0 引言

高强度辐射场（high intensity radiated field，简称HIRF）的定义为航空航天器收到的可能来自地面、舰船、海上平台或其他航空航天器上的雷达、无线电、电视和卫星等高功率发射机的信号穿透航空航天器机体、搭接和缝隙等在航空航天器内部耦合而形成的辐射场，它是由人类活动造成的，其频率范围高达10 kHz至40 GHz^[1-2]。

随着现代飞机中先进的电子电气设备的大量运用，飞机机体上电磁屏蔽能力较差的复合材料应用越来越多，且机载设备软件和数据总线运行速度不断加快，大规模集成电路的使用和接受设备灵敏度的不断提高，另外雷达、微波蜂窝通信、人工通信网络和设备的射频源的应用也在逐日广泛，飞机面临的HIRF环境正在变得越来越复杂，这些因素使飞机在服役过程中面对HIRF环境的挑战也是愈发严峻^[2]。

为了防止HIRF效应干扰飞机的电子电气系统设备的正常功能，危及飞机的持续安全飞行和着陆，大型运输类飞机HIRF防护设计应符合CCAR/FAR25.1317及CCAR/FAR25.1309（a）的条款要求^[3-4]。

在实际设计中，电子电气设备舱门开口作为飞机电子电气设备舱的最大开口，在对飞机电子电气系统设备的电磁防护的作用中起到至关重要的作用。本文鉴于某型号大型运输类飞机的HIRF防护试验中突出的电子电气设备舱门的HIRF防护能力较弱问题展开研究，旨在找到电子电气设备舱门的HIRF防护能力较弱问题的解决方案，并提出对未来在电子电气设备舱门结构设计中提升HIRF防护能力的设计建议和优化方向。

为确保飞机电子电气设备舱门的HIRF防护能力能满足相关条款要求，本文拟对某型号大型运输类飞机电子电气设备舱门结构的HIRF防护能力参考CST对开孔矩形腔体的电磁屏蔽效能的研究结论^[5]对舱门结构方案进行优化，并进行低电平扫掠场（LLSF）试验验证结构优化方案的有效性。

1 HIRF防护机理

大型运输类飞机的电子电气设备舱一般为增压舱，为平衡其舱门的密封性能和开关门手柄力要求的矛盾，通常舱门在设计时要保证增压前止动钉与止动块留有一定间隙（如图1至图3所示）来降低增压前密封件的压缩量，从而降低开关门手柄力。因此增压前舱门止动钉与机身止动块是不能形成有效电通路的，存在电磁防护能力较弱的问题。

大型运输类飞机电子电气设备舱的HIRF的防护意味着将HIRF的电磁能量屏蔽在飞机机体外。对于使用金属蒙皮的飞机机身，电磁波穿透机体材料并不是外部电磁能量进入机体的主要原因，电磁能量通过机身的开口、缝隙等不连续结构进入机体后的耦合才是飞机内部电子敏感器件和系统的最大挑战^[5]。

电子电气设备舱的电磁屏蔽设计应考虑结构上的开口、缝隙等结构不连续带来的电磁屏蔽效能下降，电子电气设备舱门及其与机身结构间的空隙便是电子电气设备舱电磁屏蔽效能的短板位置。

电子电气设备舱门的屏蔽性能可以用屏蔽效能（SE）来衡量，工程计算中常用dB为单位，见公式^[6-7]:

式中，E_int为机体内部测得的电场强度，E_ext为相同位置无机体时测得的电场强度，单位为V/m。相同电磁场下E_int越小则SE越大，代表结构的电磁屏蔽效能越强。

电子电气设备舱可以认为是一个复杂金属腔体，关闭的电子电气设备舱门及其周边机身门框结构可以认为是在复杂金属腔体上开的环形孔缝，由于铰链臂与机身存在一个电搭接点，该环形孔缝存在一个断点，如图4所示。

由于实际情况中飞机的电子电气设备舱形状复杂，且内部金属设备架及系统设备数量众多且形状各异，因此电子电气设备舱可以看作为一个波混沌腔体^[8]。对于波混沌腔体的屏蔽性能分析是复杂且困难的，但在工程上仍然可以借鉴开孔的矩形腔体模型得到对电子电气设备设备舱门结构电磁屏蔽优化设计的指导方向。

