航空电子设备间接雷电防护设计概述
摘 要：随着航空电子设备的大规模应用，飞机遭受间接雷击所产生的后果日益凸显。本文从雷电的产生讲到飞机遭受雷击的全过程，并根据间接雷击的特点，提出了间接雷击的设计要求、设计原则、设计方法。
关键词：雷电；瞬态敏感性；防护设计
引言
雷电是自然界中比较常见的自然现象，它对飞行安全存在巨大威胁，近年来雷电防护已经成为航空器设计中必须考虑的重要因素，然而雷电的特性复杂多变，给设计带来诸多困难。对于航空电子设备来说，间接雷击是其主要考虑的因素，本文主要针对航空电子设备的间接雷击防护展开论述。
1 雷电是如何产生的
大气层中不同湿度、不同密度、不同温度的气流互相摩擦运动，产生我们熟悉的雷电。当云层和大地之间或云层和云层之间电场强度大于1000kv/m时，空气会被电离，在它们中间形成一条导电的等离子体气流通道，这个通道的长度可达到数千米以上甚至更长，湿度极高的气体通过巨大的电流，会使通道上的气体快速膨胀，并产生耀眼的闪电和震耳欲聋的雷声。目前有关飞机雷电防护方面的研究主要以云-地雷电为主。其放电电流波形如图1所示。
2 飞机遭受雷击的危害及过程
2.1 飞机遭受雷击的危害
雷电产生的能量能够达到几百焦耳，其电流变化率高达到100A/us。随着大规模集成电路和数字设备的飞速发展，雷击成为影响飞行安全的一项重要原因。通常使飞机遭受灾难性事故只需要百万分之一焦耳的能量。因此在最近几十年来由于雷击所造成的灾难性事故时有发生，例如，1969年，美国阿波罗宇宙飞船在发射过程中被雷击击中，造成7名宇航员全部遇难。1988年，一架客机在越南曼谷上空遭受雷击，共有76人遇难，又如，1996年，在多美尼加，一架波音757客机遭雷击，13名机组人员和176名乘客无一生还。
据统计平均每天发生约800万次闪电，过去五十多年中年发生过十几起由于雷击引起灾难性事故，至少七百多人遇难。因此在民用航空器上防雷击设计已经作为一种强制要求。
2.2 飞机遭受雷击的过程
为了更好的对雷电危害进行防护，首先需要了解飞机遭受雷电袭击时的过程及特点，如图2所示。
飞机遭雷击的过程：雷电是自然界中比较长见的自然现象，由于受到温度、湿度、气压等条件的影响、飞机每次遭受雷击的情况都不尽相同，但人们通过大量的试验总结出了飞机遭受雷击的基本过程。
（1）附着过程：当飞机进入雷电区域时，飞机各突出部位逼近阶跃先导使其附近空气电离而产生闪流，飞机极端处会成为初始附着点，例如，空速管、机翼末端、平尾末端、垂尾末端。飞机每次被雷击中，至少会有两个或者两个以上的附着点。
（2）扫描闪击过程：雷电通道形成后，通常是稳定的，此时如果飞机进入雷电通路，飞机就成为雷电泄放通路的一部分。由于飞机高速飞行，飞机则与雷电通路形成相对运动，这就相当于雷电通路从前往后沿飞机表面掠过，这个过程就叫做扫描闪击过程。
（3）回击过程：与大地不同，飞机机体不能存储雷电泄放的大量电能，因此，雷电会在飞机的另一些些附着点放电，最终将电荷泄放到大地，在这个过程中通常会出现电流沿着相同的路径返回到飞机，我们称这种现象为回击。
（4）重复放电过程：放电路径形成后，另外一些带电云层会沿着相同的一条路径反复放电，这就是雷电的重复放电过程。
飞机遭受雷击通常可分为两种情况：直接雷击、间接雷击。
直接雷击是带电云层直接释放电荷所产生的超高电流、超高电压直接作用于飞机机体的过程，与之相对的是间接雷击，间接雷击是直接雷击放电过程同时产生的，通过电磁感应间接作用于飞机机体，又将电磁能量转化为电流、电压，二次作用于飞机机体的过程。这两种雷击特点不同，对于在飞机不同部位的不同设备，需要区别对待。例如，位于飞机突出部位的设备应主要考虑直接雷击效应的影响，而位于飞机蒙皮内部的电子设备则应主要考虑间接雷击效应的影响。
本文主要探讨航空电子设备遭受间接雷击的防护设计。
间接雷击防护的目标为：
遭受间接雷电效应后，不能够造成电子设备的物理损坏；遭受间接雷电效应后，不能够造成威胁到飞机和机上人员安全的影响、或者造成严重影响飞行任务的影响。
3 间接雷击防护的设计方法
在开始雷电防护设计前应先了解几个概念：
实际瞬态电平（ATL）：指间接雷电效应在电子设备端口处实际产生的瞬态电平。
瞬态控制电平（TCL）：指飞机总体设计者分配给飞机线路设计者用于指导线路设计的指标。
机载设备瞬态设计电平（ETDL）：指飞机总体设计者分配给航空电子设备设计者，用于控制电子设备所采用的电路类型或所采用的电路保护方式的设计指标，这个指标同时也是对设备进行合格审定试验时的试验电平。
