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0 引言
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民用飞机燃油箱系统在遭遇闪电时存在产生点火源点燃燃油蒸气导致失效甚至引起油箱爆炸最终机毁人亡后果的可能性。CCAR25部[1]规定民用飞机油箱内部不能有点火源存在。故民用飞机验证应充分考虑燃油箱系统的闪电防护能力。
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1 试验背景和目的
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民用飞机遭遇闪电时，按闪电通道在飞机表面附着的可能性将飞机表面分为了三个区域，分别为闪电1区、闪电2区和闪电3区[2-3]。燃油箱系统分布于左机翼、中央翼和右机翼，属于闪电3区，闪电电流在其中以传导的形式存在[4]。由于闪电的高电压、高电流特性，闪电电流在传导过程中存在击穿结构之间的连接导致点火源产生的可能性。而CCAR25.981（a）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。因此，民用飞机燃油箱系统的闪电防护必须充分考虑燃油箱结构对闪电防护的能力[5]。
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为精准验证燃油箱结构的闪电防护能力，需获取燃油箱系统的结构闪电环境，即闪电电流在燃油箱结构上的分布，包括蒙皮、壁板、梁、肋、内部管路、以及线缆。仅靠试验只能获取部分测试点的数据，无法获取燃油箱内任一处的环境；仅靠仿真能获取燃油箱内任一处的环境，但无法证实仿真结果的正确性及有效性。因此，可采用仿真与试验相结合的方法，先通过仿真计算得到燃油箱结构的闪电环境，选取部分位置作为测量点，再通过试验获取这部分测量点的实际值，用来验证仿真模型的合理性，通过修正仿真模型最终得到有效的燃油箱结构闪电环境。
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机翼盒段是指飞机机翼的一部分，简称翼盒。通过翼盒结构闪电环境试验可获取翼盒典型的结构连接处的闪电电流或电压数据。将之与翼盒结构闪电环境仿真结果对比，辅助修正仿真模型，再通过仿真迭代得到闪电电流在翼盒的分布。
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翼盒仿真模型修正后，可用于指导全机燃油箱系统结构闪电环境仿真。再通过与全机燃油箱系统结构闪电环境试验的对比，修改全机燃油箱系统仿真模型，以此得到闪电电流在全机燃油箱系统的分布。
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翼盒结构闪电环境试验作为全机燃油箱系统结构闪电环境试验的前置，既能提前考察燃油箱结构连接的闪电防护能力，又能关注到全机试验无法实际测量到的典型结构连接，具有重要的意义。
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2 试验介绍
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民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证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。
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试验结果用于给翼盒结构闪电环境仿真提供真实数据支持，以修正仿真建模，提高仿真建模的精确性和仿真结果的正确性和有效性，为全机燃油箱系统结构闪电环境仿真提供支持。
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2.1 试验对象要求
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试验对象为翼盒试验件，内部需包括上下壁板、前后梁、肋、口盖等基础结构和典型的燃油液压管路。翼盒试验件需要单独设计和制造，为节约资源和缩短制造周期，翼盒试验件可以进行简化，即删除和简化部分结构，但需说明简化的合理性。
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2.2 试验电流路径要求
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试验电流路径需包含民用飞机遭遇雷击时闪电电流流经翼盒的全部可能路径。根据飞机闪电分区的划分，不同机型飞机闪电分区有所差别，翼盒的闪电路径大致包括：近翼尖的肋侧的蒙皮边缘入-远翼尖的肋侧的蒙皮边缘出，注入方式为电流传导；下蒙皮的吊挂入-前缘侧的蒙皮出，注入方式为电流传导；蒙皮上的紧固件入-前后缘蒙皮出，注入方式为电弧引入；后缘蒙皮入-前缘蒙皮出，注入方式为电流传导。
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2.3 试验电流波形要求
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根据SAE ARP5416[6]试验标准，飞机经受的闪电电流用SAE ARP5412[7]电流分量A来模拟，如图1所示。飞机遭受的真实闪电电流最大峰值为200 kA，为避免200 kA电流对试验件造成损坏，试验可采用缩比电流法[8]，推荐使用电流峰值为5 kA或以上的电流分量A进行试验并获取试验数据，再将试验数据线性外推即可得到峰值为200 kA电流分量A的闪电情况下，翼盒实际的闪电环境。缩比电流法仅适用于200 kA的电流下，飞机结构的物理特性不会随着电流幅值的增大而发生非线性变化的情况，通常情况下，金属飞机满足该条件。
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图1 试验输入电流示意图
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电流分量A：A分量是双指数电流脉冲，T1和T2分别为上升和半脉宽时间。
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2.4 试验回路网要求
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为模拟飞机的空中状态，试验可采用同轴双回路网方法，即以翼盒作为中心导体，同轴双回路网作为外层导体[9]。同轴双回路网以绝缘支架为结构，其上敷设同轴线缆，用于回收试验电流。翼盒与地面应做绝缘处理。同轴双回路网需布置的均匀，使得回路网承载的电流产生的磁场相对均匀。回路导体网距离翼盒表面需不低于500 mm，但也不可过大。若距离过小，则回路导体网承载的电流产生的磁场会干扰翼盒表面电流的正常分布；反之，若距离过大，则回路导体网无法起到降低整个试验回路阻抗的作用，试验回路整体阻抗会阻碍电流发生装置打出高幅值的电流。回路导体网距离翼盒表面的距离与翼盒整体的尺寸和材料均有关。同轴双回路网示意图如图2所示。
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图2 同轴双回路网
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3 试验实施方法
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为获取翼盒内部闪电环境，试验需测量翼盒内部典型管路电流、结构电压及蒙皮表面磁场，即涉及电流试验、电压试验和表面磁场试验[6]。
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3.1 电流试验
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3.1.1 波形校准
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试验前需校准电流波形，步骤如下：
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1）搭建试验回路，将脉冲电流发生器接地，调试相应设备。