在CST电磁仿真软件对开孔矩形腔体的电磁屏蔽效能的研究中，构建了一个由理想导体材料（PEC）构成的典型矩形腔体作为研究对象，腔体在z=0平面上开有矩形缝隙。仿真中的辐射源选用平面波，并沿矢量方向k进行辐照。入射波按垂直极化方式（定义为电场矢量方向E垂直于缝隙结构的长边）对缝隙所在面正面辐照，试验模型示意图如图5所示^[5]。

在该研究中选取了多个对照组进行模拟分析。通过其分析结论，可以总结出带空隙的腔体结构的电磁屏蔽效能受以下几个因素影响:

1）孔缝的长边方向:孔缝场边与电场矢量方向夹角越接近90°，结构的电磁屏蔽效能越差;

2）测量点位置:测量点距离孔缝越近，结构的电磁屏蔽效能越差;

3）孔缝的宽高比:孔缝越细长，结构的电磁屏蔽效能越差;

4）孔缝的打断:孔缝沿长边打断可以有效增强结构的电磁屏蔽效能;

5）结构的材料:腔体结构采用金属比使用复合材料的电磁屏蔽效能更好。

依据上述结论，对电子电气设备舱门HIRF防护能力的优化方向分析如下:

1）孔缝的长边方向:实际HIRF环境的电磁辐射无特定电场矢量方向，因此无法针对此结论进行优化;

2）测量点位置:电子电气设备的布置应尽量远离舱门开口位置;

3）孔缝的宽高比:舱门四周的缝隙要尽量更宽更短，但受飞机外形总体要求难以进行优化;

4）孔缝的打断:可以通过在舱门四周增加电搭接措施实现优化效果;

5）结构的材料:对于有较高HIRF防护要求的舱门应尽量选用金属材料。

综上所述，为了提升电子电气设备舱门的HIRF防护能力，建议电子电气设备的布置应尽量远离舱门开口位置、在舱门四周增加电搭接措施及电子电气设备舱门应尽量选用金属材料。

2 防护方案及试验验证

2.1 防护方案

大型运输类飞机电子电气设备舱门为了提高HIRF防护能力，最理想的方案是消除舱门与机身结构间的孔缝。在此思路下最常见的做法是使用导电密封件使舱门一周与机身结构直接导通。该方案通常易见于舷窗等不具备开门功能的固定开口上，另外日本三菱公司有采用导电密封件来搭接舱门与机身门框结构的方案^[9]，该方案可以保证舱门关闭时舱门与机身门框四周实现电导通，对结构的HIRF防护能力的提高有显著效果，但是该方案存在较多问题，如导电密封件工艺复杂、制造成本较高、导电密封件硬度高会导致舱门开关门手柄力较大、导电涂层容易脱落维护成本较高等问题，因此该方案并未用在成熟的机型上。

常见的大型运输类飞机的电子电气设备舱门HIRF防护方案为通过在铰链臂位置增加电搭接线来降低舱门与机身结构间的电阻值，该方案结构简单、工艺成熟，但在增压前舱门与门框间会留有细长的孔缝，HIRF防护能力难以得到保障。

考虑导电密封件的问题暂未有较好的解决方案，本文主要针对常见的大型运输类飞机的电子电气设备舱门HIRF防护方案进行优化。借鉴开孔矩形腔体的电磁屏蔽效能的研究结论^[5]，对某型号大型运输类飞机电子电气设备舱门HIRF防护能力优化方案可以通过增加电搭接措施来达到打断细长孔缝的效果，防护方案有三种:

1）一根电搭接线方案

舱门的一个铰链臂上安装一根电搭接线连接门框结构（初始方案），该方案即为一般的电子电气设备舱门HIRF防护方案，电搭接线相当于将舱门与门框结构之间的环形孔缝增加了一个打断点，腔体模型如图6所示。

2）两根电搭接线方案

舱门的两个铰链臂上各安装一根电搭接线连接门框结构，该方案在方案1）的基础上增加一根电搭接线，相当于将舱门与门框结构之间的环形孔缝增加了两个打断点，腔体模型如图8所示。

3）一根电搭接线+弹簧片方案

舱门的一个铰链臂上安装一根电搭接线连接门框结构，并在4个止动块上安装弹簧片，该方案相比于方案1）增加了4组弹簧片，如图9所示，可以保证舱门止动钉和止动块未接触时，舱门止动钉与门框止动块电导通，相当于在方案1）的基础上对孔缝又增加了4个打断点，腔体模型如图10所示。

