一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法
【專利摘要】一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，包括以下步驟：在飛機表面選擇電流注入點和流出點；在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，其中該回流通道由金屬板和/或柵格組成；電流源輸出電流至選擇的飛機電流注入點，電流按電流環(huán)繞的面積最小和環(huán)路阻抗最低的原則自動調(diào)整其走向流過飛機蒙皮，經(jīng)飛機電流流出點進入回流通道，最后返回電流源，本發(fā)明通過在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，以較小的注入電流在飛機內(nèi)關(guān)注部位產(chǎn)生較強的電磁環(huán)境，從而解決了現(xiàn)有飛機全機高強度電磁輻照HIRF試驗成本較高，不易實施的問題。
【專利說明】一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明涉及應(yīng)用于飛機的電磁兼容性試驗，特別是指飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法。
【【背景技術(shù)】】[0002]在飛機研發(fā)、定型、適航取證過程中，為審查飛機對外部HIRF電磁環(huán)境的適應(yīng)性，需進行全機高強度電磁輻照HIRF試驗，以驗證在預定的外部電磁環(huán)境下飛機能夠全性能正常兼容工作。但此類試驗電平量值遠超出目前工業(yè)界實際試驗能力水平，即用傳統(tǒng)直接輻照試驗方法難以滿足這些規(guī)定。因此近年來業(yè)內(nèi)展開了一系列替代試驗方法研究，其基本思路是“外部電磁環(huán)境EME應(yīng)力對EUT產(chǎn)生的等價電磁效應(yīng)和/或EUT功能性能的等價響應(yīng)”。高電平飛機表面電流注入法(High Level Surface Current Injection — HLSCI)就是其中一種。
[0003]HLSCI法直接對機身蒙皮注入的大電流，生成評估飛機外部電磁環(huán)境適應(yīng)性所需機內(nèi)電磁環(huán)境，使受試件處于與機外高電平輻照場等價的電磁應(yīng)力之下，從而產(chǎn)生同樣的響應(yīng)。其依據(jù)的最根本電磁理論基礎(chǔ)是:根據(jù)電磁場邊值問題理論，自由空間里某觀察點的電磁場由場源決定；有限空間里某觀察點的電磁場由場源/邊界條件決定。使用有限空間的實際界限時場源應(yīng)一并考慮，使用源到觀察點之間任意便于分析問題的包圍觀察點的全封閉虛擬邊界時，只要保證邊界上電磁場滿足麥克斯韋方程組(即邊值條件)，則可以不再考慮場源從而降低問題的復雜性，因這時的邊界條件已計入場源的貢獻。即此時觀察點的電磁場可由邊界條件唯一確定，不同邊界可能有不同難易程度的電磁條件，從而給出不同分析解決問題的途徑和方法。從另一個角度考慮，只要觀察點的電磁場相同，它既可以由實際場源產(chǎn)生，也可以由滿足邊值條件的其它邊界場源產(chǎn)生，無論是哪種場源它們都是等價的。
[0004]對飛機HIRF試驗而言，飛機蒙皮表面電流分布、飛機內(nèi)部設(shè)備安裝處空間電磁場、設(shè)備接口處的傳導電流等都是等價的可考慮場源，這就給同一目的的試驗帶來了方法多樣化的靈活性。而工程上更多關(guān)注的是精度在可接受范圍內(nèi)的各類試驗方法，以適應(yīng)于不同重點的需求(如經(jīng)濟、理論、工程各種層面)。
[0005]高電平飛機表面電流注入法HLSCI的優(yōu)點之一是一次整機試驗就同時完成對所有機載設(shè)備的EMC安全裕度評估。其最有效使用頻率范圍IOkHz~1st飛機諧振頻率(一般為飛機最大線度150~30米對應(yīng)的電磁波半波長，I~5MHz)，可擴展至400MHz，再高頻
