0 引言

雷暴天气是飞行天敌，其中闪电会对飞机产生直接效应、间接效应、燃油箱点火源效应等诸多影响，轻则影响飞行，重则造成机毁人亡的后果。故CCAR25部^[1]规定民用飞机须充分验证是否具备闪电防护的能力。

1 背景

闪电对飞机的影响分为闪电间接效应、闪电直接效应和燃油箱系统闪电点火源效应。

闪电间接效应是指外部闪电环境通过各种耦合机制对机载的航空电子、电气设备产生干扰导致设备功能的暂时或永久失效，严重时将影响飞机的持续安全飞行和着陆。

闪电直接效应是指飞机结构或电子、电气系统的物理损坏。闪电在系统硬件或部件上的直接附着会导致损伤，包括飞机蒙皮和结构的撕裂、弯曲、燃烧、熔蚀或爆炸，以及电子、电气系统的破坏等现象。

燃油箱系统闪电点火源效应是指飞机燃油箱结构、系统、管路、线缆在连接处或尖端产生电荷放电而引起燃油蒸气点燃的现象，严重时会引起油箱爆炸^[2-5]。

基于上述影响，CCAR25部规定的闪电相关的适航条款分别为CCAR25.581条款、CCAR25.954条款、CCAR25.981条款以及CCAR25.1316条款。

CCAR25.581“闪电防护”条款规定：飞机必须具有防止闪电引起的灾难性后果的保护措施。相关的验证试验为样件级试验，通过对代表机上构型的样件试验件开展高电压、大电流破坏性试验来验证机上构型的抗闪电直接冲击的能力。

CCAR25.954“燃油系统的闪电防护”条款规定：燃油系统的设计和布局，必须防止闪电点燃系统内的燃油箱蒸气。相关的验证试验为部件级试验和飞机级试验，通过对代表机上构型的燃油箱机翼盒段试验件和代表取证构型的试验机开展闪电环境模拟试验来验证飞机燃油系统对闪电的防护能力。

CCAR25.981“燃油箱点燃防护”条款规定：在可能由于燃油或其蒸气的点燃导致灾难性失效发生的燃油箱或燃油箱系统内的任一点不得有点火源存在。相关的验证试验为样件级试验，通过对代表燃油箱结构及连接的样件试验件开展高电压、大电流试验验证燃油箱系统的闪电点燃防护能力。

CCAR25.1316“闪电间接效应防护”条款（a）规定：对于其功能失效会影响或妨碍飞机继续安全飞行和着陆的每种电气、电子系统的设计和安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境时，执行这些功能的系统的工作与工作能力不受不利影响。相关的验证试验为系统级和飞机级试验，通过对代表机上构型的A级系统或代表取证构型的试验机开展闪电环境模拟试验来验证飞机的闪电间接效应防护能力^[6]。

对样件试验件开展的高电压、大电流试验采用的闪电模拟电流幅值与飞机实际遭遇的闪电电流幅值一致，但对部段级试验件和试验机开展的闪电环境模拟试验采用的闪电模拟电流幅值则比飞机实际遭遇的闪电电流幅值低的多。为了保护部段级试验件和试验机，试验中采用缩比电流法。

2 缩比电流法

民用飞机闪电环境模拟试验是以部段级试验件或试验机为主体，识别闪电路径后，向其闪电入点注入模拟闪电电流来模拟飞机遭遇的闪电环境，并通过测量飞机结构或线缆上各测试点的试验数据来验证飞机的闪电防护能力是否达标。自然环境中，飞机遭遇的闪电电流幅值从50 kA到200 kA不等^[7]。而飞机具备足够的闪电防护能力并不代表飞机遭遇闪电时不受任何损伤，因此，为使部段级试验件和试验机不会因为一次取证试验而造成不可逆的损伤，通常试验时会采用缩比电流法来控制模拟闪电电流的大小。

根据SAE ARP5416^[8]试验标准，飞机经受的闪电电流用SAE ARP5412^[9]电流分量A来模拟，如图1所示。

缩比电流法指的是将电流分量A的幅值控制为自然环境中遭遇的闪电电流幅值的1/n，上升沿时间（图1（a）中的T1）与半波峰时间（图1（a）中的T2）均不变，T1和T2不变，幅值增加或者缩小，相当于把整个波拉长或压扁，如图1所示，则只需要将各测试点得到的试验结果同比扩大n倍，即为飞机在自然环境中遭遇闪电时机内受闪电影响的结果^[10]。

