ICS 49.020 V 06
HB 8749-2023
民用飞机电气电子系统雷电间接效应防护
验证要求
Civil aircraft electrical and electronic systems lightning indirect effects
protection verify compliance requirements
2023-12-29 发布 2024-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国航空工业集团有限公司提出。
本文件由中国航空综合技术研究所归口。
本文件起草单位：中国航空综合技术研究所、航空工业第一飞机设计研究院、合肥航太电物理技术有限公司。
本文件主要起草人：王伟科、胡平道、刘卓、司晓亮、杨武、李志宝、买华。
民用飞机电气电子系统雷电间接效应防护验证要求
1 范围
本文件规定了民用飞机电气电子系统雷电间接效应防护的验证程序和要求。
本文件适用于民用飞机电气电子系统适航符合性验证。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
HB 6167A-2017 民用飞机机载设备环境条件和试验方法
HB 8454 民用飞机雷电防护分区布局要求
HB 8724-2023 民用飞机雷电试验方法
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
雷电放电 lightning flash
发生在云内、云间或云地之间， 由一个首次回击和后续回击组成，伴随有持续电流或中间电流的整个雷电过程。
3.2
雷击 lightning strike雷电对飞机的附着。
3.3
附着点 attachment point
雷电与飞机的接触点。
3.4
扫掠通道 swept channel
由飞机的运动引起的雷电在飞机上的多次附着而形成的路径。
3.5
回击 return stroke
当雷电先导接触到大地或接触到另一个电荷中心时产生的雷电电流浪涌。
3.6
多次回击 multiple stroke
一次雷电放电期间出现的两次或两次以上的雷电回击。
3.7
结构 IR 电压 structure IR voltage
由分布于飞机蒙皮或结构上的雷电电流(I)与蒙皮或结构电阻(R)的乘积所产生的感应电压。
3.8
外部环境 external environment
用于设计和验证的飞机外部自然雷电环境。
3.9
内部环境 internal environment
由外部环境在飞机内部产生的电磁场和结构 IR 电压。
3.10
直接效应 direct effects
当雷电电弧附着时伴随产生的高温、高压冲击波和电磁能量对结构所造成的燃烧、熔蚀、爆炸、结构畸变和强度降低等效应。
3.11
间接效应 indirect effects
当雷电放电时伴随产生的强电磁脉冲感应引起的过电压或过电流对系统电气电子分系统和设备所造成的损坏或干扰。
3.12
多重脉冲组 multiple burst
由持续时间短、低幅度的电流脉冲组成的一系列间隔随机的脉冲组。
注：其中所有的电流脉冲均具有较高的变化率(即高 di/dt 值)，这些脉冲组由雷电先导的形成或分支所引起，并与
云间及云内的雷电放电有关。
3.13
实际瞬态电平(ATL) actual transient level
由于外部环境作用而出现在设备接口电路中的瞬态电压或瞬态电流的电平。
3.14
设备瞬态设计电平(ETDL) equipment transient design level
设备合格鉴定时所使用的瞬态信号峰值。
3.15
瞬态控制电平(TCL) transient control level
根据规定的外部环境确定的在设备接口电路上允许出现的最大瞬态电平。
3.16
裕度 margin
设备瞬态设计电平与实际瞬态电平之间的差值。
4 符合性验证步骤
4.1 概述
飞机电气电子系统雷电间接效应符合性验证，主要包括以下所述的 7 个步骤：
a) 确认被评估的系统;
b) 确定飞机雷击区域;
