航空界应对电磁环境的挑战(RTCA DO-160)
摘要：近些年来，从系统的角度出发，电磁环境效应（E3）正逐步取代电磁兼容（EMC）成为电磁学工程领域的热门概念。本文以航空飞行器为对象，探讨应对电磁环境挑战的若干问题。
关键词：航空 EMI EMC E3 测试 统计 数据库 标准
随着半导体固态元器件的日益广泛的使用，在追求外形灵巧、功用齐全和性能卓越的理念的驱使下，电子设备的多样化、小型化、一体化和高速化趋势愈发明显，应用愈发普及，安装密集程度亦越来越高。由之带来的一个不争的事实是层出不穷的、防不胜防的电磁干扰（EMI）及其恶劣影响。一方面，工程技术人员在面对日趋复杂的工作任务时限于来自内外的种种束缚往往本能的专注于范围狭小的个别领域内，难以全面的系统的预见产品的电磁兼容（EMC）问题；竞争日趋激烈的市场对于产品研制交付周期的苛刻要求往往导致承制方为了节省时间、缩减成本和费用将EMC抛之脑后。另一方面，客户出于对切身的实际利益的忧虑在产品技术条件中提出了对产品EMI特性的控制要求，敦促承制方采取必要的有效的措施预防和解决各类潜在的和现实的EMC问题。
作为历史悠久的传统行业，航空业面临的EMC问题更为严重。尽管飞机、发动机和其它航空飞行器的制造厂商十分渴望将先进的电子和信息技术（IT）引入到产品中，以期达到减轻重量、节省空间、提升性能的目的。但是，从“EMC”的角度观察，由于系统内部安装了大量不同功能的数字和模拟电子设备，工作频带宽广、密集甚至交叠，发射设备功率大，接收设备灵敏度高，天线数量多且分布集中，EMC问题日趋复杂，研制工作由此承担了巨大的技术风险。
为了能够及时有效的处理和解决EMC问题，EMC工程体系应运而生。EMC工程体系，从功能角度划分主要包括EMC分析、EMC预测、EMC设计、EMC仿真、EMC测试、EMC评定等活动内容。到目前为止，验证和确认设备EMI特性的最终手段仍然是测试，无论从时间还是成本的角度观察，EMC测试都是EMC工程体系中最重要的一环。
传统的工程设计方法是：总体根据系统总技术条件针对各分系统提出分解后的性能指标要求。分系统在研制或生产过程中，主要考虑满足传统的功能性要求。而对系统的EMI特性的控制并没有真正纳入到工程设计流程当中，更谈不上控制指标的量化分配和优化体系。唯一可以依照的仅仅只是若干技术标准。除了照搬标准以外，对标准的剪裁相当粗陋甚至缺乏。当各分系统研制完成后开始系统集成和总体联调时，EMC问题才充分暴露，此时只能寄希望于后期的EMC加固，而工期的拖延和成本的急升难以避免，甚至系统的技术指标难以满足要求导致项目失败。
为解决传统方法在系统EMI特性控制方面的不足，有关专家学者提出了自上而下、全面量化的EMC预设计方法，从方案论证阶段就着手构建系统EMI特性控制的模型，以系统的安全性为基点，建立指标的量化、分配和优化体系，实现对指标的全寿命周期的动态控制，争取在系统设计定型前尽可能的发现和最大限度的解决EMC问题。
然而，该方法在实际运用的过程中仍然面临现实的难题——设计输入所须的经验数据的零乱和匮乏导致指标对“真实世界”的偏离。这直接归因于现有EMC工程体系在经验数据的采集、组织和整理方面的混乱状况。至少到目前为止，数据库与大多数工程项目还相距甚远。而离开了数据的支持和共享，EMC工程体系中的各个力量就如同无头苍蝇和一盘散沙，难以发挥合力，不可能成就伟大事业。只有将分散的工程力量集中联合起来，共享各自成果，业界才能及时跟上技术的快速发展变化，应对日益严峻的挑战。
而标准的制定和修订无疑可以看作业界合作发展的标志。很大程度上标准依赖于对不断更新的经验数据的有效统计分析。
在标准的制定和修订方面，国际航空界无疑有很好的范例，如RTCA/DO-160《机载设备环境条件与测试规程》，该标准是由RTCA 下属的SC135特别委员会起草制定的，基于同EUROCAE 的合作关系，RTCA/DO-160与EUROCAE/ED-14为同一标准，而且被ISO认作ISO7137的事实标准。DO-160的适用对象包括了所有的航空飞行器，从轻型到重型，从小型到大型，它提供了一整套实验室测试方法以判定被测对象在模拟的环境条件下是否满足规定的性能指标要求。目前，RTCA/DO-160已更新至E版本 。经常与DO-160一同被提及的还有DO-254《机载电子设备设计保障指南》和DO-178B《机载系统和设备鉴定中的软件审察》。RTCA/DO-160中的Section15-23和Section25专门涉及EMC，主要包括磁场效应、电源波动、电压尖峰、电源音频传导敏感度、感应信号敏感度、射频辐射／传导敏感度、射频辐射／传导发射、雷电感应瞬态敏感度、雷电直击效应、静电放电。其中的部分内容在很大程度上借鉴了MIL-STD-704和MIL-STD-461。但是值得关注的是，雷电和静电测试是DO-160中的特色内容，这两项测试充分考虑到了实际工作环境对于航空飞行器的影响。电磁环境效应（E3）的概念由此初露端倪。
E3概念的正式提出可以追溯到美国国防部于1997年发布的MIL-STD-464《系统电磁环境效应要求》 。一般的，电磁环境效应（E3）被定义为电磁环境（EME）对于暴露在其中的人员、设备、系统和搭载平台的安全和效能的影响。它涉及所有的电磁学领域，诸如电磁兼容（EMC），电磁干扰（EMI），电磁敏感度（EMV），电磁辐射危害（EMRADHAZ），电磁脉冲（EMP）以及雷电（Lightning）和静电（p-Static）等自然现象。
与传统的“电磁兼容”仅仅将视觉限制于特定的系统内部相比，“电磁环境效应”在保留了系统性的和对象性的特征的基础上强调从“系统”的角度识别其与“环境”的关系，是对“电磁兼容”的进一步拓展。
最新研制的航空飞行器普遍采用复合材料机身结构，如空中客车A380和波音787这样的先进大型民用喷气式客机。电磁环境效应日趋复杂。而系统的安全和可靠性要求也达到前所未有的水平。
现有的EMC工程体系将迎来新的变革，而首当其冲的是测试技术的改变。下面是一些目前研究的热点：
与气候、力学试验相结合的联合EMC测试技术。
EMC测试与预测分析的紧密结合。
HIRF测试技术。
雷电测试波形改进。
纵览EMC工程体系的发展演变，探究系统的真实EMI特性比起通过相关标准的测试更重要。而在这方面，航空界无疑走在了前列。
参考文献
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作者：中国航天科技集团公司第七○四研究所(航天704所) 蒋东焱,来源
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