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2）在试验电流注入点附近安装电流传感器用于捕捉脉冲电流发生器发出的电流信号。
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3）从电流发生器的输出端移走接地棒。
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4）对脉冲电流发生器进行充电和放电，记录电流传感器捕捉到的试验电流波形，确认电流波形的幅值、上升时间和衰减时间是否符合试验电流波形要求，若不符合，调整至符合要求。
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5）关闭充电电源，将接地棒放置到电流发生器的输出端。
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3.1.2 环境噪声检测
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考虑到环境电磁噪声的干扰，在正式测量前，应检测测试点周围的环境噪声[10]。环境噪声的检测方法为：将电流传感器放置在测量点附近，并与示波器相连，对脉冲电流发生器进行一次充放电，记录电流传感器捕捉到的环境噪声波形，如图3所示。再将电流传感器放置在测试点，对脉冲电流发生器进行一次充放电，记录电流传感器捕捉到的电流波形。理想情况下，噪声应小于测量的电流信号的10%，但可接受高达20%的值。如果噪声可以通过减去噪声测量值而与实际信号分离，则可接受较高的等级，如图4所示测量波形中，噪声不影响读数。
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图3 噪声测量波形
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图4 测量波形
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每个测试点均需排除环境噪声的干扰，可在每个点正式测量前检测环境噪声，也可在正式测量时在测试点和附近各安装一个电流传感器用于捕捉测试点电流波形和环境噪声波形。
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3.1.3 试验步骤
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1）完成试验布置，将脉冲电流发生器接地，准备电流传感器和示波器。
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2）在试验电流注入点附近安装电流传感器。同时根据测试点位置，将电流传感器安装到被测管路或结构上，并与示波器相连。
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3）从脉冲电流发生器的输出端移走接地棒。
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4）对脉冲电流发生器进行充放电，记录脉冲电流发生器发出的电流波形和测试点电流传感器捕捉到的电流波形。
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5）关闭充电电源，将接地棒放置到脉冲电流发生器的输出端。
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6）更换测试点重复步骤2）至步骤5）直至所有测试点均测试完毕。电流测量示意图如图5所示。
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图5 电流测量示意图
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3.2 电压试验
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3.2.1 波形校准
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同3.1.1节。
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3.2.2 环境噪声检测
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同3.1.2节，但需将电流传感器换成电压传感器。
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3.2.3 试验步骤
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1）完成试验布置，将脉冲电流发生器接地，准备电压传感器和示波器。
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2）在试验电流注入点附近安装电流传感器。同时根据测试点位置，将电压探头安装到被测结构上，电压探头的接地端接地，并与示波器相连。
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3）从脉冲电流发生器的输出端移走接地棒。
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4）对脉冲电流发生器进行充放电，记录电流发生器发出的电流波形和测试点电压传感器捕捉到的电压波形。
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5）关闭充电电源，将接地棒放置到脉冲电流发生器的输出端。
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6）更换测试点重复步骤2）至步骤5）直至所有测试点均测试完毕。电压测量示意图如图6所示。
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图6 电压测量示意图
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3.3 表面磁场试验
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蒙皮表面的电流无法用电流传感器测得，故用磁场传感器测量表面磁场，再将磁场数据转化为电流数据。
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3.3.1 波形校准
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同3.1.1节。
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3.3.2 环境噪声检测
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由于磁场传感器的测量方式为直接将传感器贴在蒙皮表面，则测试点位置的磁场和测试点附近位置的磁场可认为是一致的，无法进行环境噪声检测。
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3.3.3 试验步骤
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1）完成试验布置，将脉冲电流发生器接地，准备电压传感器和示波器。
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2）在试验电流注入点附近安装电流传感器。同时根据测试点位置，将磁场探头安装到被测位置表面，并与示波器相连。不同于电流探头和电压探头，磁场探头具有方向性，需按试验要求正确布置探头方向。
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3）从脉冲电流发生器的输出端移走接地棒。
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4）对脉冲电流发生器进行充放电，记录电流发生器发出的电流波形和测试点磁场传感器捕捉到的磁场波形。
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5）关闭充电电源，将接地棒放置到脉冲电流发生器的输出端。
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6）更换测试点重复步骤2）至步骤5）直至所有测试点均测试完毕。磁场测量示意图如图7所示。