c) 确定飞机每个雷击区域的雷电环境;
d) 确定与系统相关的雷电瞬态环境;
e) 确定 ETDL 和飞机 ATL;
f) 验证符合性;
g) 如果需要，采取改进措施。
4.2 确认被评估的系统
4.2.1 一般要求
确认需要进行雷电间接效应评估的飞机系统，并考虑所有与雷电间接效应相关的系统故障以及这些故障可能对飞机造成的不利影响。雷击间接效应的评估应考虑雷电对飞机及其系统安全性的影响程度，具体应包括：
a) 所有正常的飞机工作模式、飞行阶段、工作状态;
b) 所有与雷电间接效应相关的失效状态及其对飞机运行和机组人员产生的后续影响。
4.2.2 安全性评估
应对雷电产生的间接效应进行安全性评估，以确定系统的失效状态。同时， 根据安全性评估确定的失效状态类别，为系统指定合适的雷电间接效应验证等级。安全性评估确定基于失效状态的分类， 系统将被指定适当的雷电间接效应验证等级，如表 1 所示。
4.2.3 失效条件
安全性评估表明某些系统在不同的飞行阶段具有不同的失效状态。因此， 对于不同的飞行阶段可能需要使用不同的雷电防护要求。例如， 自动飞行控制系统在着陆阶段可能处于灾难性的失效状态，然而当自动飞行控制系统运行在巡航状态时可能处于危险的失效状态。
4.3 确定飞机雷击区域
雷击区域划分的目的是确定飞机上可能遭受雷电通道附着的区域和雷击附着点间可能传导雷电电流的结构。由于雷击的区域划分主要由飞机的几何结构、材料和使用因素决定， 因此应根据飞机的形状确定雷击附着区域。雷电附着区域通常会随着飞机类型的改变而变化。
表 1 雷电失效状态和验证等级
4.4 确定飞机每个雷击区域的雷电环境
HB 8454 中规定的区域 1 和区域 2 确定了雷电可能的附着区域和流经飞机电流的流入和流出点。应确定作用于这些区域的相关电压波形和电流分量。按照分区定义， 区域 3 主要传输初始(或扫掠)附着点之间的雷电电流，该区域中包含所有的电流分量。因此， 可将区域 3 的电流电平作为外部环境来进行设计和分析。外部雷电环境具有以下特点：
a) 由雷电放电与飞机外部的相互作用引起;
b) 由飞机表面的雷电电流分量的复合波形组成。
4.5 确定与系统相关的雷电瞬态环境
飞机电子电气系统的雷电环境主要由流过飞机的雷电电流产生的电压和电流组成。出现在系统线缆接口上的电压和电流主要是由孔缝耦合、结构 IR 电压或直接附着到设备而形成的传导电流引起。
根据线缆束电流，或出现在系统线缆和设备接口电路上的开路电压和短路电流来确定雷电感应瞬态。电压和电流瞬态的波形和幅度取决于系统及其互连线缆的回路电阻。
4.6 确定 ETDL 和飞机 ATL
ETDL 和飞机 ATL 的确定应遵循以下原则：
a) 确认并指定被评估系统中电气和电子设备的 ETDL。ETDL 决定了系统或设备验证试验的等级，同时系统和设备必需能够经受其规定的电压与电流的幅值和波形，而不会产生不利影响。对于某个特定的系统，ETDL 取决于系统和线缆在飞机上的预期安装位置、线缆束和结构的屏蔽性能，以及系统的关键程度。
b) ATL 为飞机暴露于雷电环境时，在飞机线缆上实际产生的电压和电流的幅度和波形，该电平可通过整机试验、分析或相似性的方法确定。应对飞机、互联线缆和设备防护进行评估， 以确定最有效的 ETDL 和 ATL 组合，以及可接受的安全裕度。安全裕度为 ETDL 与 ATL 之差，具体关系见图 1。
c) 通常在通过雷电试验或分析来确定飞机 ATL 之前规定 ETDL。预期的飞机感应瞬态必须基于现有飞机的雷电试验结果、工程分析或经验预计。预期的飞机雷电瞬态电平称之为 TCL，其电压和电流的幅度和波形的确定主要基于预期在飞机特定区域内线缆上产生的雷电感应瞬态。 TCL 应大于或等于预期的飞机 ATL 的最大值。某一特定线缆束上的 TCL 取决于飞机、线缆束和线缆束安装的布置。飞机雷电防护的设计应满足规定的 TCL 要求。
图 1 瞬态电平之间的关系
4.7 验证符合性
对系统的符合性验证应按照下列要求进行：
a) 应证明系统符合适航规章中的相关要求;
b) 应证明 ETDL 与 ATL 的差值能够超出验证计划中确定的安全裕度;
