIRF防護適航要求，而HIRF防護正成為制約我國民用飛機適航審定的難點。

1 國內外HIRF防護適航要求發展現狀

1.1 FAA HIRF防護發展現狀

FAA于1998 年4月2日出版的文件N8110.71《運行在HIRF環境下的航空器合格審定指南》，給出了在HIRF環境中運行的飛機的合格審定指南[1]。多年來，在缺少HIRF適航條款的情況下，FAA/JAA（歐洲聯合航空局）針對不同的飛機研制項目，制定了關于HIRF防護的專用條件和問題紀要，從而保證了近年所研制的民用飛機，均按照FAA/JAA的HIRF防護要求進行設計、分析和適航符合性驗證。

通過多年的理論研究和實踐檢驗，FAA于2007年8月6日在聯邦航空條例（FAR）第23、25、27、29部增加了的高強輻射場防護條款23.1308、25.1317、27.1317和29.1317，并于2007年7月30日頒發了咨詢通告AC20-158《運行在HIRF環境下的航空器電子和電氣系統合格審定》，提供了HIRF防護驗證符合性指南。

1.2 中國民機HIRF防護要求發展現狀

中國民機HIRF防護研究尚處于起步階段，與國際上日趨成熟的民機HIRF防護存在很大的差距。在HIRF設計防護技術、預測分析技術、適航符合性驗證等方面有待進行深入研究；未頒布過飛機HIRF防護的標準、規范；未進行過設備級、系統級、飛機級符合性驗證試驗；也尚未開展過HIRF的仿真分析等[2]。

2006 年，中國民用航空局（CAAC）在借鑒FAA N8110.71的基礎上，頒發了咨詢通告AC-21-1317《航空器高強輻射場HIRF防護要求》。針對具體型號采取制定HIRF專用條件來開展HIRF審定，要求與FAA相同。

2 民用飛機HIRF防護適航審定要求

2.1 FAR25.1317 HIRF防護適航要求

(a) 除本條（d）規定的以外，對于其功能失效會影響或妨礙飛機繼續安全飛行和著陸的每個電氣和電子系統必須設計和安裝，以符合以下要求：

● 當飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環境I 時和暴露后，其功能不會受到不利影響；

● 飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環境I 后，系統及時地自動恢復其功能的正常運行，除非系統的這種功能恢復與該系統其他運行或功能要求相沖突；和

● 當飛機暴露于附錄L 中描述的HIRF 環境II 時和暴露后，系統不會受到不利影響。

(b) 對于其功能失效后會嚴重降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子和電氣系統必須設計和安裝，當提供這些功能的設備暴露于附錄L 中描述的HIRF 設備測試水平1 或2 時，系統不會受到不利影響。

(c) 對于其功能失效后會降低飛機性能或飛行機組對不利運行條件的反應能力的電子和電氣系統必須設計和安裝，當提供這些功能的設備暴露于附錄L 中描述的HIRF 設備測試水平3 時，系統不會受到不利影響。

(d) 在2012 年12 月1 日前，如果其功能故障后會妨礙繼續安全飛行和著陸的電子或電氣系統的設計和安裝，在符合以下要求時可以不用滿足(a)款的規定：

● 系統先前已經符合2007 年12 月1 日前頒發的FAR 21.16 規定的專用條件；

● 表明符合專用條件后系統的HIRF 抗干擾特性沒有改變；和

● 提供以前表明符合專用條件的數據。

表1提供了適用的HIRF規章相應的失效條件分類和系統HIRF審定等級[4]。

表1 HIRF 失效條件和系統HIRF審定等級

圖1概括了對于系統要求A級HIRF審定的符合性步驟。圖2[4]概括了對于系統要求的B或C級HIRF審定的符合性步驟。

從圖1和圖2可以看出，A、B和C級系統HIRF符合性流程可以分為4個步驟：確定評估的系統，定義飛機和系統HIRF防護環境，選用HIRF符合性驗證方法，驗證HIRF防護有效性。

圖2 B和C級系統符合性流程

2.3 評估系統的確定

民機HIRF符合性驗證的首要工作是評估飛機上要求進行HIRF的系統。主要工作是確定系統的失效類別和HIRF審定等級，應以測量影響飛機和系統安全程度的方式來評估系統遭受的HIRF影響。分析方法類似于FAR 23.1308、25.1317、27.1317和29.1317的符合性過程。系統的HIRF評估工作有時單獨或與其它相關的系統組合一起評估。評估應覆蓋：