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图7 表面磁场测量示意图
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4 试验数据分析要求
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目前国内开展的民机闪电试验较少，对于此类试验的数据积累较少。数据分析是此类试验比较重要和有难度的环节，关于试验数据分析要求，以下两点需特别关注，具体如下：
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1）关于数据读取，在测量波形中只有震荡波存在的情况下读取波形的峰值，如图8所示；在测量波形中含有指数波和震荡波叠加的情况下读取指数波的趋势峰值，如图9所示。
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图8 震荡波
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图9 指数波叠加震荡波
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2）试验使用缩比电流法，但推荐使用电流峰值为5 kA或以上的电流分量进行试验。图10为输入峰值为2 kA的A波的某个测试点输出电压波形图，图11为该测试点输入峰值为5 kA的A波的输出电压波形图。
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图10 某输出电压波形图—2 kA
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图11 某输出电压波形图—5 kA
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由上图可知，输入电流较小时，输出波形可能受噪声影响较大。目前已知试验结果显示，电流峰值选择5 kA能在满足不破坏试验件的前提下得到相对较好的试验结果。
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5 结论
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本文对民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验方法进行了研究，结论如下：
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1）试验目的为收集翼盒典型结构连接处的电流电压和磁场强度数据，用于修正翼盒结构闪电仿真模型，再通过迭代仿真获得完整翼盒结构闪电环境。
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2）选择电流分量A模拟闪电电流，并采用缩比电流法。
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3）为模拟飞机空中状态，翼盒外部可搭建同轴双回路网，回路导体需布置均匀。为了降低试验整体回路的阻抗，同轴回路网与翼盒表面的距离不宜过大也不宜过小，与翼盒的具体尺寸和材料有关。
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4）试验内容包括结构和管路电流测量、结构电压测量和蒙皮表面磁场测量。
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5）正式试验前需进行环境电磁噪声检测以排除环境噪声的干扰。
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参考文献
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[8] 阮巍.防护方式对碳纤维复合材料雷击损伤的影响[D].合肥:合肥工业大学,2020:26-27.
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[9] 赵伟杰.舱段雷电流分布效应影响研究[D].合肥:合肥工业大学,2018:14-29.
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[10] 于飞,吕春英,罗争.电磁环境噪声测量问题研究[J].信息通信,2015,4(12):4-7.
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摘要
民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验是部段级适航取证试验，用于获取民用飞机翼盒结构闪电环境，并将试验结果与民用飞机翼盒结构闪电仿真结果进行对比，修正翼盒仿真模型。总结了民用飞机翼盒结构闪电环境仿真验证试验的试验方法，介绍了试验背景和目的，提出了试验要求，包括试验对象要求、试验电流路径要求、试验电流波形要求、试验回路网要求，描述了试验的具体实施方法，包括电流试验、电压试验和表面磁场试验。其中，缩比电流法和同轴回路网是开展民用飞机闪电试验的关键点，因此，对缩比电流法的目的和实施方式做了重点介绍，同时对搭建同轴回路网的目的和关键参数做了重点解释，对民用飞机部段级结构闪电环境试验具有一定的指导意义。
Abstract
The civil aircraft wing box structure lightning environment simulation validation test is a ministerial level airworthiness certification test to obtain the civil aircraft wing box structure lightning environment. The test results were compared with the lightning simulation results of the civil aircraft wing box structure to correct the wing box simulation model.This paper summarises the civil aircraft wing box structure lightning environment simulation verification test method, introduces the test background and purpose, presents the requirements of the test, including test object requirements, test current path requirements, test current waveform requirements, test circuit network requirements, describes the specific implementation method of the test, including current test, voltage test and surface magnetic field test. Among them, the scaled-down current method and the coaxial loop network are the key points for conducting lightning tests on civil aircraft. Therefore, this article focuses on introducing the purpose and implementation of the scaled-down current method, and also explains the purpose and key parameters of building a coaxial loop network. This paper has certain guiding significance for lightning environment test of civil aircraft section level structure.