c) 可通过试验、分析或证明与已获得认证飞机和系统的相似性的方法来完成验证。 A 级系统的验证程序见 5.1，B 和 C 级系统的验证程序见 5.2;
d) 应在验证程序初期提交验证计划给适航当局进行审查。验证计划中应规定可行的方法来解决验证过程中出现的关键问题。验证过程中的分析报告和试验结果可作为设计和验证方法的修改依据。必需进行重大改变时，应相应地对验证计划进行更新。验证计划包括的内容见表 2。
表 2 雷电验证计划中包含的项目
4.8 改进措施
当试验和分析表明系统不能满足合格判据时，检查飞机、安装或系统的设计， 并对雷电防护措施加以改进。
5 验证程序
5.1 A 级系统符合性验证程序
5.1.1 A 级系统确认
A 级系统确认应按照下列要求进行：
a) 按照 4.2 中的内容确认 A 级系统;
b) 确定详细的系统性能合格判据，判据应在开展 A 级系统试验和分析前取得认证机构的同意;
c) 确认与每个 A 级系统相关的设备、部件、传感器、供电系统和线缆;
d) 按照图 2 所示的验证程序验证 A 级系统与适航规章相关要求的符合性。
图 2 A 级系统符合性验证程序
5.1.2 确定系统 ETDL
5.1.2.1 A 级系统 ETDL 确定
根据系统安装、结构和线缆布设， 评估预期的雷电感应瞬态幅度和波形，确定系统的 ETDL。确定的 ETDL 应超出 ATL 可接受的安全裕度。通常，复杂系统中设备的 ETDL 与系统中其他设备的 ETDL会有所不同。可以使用现有同类飞机雷电试验结果、工程分析或经验预计的方法来确定系统的 ETDL。另外，飞机的结构外形和系统的安装可能导致 ETDL 的幅度和波形与 HB 6167A-2017 中第 24 部分的规定不同。
5.1.2.2 A 级显示系统 ETDL 确定(可选)
A 级显示系统 ETDL 的确定可按照下列要求进行：
a) 在不进行具体的飞机试验和分析的情况下，可通过本节的内容选择 A 级显示系统的 ETDL。
A 级显示系统通常包括：显示器、符号生成器、数据集中分配器、各种传感器(例如姿态、飞行数据和航向)、互联线缆以及相关的控制面板;
b) 本方法对其他的 A 级系统(例如控制系统)不适用。由于这些系统的失效和故障可能会比显示系统失效和故障更加直接和突然，以致引发灾难性的故障事件，因此其他 A 级系统需要更加严格的雷电瞬态符合性验证程序;
c) 应使用表 3 中的信息来评估飞机和系统安装的特征，为系统选择适当的 ETDL。表 3 根据HB 6167A-2017 第 24 部分中表 24-2 和表 24-3 规定了 ETDL 的试验电平等级。当使用表 3提供的信息选择 ETDL 时，选择的 ETDL 中应包含显示系统上预期的 ATL 和安全裕度。
表 3 A 级显示系统 ETDL 确定
5.1.3 确定飞机 ATL
5.1.3.1 通过全机试验确定 ATL
依据 HB 8724-2023 中的全机雷电间接效应试验方法确定系统的 ATL。
5.1.3.2 通过分析确定 ATL
可通过仿真计算的方法分析确定飞机实际瞬态电平。分析方法是否被认可主要取决于方法的准确性。应使用试验数据来证明分析方法的准确性，并且分析方法应获得认证机构的同意。
5.1.3.3 通过相似性确定 ATL
通过相似性确定 ATL 时应遵循以下原则：
a) 在满足以下条件时，可通过相似性来确定 ATL：
1) 需要认证的飞机和系统设备与已获得认证的飞机和系统设备之间的差别较小;
2) 已获得认证的飞机在服役过程中没有尚未解决的与雷击有关的问题。
b) 如果发现有明显差异，并可能影响飞机 ATL，则应通过试验和分析以解决存在的问题;
c) 为使用相似性法，应对飞机、电线和系统安装的差异进行评估， 这些差异会对系统敏感度产生不利影响。当评估一个新设备时，要考虑其对飞机内部雷电环境的影响和对系统影响的差异。具体的评估应包含：
1) 飞机类型、设备位置、机身结构、结构材料和可能影响外部雷电环境减弱的空隙;
2) 系统线缆的尺寸、长度和布设， 线缆类型(平行或双绞线)、连接器、线缆屏蔽层以及屏蔽层的端接方法;