率使穩(wěn)定性變差。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，以解決現(xiàn)有飛機全機高強度電磁輻照HIRF試驗成本較高，不易實施的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，實施本發(fā)明的一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，包括以下步驟:
[0008]在飛機表面選擇電流注入點和流出點；
[0009]在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，其中該回流通道由金屬板和/或柵格組成；
[0010]電流源輸出電流至選擇的飛機電流注入點，電流按電流環(huán)繞的面積最小和環(huán)路阻抗最低的原則自動調(diào)整其走向流過飛機蒙皮，經(jīng)飛機電流流出點進入回流通道，最后返回電流源。
[0011]依據(jù)上述主要特征，可以選擇機頭一垂尾端、機頭一左/右平尾端、機頭一左/右機翼端、機翼端一機翼端、重點部位兩邊作為電流注入點和流出點。
[0012]依據(jù)上述主要特征，該回流通道通常設(shè)置在待測EUT安裝位置及其互連電纜敷設(shè)途徑、或蒙皮上有開口或縫隙位置的外部附近。
[0013]依據(jù)上述主要特征，組成該回流通道的金屬板或柵格距飛機表面< 0.45米，柵格彼此間距≤0.3米。
[0014]依據(jù)上述主要特征，該回流通道還包括一接地平面，該接地平面面積略大于飛機垂直投影輪廓，飛機置于此接地平面上并與之絕緣，自飛機電流流出點的注入電流通過回流通道與接地平面連接，最后返回電流源。
[0015]依據(jù)上述主要特征，飛機電流流出點與回流通道之間串接有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或電阻。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明通過在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，以較小的注入電流在飛機內(nèi)關(guān)注部位產(chǎn)生較強的電磁環(huán)境，從而解決了現(xiàn)有飛機全機高強度電磁輻照HIRF試驗成本較高，不易實施的問題。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0017]圖1為實施本發(fā)明的第一實施例的示意圖。
[0018]圖2與圖3為實施本發(fā)明的第二實施例的示意圖。
[0019]圖4為實施本發(fā)明的第三實施例的回流構(gòu)架配置方法理論的計算仿真結(jié)果示意圖。
【【具體實施方式】】
[0020]在具體實施時，飛機外部電磁環(huán)境安全裕度評估主要包括以下5個步驟:
[0021](1)確認受評估系統(tǒng)；
[0022](2)確定飛機外部電磁環(huán)境電平；
[0023](3)構(gòu)建與受試設(shè)備相關(guān)的回流構(gòu)架；
[0024](4)注入電流定標
[0025](a)低電平掃描輻照；
[0026](b)等價低電平表面電流注入。
[0027](5)高電平表面電流注入法符合性驗證測試。
[0028]上面試驗步驟中“構(gòu)建與受試設(shè)備相關(guān)的回流構(gòu)架”的目的是使對機身蒙皮直接注入的大電流在受試件處生成的機內(nèi)電磁環(huán)境，更容易與機外高電平輻照場的對應(yīng)等價，從而產(chǎn)生同樣的電磁效應(yīng)。
[0029]替代試驗中“建立與受試設(shè)備相關(guān)的回流構(gòu)架”是重要環(huán)節(jié)之一，構(gòu)架的大小、形狀、與飛機蒙皮的相對距離位置，都直接影響在飛機內(nèi)部產(chǎn)生規(guī)定電磁環(huán)境所需注入的電流大小。在本實施例中，可選擇機頭一垂尾端、機頭一左/右平尾端、機頭一左/右機翼端、機翼端一機翼端、重點部位兩邊作為電流注入點和流出點，具體如圖4所示。
[0030]本發(fā)明對此一點通過理論分析證明了回流構(gòu)架的配置原則，其重點是通過在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，以較小的注入電流在飛機內(nèi)關(guān)注部位產(chǎn)生較強的電磁環(huán)境。
