测试标准跟不上技术变革的快速步伐
Nicholas Wright,瑞士劳芬emc合伙人
简介
现代飞机不断上升的成本和日益增加的复杂性确保了飞机设计和组装现在是一个全球现象。今天,子系统可以在世界各地的任何地点进行设计、制造和测试,然后根据需要运送到最终装配厂。这个全球性的过程要求无论在世界的什么地方执行测试都产生相同的结果。测试方法和设备的标准化对实现这一目标大有帮助。在雷电测试方面,民用飞机和系统采用DO-160标准,该标准非常适合发挥标准化作用,并被用作适航认证的基础。
DO-160中有两个部分涉及闪电效应,它们之间有密切的关系。
- 第22节(闪电诱发瞬态磁化率)
- 第23节(闪电直接效应)。
第22节规定了使用间接闪电效应进行设备级测试的要求;第23节讨论闪电对机身的直接打击。第22节更适用于飞机系统和设备生产的全球性质。它仅限于对lu(线路可更换单元)及其互连电缆的测试。
DO-160第23条所涵盖的直接闪电效应测试是在整架飞机上进行的,通常只在几个地点(飞机制造商)进行,因此有非常具体的空间要求。外部或直接闪电事件的特点是达到200 kA的大电流放电,并被描述为“四分量”测试,因为闪电事件有四个不同的阶段。
产生这样的放电需要大型且非常昂贵的测试设备和大量的空间。这种类型的测试当然更能代表真实事件,但它在评估影响和评估可能发生在设备、电缆或接口上的任何潜在损坏方面提出了额外的问题。这项任务可能需要许多年才能完成,并且可能比测试本身要昂贵得多。
在军用航空领域,有许多国家层面的标准在使用:英国的DEF-STAN 59-41,法国的GAM-EG13D,日本的JDS-NDS0011B,以及来自美国的大量mil - std。目前还没有涵盖军事测试的全球标准,但STANAG文件提供了北约成员国之间一定程度的整合。
MIL-STD-461E规定了LRU级别的一系列测试,在设备集成到系统之前,这些测试为免疫提供了良好的基础。完整平台的测试由MIL-STD-464处理,该测试与DO-160第23节测试并行。
联合项目在民用和军事领域都不是新鲜事,但它们仍然提供了一种有趣的情况,即国家标准不再完全适用,参与国家必须就必须进行哪些测试达成共识。
英国、德国、意大利和西班牙联合研制的欧洲台风战斗机就是一个例子。这架飞机有自己的一套独特的测试要求,纳入了SPE-J-000-E-1000,从各种来源和适应特定的应用。
另一个例子是NH90直升机计划,这是欧洲直升机公司(法国和德国)、奥古斯塔公司(意大利)和福克公司(荷兰)的合资企业。作为NH90测试项目的一部分,雷电测试要求基于FAA AC20-136标准,该标准相当于DO-160标准,并对机身及其运行环境进行了适当的修改。
最后,目前最大的此类项目是联合攻击战斗机(JSF)或F35,美国和英国作为主要负责人,意大利、荷兰、土耳其、加拿大、澳大利亚、丹麦和挪威作为合作伙伴。最新迹象表明,JSF项目的闪电测试要求可能基于MIL-STD-461和DO-160要求。
可以肯定的是,大多数正在发生的变化都是由技术推动的。在机身上越来越多地使用非金属材料,以及越来越多地使用高速复杂处理器和控制总线,在未来标准的发展方向上发挥着重要作用。
背景
外部闪电环境可以简化为四个波形组件- a, B, C和d。这些波形组件与飞机结构相互作用,在内部电缆和设备上诱导电压和电流瞬变。
分量A表示振幅可达几百千安的闪电事件的初始冲程。这个部件承载着最高的能量级别。分量B是一种中间电流,约为几十千安,减少为分量C。分量C表示在闪电通道中流动的电流。这种流动可以持续几毫秒,电流在数百安培范围内。分量D对应于对机身的重击峰值振幅在数十千安范围内。
有几种机制,通过外部闪电事件耦合到飞机的系统。在现实中,大多数瞬态是通过几个耦合路径诱导成复波的。出于实际目的,这些路径可以缩小为两种基本机制:电阻耦合和孔径耦合。
电阻耦合
这种机制在电缆和飞机结构之间的回路中产生电压。如果结构是高导电性的,电压可能具有与外部环境相关的波形。因此,最常见的瞬态电压是与组件a相关的电压。这转换为波形4定义(6.4/70µs)。该波形也可以出现在由屏蔽电流和传输阻抗导出的电缆屏蔽中。
连接在机身结构两端的低电阻电缆将受到来自外部闪电事件的瞬态电流,在低电感的机身和相对高电感的电缆之间电耦合。铝机身呈现低阻抗路径,因此瞬态将很长,但相对较低的振幅。由复合材料组成的结构产生较短的瞬态和较高的振幅。
这些不同的传输特性导致采用了两种波形。波形5A(40/120µs)通过复合结构模拟电阻耦合。波形5B(50/500µs)通过铝结构模拟电阻耦合。
孔径耦合