3) 雷电防护设备，例如瞬态抑制器和避雷器;
4) 接地和搭接。
d) 不允许对新研飞机的新系统使用相似性法。
5.1.4 系统 ETDL 验证
5.1.4.1 通过系统试验验证系统的 ETDL
通过系统试验验证系统的 ETDL 时应遵循以下原则：
a) 应确认与进行 ETDL 验证试验的 A 级系统相关联的设备、组件、传感器、供电系统和布线，要重点考虑其故障会导致灾难性故障后果的系统功能。对于复杂的 A 级系统，系统配置可能包括冗余设备、多路电源、多个传感器和执行机构，以及复杂的线缆束。确定用于 ETDL 验证试验的系统配置，并且确定的系统配置应获得认证机构的批准;
b) 应在系统线缆束上通过单次回击、多次回击和多重脉冲组试验来验证 ETDL。试验应使用确定的 ETDL 波形组和试验电平，试验期间系统功能性能应符合规定的合格判据。在使用确定的ETDL 进行系统电缆束试验或单次回击引脚注入试验时没有发生设备损坏现象;
c) 应对试验期间所有观察到的系统影响进行评估， 以确保其不会对系统的继续运行产生不利影响。应对 A 级系统的性能进行评估，因为其功能失效或故障将会导致飞机无法继续安全飞行和着陆。评估结果必须得到认证机构的认可。
5.1.4.2 通过现有的系统数据(相似性)验证系统的 ETDL
通过相似性验证系统的 ETDL 时应遵循以下原则：
a) 可根据与已获得认证的系统的相似性来验证 ETDL，并且不需要再次进行试验。使用这种方法
需满足以下条件：
1) 要认证的系统和安装与已获得认证的系统和安装之间差别很小;
2) 已获得认证的系统在服役过程中没有尚未解决的与雷击有关的问题;
3) 已获得认证的系统 ETDL 是通过试验验证的。
b) 为使用相似性法，应对已获得认证的系统和安装与需要认证的系统和安装之间的差别进行评估，这些差别会对系统敏感度产生不利影响。评估的内容应包括：
1) 系统接口电路;
2) 线缆尺寸、布设、线缆类型(平行线或双绞线)、连接器类型、线缆屏蔽层以及屏蔽层的端接方法;
3) 雷电防护设备，例如瞬态抑制器和避雷器;
4) 接地和搭接;
5) 系统软件、系统固件和系统硬件。
c) 如果不确定其中的差异会如何影响系统和安装，应通过试验和分析解决存在的问题;
d) 应对所有系统进行评估，即使使用的设备和安装方法已经通过了认证批准;
e) 不允许对新研飞机的新系统使用相似性法。
5.1.5 验证系统符合性
应将被认证系统的 ETDL 和飞机 ATL 进行比较，并确定 ETDL 和 ATL 之间的安全裕度是否可接受。安全裕度可以说明验证方法中的不确定性。随着验证方法置信度的增加， 可以降低安全裕度要求。对于A 级系统，ETDL 与 ATL 的差值应不小于 6dB。对于 A 级显示系统，由于其 ETDL 是根据表 3 来确定的，因此在选择的 ETDL 中已包含了可接受的安全裕度。对于其他验证方法，其安全裕度应得到认证机构的同意。
5.1.6 改进措施
当系统未能达到认证的要求，应采取改进措施。对于飞机、系统安装或设备做出的改变或改进， 可能需要再次试验和分析。
为达到认证要求，可能需要重新进行设备合格验证试验，或飞机试验和分析(整体或部分)。也可能需要改进系统或安装以通过认证。应与飞机认证机构一起对这些改变或改进进行检查，以确定其是否重要。如果这些改变或改进很重要， 则应相应的更新雷电认证计划。更新的认证计划应重新提交认证机构审查。
5.2 B 级和C 级系统符合性验证程序
5.2.1 B 级和C 级系统确认
B 级和 C 级系统确认应按照下列要求进行：
a) 按照 4.2 的内容确认 B 级和 C 级系统;
b) 确定详细的系统性能合格判据，合格判据应在开展 B 级和 C 级系统试验和分析前取得认证机构的同意;
c) 按照图 3 所示的验证程序来验证 B 级和 C 级系统与适航规章相关要求的符合性。
图 3 B 级和C 级系统符合性验证程序
5.2.2 确定系统 ETDL
B 级和 C 级系统 ETDL 的确定应按照下列要求进行：