[0031]電磁場耦合機理及媒質(zhì)中電磁場分布的研究給本發(fā)明的“構(gòu)建與受試設(shè)備相關(guān)的回流構(gòu)架”的技術(shù)方案提供了 2條重要理論依據(jù):
[0032]1.飛機外部電磁場在蒙皮外表面感生的表面電流，通過磁耦合在機內(nèi)附近導體(如機箱壁板或互連電纜)中進一步感生電流，其大小與附近蒙皮外表面電流成正比。
[0033]2.存在多個導電通道的情況下，電流具有自動調(diào)整其走向使電流環(huán)繞的面積最小(頻率越高環(huán)路面積越小)和環(huán)路阻抗最低的固有本性。
[0034]由此推出構(gòu)造注入飛機蒙皮電流回路的基本原則:希望蒙皮上哪里表面電流較強，就在其外部附近布置回流通道。這樣由依據(jù)2可知蒙皮上電流趨于分布在附近有回流導體的區(qū)域，因為只有這種分布電流才使電流環(huán)繞的面積最小和阻抗最低，而由依據(jù)I進一步有在緊鄰該蒙皮機內(nèi)附近導體兼感生較強電流，鄰近空間有較強電磁環(huán)境。
[0035]按此原則實施的好處顯然是可以較小的注入電流在飛機內(nèi)關(guān)注部位產(chǎn)生較強的電磁環(huán)境。飛機外部附近均勻布置的回流通道可使蒙皮表面電流均勻分布，呈現(xiàn)較好的“傳輸線”特性，因?qū)嵤┵M用和可行性，此方案更適用于小型飛機(如圖1示，容后詳述)。對于工程上受限的大型飛機多用接地平板作回流通道，在此基礎(chǔ)上再適當增加關(guān)注區(qū)域外部附近附加的局部回流通道構(gòu)架，使得機內(nèi)電磁環(huán)境進一步增強(如圖2和圖3所示，容后詳述)。此方案中一般的電流回流構(gòu)架布置方法為:
[0036](I)首先把飛機置于與之絕緣的面積略大于飛機垂直投影輪廓的接地平面上，這可使飛機腹部蒙皮上分布較強的表面電流，與飛行中遭遇的電磁干擾多來自于地面設(shè)施的情況一致；
[0037](2)其次在更受關(guān)注的飛機部位(往往是待測EUT安裝處及其互連電纜敷設(shè)途徑、或蒙皮上有開口 /縫隙處)的外部附近布置附加金屬回流通道(一般由距飛機表面< 0.45米的金屬板和/或柵格組成，柵格由彼此間距< 0.3米導體構(gòu)成)，來自飛機流出點的注入電流通過這些回流通道和/或接地平面，返回電流源。這就使關(guān)注部位飛機蒙皮上流經(jīng)更大的表面電流。
[0038](3)在機身的注入電流流出點與回流通道/接地平板/回流柵格之間串接適當?shù)淖杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)/電阻可提高電流注入效能。
[0039]實施例1:小型飛機回流通道配置方案
[0040]如圖1所示，在飛機外部罩上與飛機形狀相似并且分布均勻的導電柵格，流經(jīng)該導電柵格的返回電流通道可使飛機蒙皮表面電流均勻分布，并在飛機內(nèi)生成較均勻的電磁環(huán)境。由于整個回流通道呈現(xiàn)較好的“傳輸線”特性，有利于注入電流源的匹配。在機身的注入電流流出點與回流通道之間串接適當?shù)淖杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)/電阻可提高注入電流效能。一般金屬板和/或柵格距離飛機表面< 0.45米，柵格由彼此間距< 0.3米導體構(gòu)成，其中金屬板與柵格應(yīng)是可替代的，一般柵格較金屬板廉價、輕便且容易設(shè)置實施。
[0041]實施例2:大型飛機回流導體布置
[0042]如圖2所示，把飛機置于與之絕緣的面積大于飛機垂直投影輪廓的接地平面上，接地平面與機腹盡可能接近，使飛機腹部蒙皮上分布較強的表面電流，模擬飛行中遭遇的電磁干擾多來自于地面設(shè)施的情況。再在更受關(guān)注的飛機部位(往往是待測EUT安裝處及其互連電纜敷設(shè)途徑)的外部附近布置附加金屬回流通道(本圖中是在飛機垂尾兩側(cè))，來自飛機流出點的注入電流通過這些回流通道與接地平面連接，返回電流源，這可使飛機垂尾蒙皮上流經(jīng)更大的表面電流，使垂尾內(nèi)部的電磁環(huán)境適當增強。