如今,飞机结构并不均匀;波音和空客都在稳步增加新设计中复合材料的数量。
波音787“梦想客机”使用了更多的复合材料(61%),此外,由于所有机载系统都将由电力驱动,而不是传统的抽气或液压系统,这是一个新的尝试。这种操作模式可以大大减轻总体重量,但会产生一个全新的测试场景。
电磁波更容易穿透复合材料结构,在内部电子系统中产生瞬态。单项最大的项目是起跳(组件A);这可以耦合为磁场,穿透结构并诱导波形1(6.4/70µs)形状的电流。穿透结构的电场和/或磁场将在具有阻尼正弦形式的电缆中激发共振,频率范围为1 MHz至10 MHz。这些都是由波形3建模的。
电缆和显示组件A波形(6.4/70µs)的结构之间的电压将驱动DO-160中定义的波形2(0.1/6.4µs)。
适用性
DO-160的测试瞬态要求可以总结如下表1所示:
脉冲通过以下方式应用于测试对象:
- 直插电缆或接口引脚(PIN injection)。
- 使用注射钳对电缆束进行间接注射。
- 脉冲连接到设备或电缆接地处的接地注入。
- 测试级别指定飞机内部环境。
- 一级适用于保护良好环境下的设备和线路。
- 二级适用于部分保护环境下的设备和线路。
- 三级适用于中度暴露环境中的设备和线路。
- 4级和5级适用于恶劣电磁环境下的设备和布线。
瞬态需求
指定了三个瞬态事件。
单一的中风
单冲程事件用于航空电子子系统和设备的损伤评估。它们可以分为两类。
销注入。瞬态直接应用于系统接口电路,用于评估接口元件的介电耐压或损伤容限。PIN注入波形是根据在开路(电压)和短路(电流)中测量的测试信号定义的。
单冲程电缆束。电缆束测试使用注入探针耦合瞬态。在完全配置的功能设备上进行测试,以确定设备的生存能力。
在测试过程中必须监测电压和电流水平,以确保不超过测试极限和/或达到测试水平。
多个中风
系统、子系统和设备的电磁兼容性是通过多种行程波形来确定的。多冲程波形集包括一系列14个瞬态,其中第一个表示初始冲程(组成部分a),接着是第一个50%处的13个瞬态,对应于机身上的重击(组成部分D)。多冲程瞬态只使用注入探头应用于电缆束。
多个破裂
多个脉冲波形还用于确定系统、子系统和设备的电磁兼容性(EMC)。多重突发波形集的特征是随机间隔的20组低振幅电流瞬态。每个脉冲都包含快速变化的电流。
多脉冲瞬态是由闪电前导的发展或分支而来。在闪电最初附着在飞机结构上时,脉冲是最强烈的。由外部环境的磁场(H)引起的瞬态响应也会发生在诱导的多爆序列中。主要波形响应是频率范围从1 MHz到10 MHz的阻尼正弦波形。
测试设备要求
针对DO-160的航空电子设备测试需要不同的脉冲测试类型,具有非常不同的波形特征和能量含量。大多数波形仅受到连接引线的轻微影响,因此,发生器源阻抗可以直接表示为Voc / Isc。
使用这些信息,并遵循DO-160中明确定义的校准设置,设计用于PIN注入测试的发生器相对简单。
DO-160的表22-2规定“在注入点”Voc =开路电压幅值,Isc =短路电流幅值。这应该被解释为包括将脉冲传递到EUT所需的连接电缆和测试尖端。
DO-160引入了一个需要进一步解释的概念。通过定义“I测试”和“V测试”参数或“I极限”和“V极限”值,所有电缆束测试都考虑了EUT电缆对脉冲的潜在影响,只关注振幅。
“Test”值是应该达到的理想值,如果可能的话。“Limit”值是在电缆束中测量的最大允许值,以防止过度受力。当这种情况发生时,测试被认为已经完成。
通常,“测试”和“限制”值被误解为定义发电机阻抗。事实上,这可以说是系统的“虚拟阻抗”,其中包括发电机,电缆和耦合器。正如我们已经建立的,发电机阻抗仅由PIN注入要求给出。
由于电缆束阻抗非常重要,因此自然会遵循电缆的类型和路由,或者注入的脉冲也会对先达到“Test”值还是“Limit”值产生很大影响。
从DO-160的表22-3中,我们可以推导出波形3的EUT阻抗为5欧姆。事实上,这只说明了故事的一半,如下面的例子所示。
电缆的特性阻抗为:
Xl= 2pf x L
对于3.3 m长度的多线电缆(在DO-160中指定),电感值接近L = 1µH
在1mhz时,这相当于阻抗Xl= 6.3 Ω。这非常接近标准中使用的5 Ω。在10mhz时,使用相同的电缆,情况变化如下l= 62.8 Ω。由于这些应用限制,只有在特定条件下才能达到多个冲程5级波形。
波形1和波形5指定电压为“Limit”,电流为“Test”;这相当于一个EUT向测试系统显示最大阻抗。对于波形2、波形3和波形4,电流指定为“Limit”,电压指定为“Test”;这相当于一个向测试系统显示最小阻抗的EUT。