2.2 试验验证

依据SAE ARP5583文件推荐的试验方法，通常采用低电平耦合（LLC）的方法进行HIRF试验，低电平耦合（LLC）试验包含两部分:低电平扫掠电流（LLSC）试验与低电平扫掠场（LLSF）试验。其中LLSC试验覆盖频段范围从0.5 MHz至400 MHz，LLSF试验覆盖频段范围从100 MHz至18 GHz，10 kHz至0.5 MHz频率范围内的结果将通过LLSC试验结果推算得到（从0.5 MHz向下每1/10倍频程，电流降低20 dB）^[10]。对2.1节中所述三种方案分别进行HIRF试验，由于一根电搭接线方案在HIRF试验中，在低电平扫掠电流（LLSC）试验中已满足条款要求，所以对三种方案的验证仅进行了低电平扫掠场（LLSF）试验验证。

对2.1节中所述三种方案分别进行HIRF试验，由于一根电搭接线方案在HIRF试验中，在低电平扫掠电流（LLSC）试验中已满足条款要求，所以对三种方案的验证仅进行了低电平扫掠场（LLSF）试验验证。

试验分为三组，分别对三种方案进行验证，三组试验控制E_ext的大小，通过测量E_int的大小来确定三组试验的结构电磁屏蔽效能。

以安装在电子电气设备舱内的某系统设备为例，试验中测得的E_int必须小于该系统的鉴定试验电平^[11]。

3 试验结果及讨论

3.1 试验结果

1）一根电搭接线方案

该方案试验结果如图11所示，在低频区域，舱内场强存在明显高点，且超过了设备的鉴定试验电平，该方案不满足HIRF防护能力要求。图中不规则曲线为测得各频率下E_int的值，多段直线为某系统设备的鉴定试验电平。

2）两根电搭接线方案

该方案试验结果如图12所示，在低频区域，本方案的试验结果舱内场强相比方案1）明显得到抑制，但在高频区域，舱内场强趋于发散，多个频率出现较强场强，且超过了设备的鉴定试验电平。本方案的HIRF防护能力在低频段满足要求但高频段依然不满足要求。

3）一根电搭接线+弹簧片方案

该方案试验结果良好，如图13所示，所有频率下场强都较小，均小于鉴定试验电平。本方案的HIRF防护能力基本满足要求。

3.2 试验结论分析

从上述试验结果可知，一根电搭接线方案在100~200 MHz频域内存在较强场强，且超过了鉴定试验电平。该方案为某大型运输飞机电子电气设备舱门的初始电搭接结构方案，其HIRF防护能力不满足要求，可见对于电子电气设备舱门，单条电搭接线的防护措施不足以保证舱门具有足够的HIRF防护能力，实际防护能力取决于舱门大小及所在舱门所在舱段的实际情况。对于不满足HIRF防护能力的应进行HIRF防护结构优化。

两根电搭接线方案的场内场强在10 GHz以上显著增强，且出现部分频点超过鉴定试验电平。该方案为在初始方案上增加一条电搭接线，优化成本较低，且对舱门HIRF防护能力有一定的改善效果，但试验也表明该方案仍不能保证舱门具有足够的HIRF防护能力，若该方案无法使舱门满足HIRF防护要求，仍需进一步进行HIRF防护结构优化。

一根电搭接线+弹簧片方案为在初始方案上在4个止动块上各增加一个弹簧片。该方案HIRF防护能力效果良好，综合HIRF防护能力较前两个方案更强，孔缝打断点增多有利于增强结构的电磁防护能力，该结论与文献^[5]的结论一致。该方案在这三个方案中增重最大，对于前两个方案无法满足HIRF防护要求的情况下可以考虑作为HIRF防护结构优化的一个备选方案。

4 结论

1）针对民用飞机舱门的HIRF防护能力不足的问题，本文给出了优化的建议:在舱门周边结构增加多个电搭接点可以有效提高舱门的HIRF防护能力。

2）对电磁干扰敏感的电子设备建议布置在远离舱门的位置。

3）针对试验中两根电搭接线方案在高频电磁辐射下出现电磁防护能力下降的问题，目前尚不清楚原因，仍需进一步分析研究。

参考文献