敏感度电平：指会导致对电子设备产生干扰，或导致设备失效的瞬态电平。航空电子设备设计者应保证所生产的设备的敏感度电平高于指定的设备瞬态设计电平。
ETDL电平应比TCL电平高出一定余度，一般情况ETDL至少应高于TCL 6 dB。飞机系统中ATL、TCL与ETDL之间关系如图3所示。
飞机的雷电防护应从系统的角度出发，一方面应该通过优化布局、增加屏蔽、改变传输介质等手段降低瞬态控制电平，即降低系统对设备的雷电防护等级要求。另一方面，应通过优化雷电防护电路提高设备瞬态设计电平，以加大防护裕度。只有两方面均达到最优状态，才能获得尽可能高的安全防护等级。
3.1 雷击区域划分
3.2 飞机级间接雷电防护设计原则
飞机级间接雷电防护主要应该考虑如何降低瞬态控制电平TCL，为雷电防护争取更大的裕度。
a.完成同一功能的不同设备间采用独立非相似软、硬件，布置在飞机的不同位置，采用不同的线束铺设，同一数据可采用不同的数据源；b.设备间采用尽可能短的电缆连接；c.设备间采用屏蔽电缆传输电信号；d.设备与飞机主结构之间采用可靠的搭铁线连接；e.极易受到干扰的高频、高速信号采用光缆代替电缆传输。
3.3 设备级间接雷电防护设计原则
设备级间接雷电防护主要应该考虑如何提高设备瞬态设计电平ETDL，为雷电防护争取更大的裕度。
a.针对LRU接口特点设计瞬态电压抑制电路；如电源接口、数字信号接口、模拟信号接口、离散量信号接口等等；b.采用良好的搭接、接地、屏蔽、滤波等方法。
3.4 设备级雷电防护的设计步骤
本文主要针对设备级雷电防护展开讨论，设计的主要流程如下：
a.从飞机制造商那里获得设备瞬态设计电平要求（即与防雷相关的顶层要求）；b.参照DO-160环境标准中雷电相关准则，确定设备需要通过的试验类型和等级；c.存在异议的需求应与飞机制造商进行沟通，确定最终要求；d.进行雷电防护总体设计（机箱结构、电路防护）；e.机箱结构设计主要考虑机箱外形、材料、电磁屏蔽、所处位置等因素对箱内电路产生的影响；f.电路防护主要考虑屏蔽、接地、接口电路特性等因素；g.最终进行试验验证。
3.5 详细设计流程
雷电防护的详细设计应考虑结构和电路两方面内容，在总体设计中融入两方面的设计考虑：
结构设计方面：
a.尽量选取具有电磁屏蔽效能的材料作为机箱外壳；b.尽量将机箱设计成封闭结构；c.尽量减少机箱突出物；d.尽量将机箱布置在远离开口处、远离外蒙皮、远离飞机突出部分的位置；e.提供与飞机主结构良好的搭接。
电路设计方面：
a.将不同种类的输入输出信号进行分类；b.确定待保护电路的最高耐压；c.确定雷击等级，计算出瞬态功率；d.选择合适的雷电防护器件；e.确保保护电路的最高残压小于被保护电路的最高耐压；f.提供良好的雷电泄放通道。
3.6 间接雷电防护电路基本要求
a.快速响应：能以最快的速度泄放电流；b.性能可靠：长期使用后，尤其是多次遭受雷击后，保护能力没有明显变化；c.保护得力：能够在设计范围内，将过电压控制在后级能够承受的范围之内；d.良好兼容：雷电防护电路的存在，不能影响系统正常运行。
4 结束语
雷电防护设计是一个涉及到多个专业的系统工程，目前国内在航空电子设备间接雷电的防护方面还有很大差距，在民用飞机适航取证过程中，雷击防护是一个不可回避的问题。因此，还需在这方面投入更大的精力。文章中的一些观点吸收了前人的经验并结合本人在雷电防护设计过程中总结的一些经验，望批评指正。
参考文献
[1]陈海兵.民用飞机静电防护设计[J]科技信息，2012（3）.
[2]郭飞，周璧华，高成.飞机闪电间接效应数值仿真分析[J].电波科学学报，2012（6）.
[3]高成，宋双，郭永超，杨强.飞机雷击附着区域的划分仿真研究[J].电波科学学报，2012（6）.
[4]郝新德，吴卫华.雷击对飞机的影响及检查[J].科技视界，2012（3）.
[5]张勇，张越梅，房延志.飞机结构雷电防护试验符合性验证[J].航空科学技术，2012（2）.
[6]惠晓强，赵刚，杨宁.机载计算机雷电防护研究[J].航空计算技术，2011（1）.
[7]熊秀，骆立峰，范晓宇，王龙.飞机雷电直接效应防护试验标准与试验项目[A].中国仪器仪表学会，2010（5）.
[8]郭勇.飞行器雷电直接、间接效应试验研究[D].成都：电子科技大学，2007.
[9]王天顺，雷虹，李锋，解向军.飞机雷电防护设计与鉴定试验[J].飞机设计，2009（5）.
[10]孟莹.雷电间接效应对飞机机载设备的危害分析[A].中国航空学会，2006（7）.
作者简介：李然（1979-），男，汉族，河南洛阳人，在读硕士研究生，工程师，主要研究方向为识别与跟踪技术。