波形3 (1 MHz和10 MHz)及其根据DO-160的应用有一些特殊的参数,这使得设计和使用合适的发生器有些复杂。例如,这种类型的阻尼正弦波只能使用电子开关可靠地产生。该波形被定义为混合波形;电压和电流都有相同的形式,电压和电流的值相对较高(3200 V/128 A PIN注射)。根据前面的讨论,这将发电机输出阻抗定义为Z出= 25欧姆。现在,我们来看下一个问题。由于涉及的频率相对较高(1 MHz和10 MHz),必须使用同轴电缆将能量从发电机传输到耦合设备。这种方法减少了波形失真和对环境的干扰。特别是对于10 mhz信号,使用50欧姆同轴电缆提高了发电机的有效阻抗,电缆电容负载发电机,因此需要更高的输出电压才能驱动所需的电流水平。不幸的是,使用低阻抗同轴电缆的简单解决方案并没有帮助,因为降低电缆阻抗会增加电容,并将能量从耦合设备转移。
进一步增加测试设备设计师的痛苦,是EUT电缆阻抗永远不会是零欧姆的事实。电缆束通常为发电机和耦合器提供电感阻抗。理论上,应该有可能降低发电机阻抗,但由于实际原因,这是不可能的。
由于所有这些因素,在正常应用下,在测试电路中可以达到电压,但不总是电流。下面的例子说明了这一点。单线电感约1µH:
由WF3在1兆赫激发
电压= 2pf × LI = 6.28 × 1 1060.9十6640 A = 3.6千伏
电感降低约0.5µH的电缆束:
由WF3在1兆赫激发
V = 2pf x LI = 6.28 x 160.5十6640a = 2kv
电感降低约0.5µH的电缆束:
由WF3在10兆赫激发
V = 2pf x LI = 6.28 x 1060.5十6640 A = 20千伏!!
从DO-160到3200 V的测试电压将在限流前达到。
在检查了所有这些事实并考虑到潜在的各种eut之后,相对容易看出,一个完整的DO-160测试系统要满足第22节的要求,需要多个脉冲发生器。
DO-160标准兼容性
飞机原始设备制造商正处于一个竞争激烈的市场中,变化的速度和新技术的引入速度都在加快,以满足雄心勃勃的燃油消耗和航程规格。因此,每个飞机OEM都需要“定制”他们的测试需求,以满足单个飞机或飞机家族的专业需求。
表2是当前一些需求的摘要。表3是多脉冲(MB)波形关系(NH90直升机)示例
结论
与航空电子测试系统用户打交道的经验表明,大多数航空电子测试需求的振幅相对较低。即使越来越多地使用复合材料也没有在很大程度上影响测试振幅,但在某些情况下,波形定义已经发生了变化。复合材料在机身上的使用越来越多,改变了电缆和电子设备的脉冲特性。先前指定为主要电流的波形已转换为电压要求,因为通过电缆屏蔽并通过飞机结构返回的电流路径可能不再可用。
来自研究和测试经验的最新信息表明,民用飞机可以使用1 MHz和10 MHz以外的频率。在现实中,许多频率高达17 MHz的平台共振已经被记录到30 MHz的异常共振。像往常一样,测试标准落后于快速的技术变革步伐,DO-160F已经准备在2007年发布。
参考书目
RTCA/DO-160E:机载设备的环境条件和测试程序。第22节:闪电引起的瞬态磁化率。二零零四年十二月九日。埃里克Borgstrom。航空电子设备的EMC要求:RTCA DO-160D,变更1和3。2002项。飞机雷电环境和相关测试波形,文档ED-84版2。2001年5月18日马丁·卢茨,雷托·卡萨诺瓦。航空电子设备的诱导闪电测试-单冲程,多次冲程和多次爆发。EMC合作伙伴,瑞士劳芬。MIG-OS-MB测试指南。 EMC Partner AG, Laufen Switzerland. August 6, 2004.MIG 0600MS Test Guide. EMC Partner AG, Laufen Switzerland. June 9, 2003.MIL-STD-461E: Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of sub-systems and equipment. August 20, 1999.Terri He and Brian Kuhlman. “Investigation of test methods for DO-160 qualification tests.” The Boeing Company. 2003.
尼古拉斯•莱特在英国伍斯特学院接受教育。他曾为英国M.O.D、马可尼公司和GEC航空电子公司从事军事项目。进入EMC领域后,他曾担任产品经理和区域销售经理,最终担任EMC合作伙伴驻瑞士的国际销售经理。