● 所有飛機正常工作模態、飛行階段和工作條件；

● 所有失效條件和對飛機工作和機組的影響；

● 要求的任何糾正措施。

系統應基于安全評估確定的失效條件分類，僅導致災難、危險或重要失效條件的執行或分配功能的系統適用HIRF規章。安全評估應考慮系統失效、故障或誤解信息的所有潛在的不利影響，同時還要考慮系統對于不同的飛行階段會產生不同的失效條件，在不同的飛行階段可能適用的不同的HIRF要求。例如，自主飛行控制系統在自主著陸時可能存在災難性的失效情況，而自主飛行控制系統在巡航運行時可能存在危險的故障情況。

FAA要求的適航審查對象僅限于飛機上的關鍵和重要電子和電氣系統，即根據系統安全評估得出的A級、B級和C級電子和電氣系統。

2.4 HIRF環境的確定

HIRF評估所確定的系統必須依據適航規章給出的外部HIRF環境I、II和III。選定適用飛機的外部HIRF環境。外部HIRF環境將穿透飛機，在電子電氣系統安裝處產生內部的HIRF環境。內部HIRF環境是多種因素綜合的結果。如飛機的材料，結構的搭接，縫隙和開口的位置和尺寸，飛機內部的再輻射，以及飛機的共振特性等。

2.5 HIRF符合性驗證

2.5.1 HIRF 符合性計劃

應確定一個HIRF符合性計劃以便清晰的識別和規定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符合性計劃應和FAA討論并提交，在執行前得到FAA批準。如果飛機、系統或安裝在FAA批準后進行設計更改，修訂的HIRF符合性計劃應提交FAA進行批準。HIRF符合性計劃應包括以下內容。

● HIRF符合性計劃概要；

● 基于HIRF相關的安全評估分類的系統識別；

● 飛機和安裝系統的HIRF環境；

● 驗證方法，例如試驗、分析或相似性；

● 確定每個系統的HIRF符合性合格/不合格準則；

這些合格/不合格準則應得到FAA批準。定義合格/不合格準則的所有影響應是包括系統獨立和相關特性的可確認和可追蹤的分析結果。

● 裕度的確定。

基于審定的飛機和系統的HIRF驗證試驗符合性通常不需要裕度?；诜治龌蛳嗨菩源_定符合性需要確定裕度。

2.5.2 HIRF 驗證試驗、分析或相似性計劃

應準備描述詳細的驗證行為的詳細HIRF試驗、分析或相似性計劃。

2.5.2.1 試驗計劃

HIRF符合性驗證試驗的計劃應包括試驗目的、試驗飛機和/或系統的描述、系統構型草圖、建議的試驗安裝和方法、預期的試驗等級、調幅和頻率帶、合格/不合格準則、試驗計劃和試驗地點。

HIRF符合性試驗計劃還應覆蓋適用的A、B和C級系統和設備。

HIRF符合性試驗計劃應描述試驗系統和安裝的有關內容，還應反映在HIRF符合性評估的整個過程中完成的任何分析結果。

2.5.2.2 分析計劃

HIRF符合性分析計劃應包括支持HIRF符合性驗證產生數據的系統和設備等級的目標。 因為與飛機系統和結構的RF場耦合的綜合建模和分析是一項新技術， 所以分析計劃應與FAA協調以確定分析的可接受范圍。 分析計劃包括：分析的目的和范圍、分析中提到的飛機和/或系統的描述、系統構型描述、建議的分析方法、確認分析結果的步驟、合格/不合格準則。

2.5.2.3 相似性計劃

相似性計劃應包括：相似性評估的目的和范圍、相似性評估的系統、已審定的系統、設備和飛機的數據與新研的飛機和系統安裝之間重要的差別（包括考慮相似性不確定的范圍）。

2.5.3 符合性報告

符合性報告用于闡明試驗、分析或相似性評估的結論。對于新研或重要改型的飛機，HIRF符合性報告可能包括一些系統和設備報告、飛機試驗報告和HIRF薄弱性分析報告。報告類型包括試驗報告、分析報告、相似性報告。

2.5.3.1 試驗報告

HIRF符合性試驗結束后應形成綜合的試驗報告。試驗報告應包括試驗期間設備或系統性能的描述、不符合HIRF要求的詳細描述、所采取的糾正措施和任何相似性聲明，也應該提供系統性能在試驗期間的任何偏離的理由說明。

2.5.3.2 分析報告

分析報告用于描述分析模型細節、完成分析使用的方法和分析結果。報告應確定任何模型不確定性和證明分析計劃中確定的裕度。

2.5.3.3 相似性報告

相似性報告用以表明新研飛機、系統、設備和安裝的重要特征與已經過HIRF審定的飛機或系統的相似性，在差別影響評估過程中，確定與HIRF所有相關的重要差別。這些報告也應證明相似性計劃中確定的裕度。