a) 可使用为 A 级系统而进行的飞机试验或分析中确定的 ATL 来为 B 级和 C 级系统确定适当的ETDL;
b) 也可使用 HB 6167A-2017 中第 24 部分的定义来为 B 级和 C 级系统选择适当的ETDL。在选择适用的等级时应该考虑以下内容：
1) 大部分 B 级系统选用 HB 6167A-2017 中第 24 部分规定的试验电平等级 3;
2) 对于安装在具有严酷雷电瞬态飞机区域内的 B 级系统及其线缆，根据环境选用 HB 6167A - 2017 中第 24 部分规定的试验电平等级 4 或试验电平等级 5。具有更严酷雷电瞬态的飞机区域有主要包括：机身外部区域，复合材料结构屏蔽效果较差的区域，以及其他开放区域;
3) 大部分 C 级系统选用 HB 6167A-2017 中第 24 部分规定的试验电平等级 2;
4) 对于安装在具有严酷雷电瞬态飞机区域内的 C 级系统，选用 HB 6167A-2017 中第 24 部分规定的试验电平等级 3。具有更严酷雷电瞬态的飞机区域有主要包括：机身外部区域，复合材料结构屏蔽效果较差的区域，以及其他开放区域;
5) 应向认证机构提供飞机和系统安装特性的说明，以证明为系统选择的试验电平等级的合理性。
5.2.3 系统 ETDL 验证
5.2.3.1 通过设备试验验证系统 ETDL
通过系统试验验证系统的 ETDL 时应遵循以下原则：
a) 应使用确定的试验电平等级和单次回击、多次回击和多重脉冲组来开展设备验证试验。试验期间设备功能性能应符合规定的合格判据。在使用规定的 ETDL 进行引脚注入单次回击试验时没有发生设备损坏现象。试验程序和波形组定义见 HB 6167A-2017 中第 24 部分;
b) 应对试验期间所有观察到的系统影响进行评估，以确保其不会对系统的持续运行产生不利影响。评估结果必须得到认证机构的认可;
c) 如果分析表明设备对于功能失常不敏感，或设备对于功能失常是敏感的但存在复位功能，系统能够及时恢复，则可不进行多次回击和多重脉冲组试验。
5.2.3.2 通过现有的设备数据(相似性)验证系统的 ETDL
通过相似性验证系统的 ETDL 时应遵循以下原则：
a) 可根据与已获得认证的系统的相似性来验证 ETDL，并且不需要再次进行试验。使用这种方法需满足以下条件：
1) 需要认证的系统和安装与已获得认证的系统和安装之间差别很小;
2) 已获得认证的系统在服役过程中没有尚未解决的与雷击有关的问题;
3) 已获得认证的系统的 ETDL 是通过试验验证的。
b) 为使用相似性法，应对已获得认证的系统和安装与需要认证的系统和安装之间的差别进行评估，这些差别会对系统敏感度产生不利影响。评估的内容应包括：
1) 系统接口电路;
2) 线缆尺寸、布设、线缆类型(平行线或双绞线)、连接器类型、线缆屏蔽层以及屏蔽层的端接方法;
3) 雷电防护设备，例如瞬态抑制器和避雷器;
4) 接地和搭接;
5) 系统软件、系统固件和系统硬件。
c) 如果不确定其中的差异会如何影响系统和安装，应通过试验和分析解决存在的问题。
5.2.4 验证符合性
在使用选定的系统 ETDL 进行验证试验时，B 级系统和 C 级系统应符合规定的合格判据。
5.2.5 改进措施
当系统未能达到认证要求，应采取改进措施。对于飞机、系统安装或设备做出的改变或改进， 可能需要再次试验和分析。应与飞机认证机构一起对这些改变或改进进行检查，以确定其是否重要。如果这些改变或改进很重要，则应相应的更新雷电防护认证计划，更新的认证计划应重新提交认证机构审查。
6 维护和监控
飞机电气电子系统的维护和监控应按下列要求进行：
a) 应在持续适航文件中确认飞机电气电子系统的最低维护要求。应规定周期性和有前提条件的维护和雷电防护装置或部件监控要求，以确保飞机服役期间具有可接受的防护性能。应避免使用由于腐蚀、磨损、挠曲循环或其他原因使性能可能随时间降低的装置或部件， 并应标明检查或更换这些装置的时间;
b) 应规定相应的检查方法和时间间隔，以确定飞机和系统雷电防护在服役期间仍然有效。同时，标明自检设备、电阻测量、整个系统的连续性检查或其他方法，以周期性的确定系统完整性。