[0043]圖3還示意出電流路徑:電流源輸出電流至選擇的飛機電流注入點，按電流環(huán)繞的面積最小和環(huán)路阻抗最低的原則自動調(diào)整其走向流過飛機蒙皮，經(jīng)飛機電流流出點通過匹配阻抗進入回流導體(一般由相互電氣連接的柵格、金屬板、接地平板等組成)，最后返回電流源。
[0044]以下是回流構(gòu)架配置原則的理論分析證明:
[0045]設(shè)任意形狀導電平板上方附近有一電源，其一端就近與平板連接，另一端通過貼近平板的一段導線與平板上任意另一點連接。平板中電流將沿什么路徑返回電源呢？
[0046]在形成電流回路過程瞬間，具有自感的導體會同時產(chǎn)生自感電動勢及相應(yīng)自感電流。據(jù)楞次定律該自感電流的效果總是反抗引起自感電流的原因，或從能量角度說自感電流總是反抗載流導體儲存磁場能量，即總是使電流回路最終儲存最少磁能。而任何載流導體(一段導線或?qū)Ь€環(huán)路)都因其固有自感特性儲存有磁場能量，能量的大小與導體自感量成正比，且導線環(huán)路的自感量一般與環(huán)路面積成正比。所以在這些電磁理論基本定律及導體固有特征的共同作用下，導電平板上的返回電流將自動沿著使回路面積最小的路徑流動，即導電平板上的返回電流最終趨于沿導線下方正投影路徑流動。再因為自感電動勢與電流變化率成正比，所以頻率越高電流回路面積越小。計算機仿真結(jié)果示意見圖4所示，可以看出隨著頻率增長，回流路徑越來越靠近導線，電流回路面積越來越小，并且直流時對應(yīng)最小電阻，聞頻時對應(yīng)最小阻抗。
[0047]至于“電流自動沿阻抗最小路徑流動”，由歐姆定律是顯而易見的，只是直流時考慮電阻最小，高頻時考慮最小阻抗(自感量起主導作用)，不再贅述。在上述的敘述中，“電流具有自動調(diào)整其走向使其環(huán)繞的面積最小和環(huán)路阻抗最低的固有本性”的兩種說法實質(zhì)是一樣的。
[0048]可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 在飛機表面選擇電流注入點和流出點； 在飛機內(nèi)關(guān)注區(qū)域?qū)?yīng)飛機蒙皮外部附近構(gòu)造附加注入電流的回流通道，其中該回流通道由金屬板和/或柵格組成； 電流源輸出電流至選擇的飛機電流注入點，電流按電流環(huán)繞的面積最小和環(huán)路阻抗最低的原則自動調(diào)整其走向流過飛機蒙皮，經(jīng)飛機電流流出點進入回流通道，最后返回電流源。
2.如權(quán)利要求1所述的飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于:可以選擇機頭一垂尾端、機頭一左/右平尾端、機頭一左/右機翼端、機翼端一機翼端、重點部位兩邊作為電流注入點和流出點。
3.如權(quán)利要求1所述的飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于:該回流通道通常設(shè)置在待測EUT安裝位置及其互連電纜敷設(shè)途徑、或蒙皮上有開口或縫隙位置的外部附近。
4.如權(quán)利要求1所述的飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于:組成該回流通道的金屬板或柵格距飛機表面< 0.45米，柵格彼此間距< 0.3米。
5.如權(quán)利要求1所述的飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于:該回流通道還包括一接地平面，該接地平面面積略大于飛機垂直投影輪廓，飛機置于此接地平面上并與之絕緣，自飛機電流流出點的注入電流通過回流通道與接地平面連接，最后返回電流源。
6.如權(quán)利要求1或5所述的飛機表面電流注入試驗中的回流通道設(shè)置方法，其特征在于:飛機電流流出點與回流通道之間串接有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或電阻。
【文檔編號】G01R31/00GK103616595SQ201310628758
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】方愔 申請人:中國航空無線電電子研究所