2.5.4 符合性驗證方法

HIRF符合性驗證的適用方法包括：驗證試驗、仿真分析和相似性分析。

2.5.4.1 驗證試驗

對失效狀態為災難性的系統（A類），要求進行設備級、系統級和飛機級的符合性驗證；對失效狀態為危害性的系統（B類），要求進行設備級、系統級的符合性驗證；對失效狀態為較大的系統（C類），僅要求進行設備級的符合性驗證。

● 設備級試驗

可以使用RTCA/DO-160E或最新版本20章的輻射和傳導射頻敏感度實驗室試驗確立設備HIRF抗擾性。對于A級系統，FAA認為設備HIRF試驗不是強制的，可用來補充集成系統HIRF試驗。

RTCA/DO-160試驗程序應使用規章中規定的設備試驗等級。使用的試驗等級取決于系統是否分類為B或C級。1或2級設備HIRF試驗應用于B級系統。3級設備HIRF試驗應僅適用于C級系統。

● 系統級試驗

集成系統輻射和傳導的RF敏感度試驗室試驗應按A級系統執行。試驗選擇的HIRF場強和線束電流應基于飛機評估確定的衰減外部HIRF環境，設備級試驗不能充分表明集成系統HIRF符合性。

● 飛機級試驗

對于飛機試驗兩個主要方法是飛機高電平試驗和飛機低電平耦合試驗。飛機高電平場照射試驗包括以等于HIRF規章內適用的外部HIRF環境的試驗等級輻射飛機。飛機低電平耦合試驗涉及測量機體衰減和傳輸函數，以至于內部HIRF電場和電流能與集成系統試驗等級相比較?？紤]飛機尺寸和外部HIRF環境照射的實際情況，飛機低電平耦合試驗可能比高電平場照射試驗（要求用外部HIRF環境照射整個飛機）更適合于大型飛機的試驗。

2.5.4.2 仿真分析

仿真分析一般用于飛機設計前期，用來發現不足之處，以減少風險。

2.5.4.3 相似性分析

相似性分析一般用于改進、改型的飛機，用原型機的數據來進行類比分析。

2.6 HIRF防護維修要求

按照適航規章的要求，為保證HIRF防護的完整性，在持續適航文件中應給出最低維修要求，確定定期維修的時間間隔、專用試驗和檢查措施，以確保HIRF的整體防護作用不會降低。若要對飛機或系統進行更改，則應對HIRF防護等級的影響（包括對持續適航文件HIRF有關內容的影響）進行評估。

3 對我國HIRF防護適航驗證的建議

HIRF防護適航驗證是適航取證過程中不可缺少的項目，飛機全壽命周期內都要保持其完整性。由于各方面的原因，目前我國尚未開展自己領空范圍內的HIRF 環境調查，因此尚無條件完全獨立地制定符合中國國情的可用于飛機合格審定的飛機外部HIRF 環境要求。然而，我國民用飛機的設計、改裝、審定和運行現狀又迫使我們必須制定自己的相關政策，加強我國HIRF防護適航要求的研究和應用。

3.1 加快適航標準的更新

針對我國HIRF防護有關標準和應用方面落后等不足，應積極借鑒國外已有的成熟適航要求，充分考慮我國的國情現狀，加快制定和完善我國適航規章中HIRF防護有關要求。

3.2 提高我國HIRF防護試驗基礎能力

為了增強我國型號的自主研制能力，航空工業有關單位和民航局必須加強合作，逐步建立可供型號研制的并且得到民航認可的A、B和C級電子電氣系統的設備級、系統級和飛機級的有關HIRF驗證試驗能力，提高我國HIRF防護試驗基礎能力。

3.3 結合具體型號研制，深入開展HIRF防護符合性驗證方法研究

通過研究AC20-158和SAE ARP5583等HIRF防護適航審定相關資料，深入開展飛機及機載設備對外部電磁環境的屏蔽和抗電磁干擾相關分析技術和試驗研究。并且在型號驗證過程中不斷積累經驗，在行業中推廣，在實踐中不斷完善，提高我國航空工業HIRF防護適航驗證能力。

總之，隨著我國HIRF防護研究和應用不斷深入，驗證方法和試驗能力不斷完善，必將縮短民機研制周期，降低民機研制費用，有利于提升我國民機HIRF防護設計水平，促進我國民機的快速發展。

[1] AC-21-1317 航空器高強輻射場（HIRF）保護要求[S].

[2] 蘇多，栗牧懷，舒小華. 民用航空器HIRF防護適航驗證方法和審定政策研究[J]. 國際航空，2009.

[3] FAR25 Airworthiness Standards:Transport Category Airplanes [S].2007.

[4] AC20-158 The Certification of Aircraft Electrical and Electronic System for Operation in the High-Intensity Radiated Fields（HIRF）Environment[S].

（編輯：雨晴）

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C

1003-6660（2014）01-0044-05

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.012

[收修訂稿日期] 2014-09-04