电流分量A：A分量是双指数电流脉冲，T1和T2分别为上升时间和半脉宽时间。

缩比电流法具备一定的适用条件，它要求200 kA的电平下，飞机结构的物理特性不会随着流经电流幅值的增大而发生非线性变化，即同一测试点的试验结果数据与注入飞机的闪电电流分量A的幅值成正比。如此，即可用缩比的小电流试验来代替原始的大电流试验，既可在得到所需数据的同时提高降低试验的风险，提高试验的安全性，又能避免试验件或试验机因遭受大电流而产生损伤。通常情况下，金属飞机满足该条件。但是复合材料抗闪电的能力较弱，遭遇大电流时容易被击穿而破坏内部结构，因此复材飞机无法完全满足该条件，对缩比电流法的适用性还需要更多研究。

开展试验时，一般将闪电电流缩小100倍作为试验电流输入，即使用2 kA的电流分量A作为注入电流。但在实际试验中发现，将缩放比值n设定为100可能并非为最佳值，下面以翼盒闪电试验为例开展研究。

3 翼盒闪电试验电流幅值研究

3.1 翼盒闪电试验简介

民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验（简称翼盒闪电试验）是以民用飞机机翼油箱盒段为主体的部段级试验，是通过向翼盒注入缩比闪电电流来模拟飞机遭遇闪电时的环境，并通过测量翼盒内部典型管路电流、结构电压及蒙皮表面磁场来获取翼盒内部的闪电环境，即涉及电流试验、电压试验和表面磁场试验。

3.1.1 试验主要步骤

翼盒闪电试验的主要步骤如下：

1）搭建试验回路，完成试验布置；

2）校准试验波形，使得电流发生器发出的电流满足电流分量A的要求；

3）环境噪声检测；

4）对各测试点开展测试，收集并分析试验数据；

5）根据试验结果开展必要的补测；

6）结束试验，拆除试验回路。

3.1.2 试验电流

翼盒闪电试验仅使用电流分量A，不使用电流分量H作为注入电流，为研究试验电流幅值的影响，分别开展了电流分量A幅值为2 kA、5 kA、25 kA和50 kA的对比试验。试验电流波形示意图如图3所示。

3.2 电流试验闪电电流幅值研究

本文选取典型测试结果进行展示，如图4和图5所示。

测试结果见表1。

由上述结果可知，注入电流的幅值增大时，测试结果的信噪比会提高。在2 kA注入电流的情况下，若测试结果的信噪比较好，电流波形较为理想，则注入电流增大时，测试结果的信噪比同样较好，电流波形较为理想。测试点1的数据表明了缩比电流法在金属机翼盒段的适用性。若测试结果的信噪比较差，电流读数较为困难，则注入电流增大时，测试结果的信噪比会提高，电流波形将变得相对理想，容易读数。测试点2的数据中，2 kA注入时得到的结果明显与其他数据不符，原因即为信噪比较低时，波形不理想导致读数困难，甚至试验结果都可能不准确。而25 kA和50 kA的波形相比5 kA的波形，虽然不影响读数，但振荡性更强，反而没有5 kA的波形理想。

汇总整理翼盒闪电试验的测试结果后发现，在5 kA注入电流时，电流试验的全部测试结果的波形均达到较为理想、容易读数的状态。

3.3 电压试验闪电电流幅值研究

本文选取典型测试结果进行展示，如图6和图7所示。

测试结果见表2。

由上述结果可知，跟电流试验类似，注入电流的幅值增大时，测试结果的信噪比会提高。与电流试验不同，2 kA注入时的波形明显与5 kA及以上注入时的波形不同，2 kA注入得到的测试结果可能是不准确的，明显偏大。

汇总整理翼盒闪电试验的测试结果后发现，在2 kA注入电流时，电压试验的测试结果几乎都不够理想；而在5 kA注入电流时，电压试验的测试结果的波形几乎都达到较为理想，容易读数的状态。

3.4 表面磁场试验闪电电流幅值研究

表面磁场试验仅开展了2 kA与5 kA的对比试验。本文选取典型测试结果进行展示，如图8和图9所示。

测试结果见表3。

由上述结果可知，表面磁场试验测试结果的信噪比较好。汇总整理翼盒闪电试验的测试结果后发现，注入电流为2 kA时，表面磁场试验的测试结果波形均较为理想，同时缩比电流法也适用。

4 结论

本文对民用飞机闪电试验电流幅值进行了研究，结论如下：

对于金属飞机的部段级试验件和试验机，可采用缩比电流法开展闪电环境模拟试验，既可获得准确的试验数据，又能起到保护试验件的作用。

以翼盒闪电试验为例，对于电流试验和电压试验，当闪电电流幅值为2 kA时，测试结果的信噪比较低，波形不够理想，数据可能不准确；而当闪电电流幅值控制在5 kA及以上时，测试结果的信噪比较高，波形较为理想，数据相对准确。对于表面磁场试验，闪电电流幅值为2 kA及以上时，测试结果较为理想。

参考文献