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机电系统电磁干扰机理分析及抑制措施

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：王文岐1 王正2 杨妍3

[导读] 飞机机电系统的正常运行主要依赖于电力发电原理，根据其结构模型的特点，在实际运行的过程中，会出现一些电磁干扰的现象，一般在飞机的机电系统中，会根据不同设备的重要性，将电磁干扰方面的影响进行预防抑制，保证飞机在正常飞行的时候，不会因为电磁干扰影响飞机的飞行状态。本文就机电系统电磁干扰机理和抑制措施进行简要分析，以供参考。

陕西飞机工业有限责任公司王文岐1 王正2 杨妍3 陕西汉中 723000

摘要：飞机机电系统的正常运行主要依赖于电力发电原理，根据其结构模型的特点，在实际运行的过程中，会出现一些电磁干扰的现象，一般在飞机的机电系统中，会根据不同设备的重要性，将电磁干扰方面的影响进行预防抑制，保证飞机在正常飞行的时候，不会因为电磁干扰影响飞机的飞行状态。本文就机电系统电磁干扰机理和抑制措施进行简要分析，以供参考。
关键词：机电系统；电磁干扰；机理；抑制措施
        引言
        飞机机电系统是保障飞机各项功能发挥的必要条件和基础条件，机电系统技术水平的高低直接影响到飞机的整体性能，同时对飞机的可靠性、经济性、安全性产生重要影响。而机电系统受到了电磁干扰的严重影响，只有加强这方面研究，并采取相应的抑制措施，在改善飞行品质，提高飞行性能、安全性、舒适性、可靠性和维修性的同时，也降低了燃油消耗和维修成本。
        1干扰的概念
        所谓的干扰，从其字面理解就是会导致系统无法稳定、正常运动的不良因素，可能存在系统内部，也可能存在系统外部。从广义上看，会干扰到机电一体化系统稳定、正常运行的因素有很多，比如电磁干扰、湿度干扰、震动干扰等，而这些干扰因素中，最常见、最难以控制的就是电磁干扰，且该种干扰因素对系统的影响最大，并不是通过物理等方式能够有效解决的，是无处不在又无法消灭的。
        针对电磁干扰，主要是指在人们的日常生活和工作中，受周边因素影响，会出现各种与有用信号没有关联的，甚至可能对运行系统或信号传输产生威胁的电气变化现象。在电磁干扰下，信号的数据会出现瞬态变化，进而导致误差增强，甚至会出现影响判断的假象，严重的可能导致整个系统崩坏[1]。
        除此以外，任何的干扰都是有迹可循的，大多干扰的源头都是源自电子系统内部或外部。比如电子系统的内部噪声信号，其频率越高越容易形成电子系统的内部干扰；又如，机电系统周围的大功率电子设备，这些设备所散发出的信号就可能对机电系统正常运行产生影响。通常而言，干扰源是客观存在的，并不是刻意为之，因此为了机电系统能够正常工作，就需要注重抗干扰设计。
        2电磁干扰机理及危害性分析
        2.1电磁干扰机理分析　　
        电磁干扰的出现一般会满足三个必要条件；电磁干扰源、耦合途径、敏感设备。这三种条件的会直接影响机电系统的电磁干扰情况，引起设备以及传输通道，或者机电系统的整体性能的下降。在实际的运行过程中，电磁干扰源指的是引起机电系统的设备和器件，或者整体系统出现干扰现象的源头。耦合途径指的是干扰源耦合能量到敏感设备之间的途径，这一途径会帮助干扰能量的传导，也会通过辐射的方式进行干扰。而敏感设备则是指飞机机电设备中较容易被电磁干扰的设备。
       而在电磁干扰中，也会出现不同类型的干扰源，具体分为自然干扰源、人为干扰源、系统内部的干扰源。一般在自然干扰源中，主要对飞机机电系统产生干扰的内容有：大气噪声、太阳噪声、宇宙噪声、静电放电效果。人为干扰源的内容则较为广泛，通常会包括广播、电视、通信、雷达、导航等发射和接收设备、高频设备、电力设备等等[2]。而系统内部的干扰源则体现在导线干扰、电源干扰、振荡电路干扰、开关器件干扰等方面。诸多因素产生的干扰源都会对飞机机电系统产生电磁干扰影响。
        2.2电磁干扰产生的危害形势　　
        现代飞机的常用机电系统中，控制部分的基础构件大多是由专用集成电路和微处理器组合而成，在外部的装置中设有传感器、信号处理电路等装备。在实际的运行过程中，这些设备自身会形成辐射磁场，对于飞机的机电系统来讲，这些磁场的形成会对整体飞机的运行造成一定的电磁干扰，同时，这些设备又对其他的电磁干扰会产生反应，如果在安装的过程中，没有做好防护措施，那么在实际运行时，飞机将会面临系统瘫痪的现象，严重时会直接造成设备的损坏，导致飞机机电系统完全无法运行。
        一般在电磁干扰下会出现以下几种危害形式：第一，内部电子线路以及元器的误动作引起的电磁干扰。第二，内部的信号在传输的过程中出现失真现象或者信号传输错误现象。第三，在机电系统的内部电磁敏感电路或者微电子构件出现过热现象，导致局部设备出现热损伤或直接烧坏现象。第四，在设备外壳的表面出现静电磁场，造成内部电路元器的电路失效，或者被传导介质击穿现象[3]。第五，高频开关电源产生的火花或电弧放电的现象，导致机电系统内部构件损坏，设备出现故障。
        3飞机电磁干扰类型
        3.1机载干扰源
        在飞机运行的过程中，飞机上的电动机、继电器开关和航空计算机处理系统之间都会产生电磁干扰，较为常见的就是电源线会产生电磁场，而航空计算机和一些控制器的电路将会产生高频信号，从而让飞机在进行高低调整的过程中产生一定的干扰，同时在打开或者关闭飞机上的照明设备和电扇发动机等设备时所产生的电弧会直接影响到飞机敏感设备的运作[4]。
        3.2自然干扰源
        自然干扰源主要指的是在飞机运行过程中所发生的一些自然现象，从而对飞机的运行系统造成电磁性干扰，例如：较为典型的就是电磁噪声，电磁噪声主要分为大气、太阳、宇宙噪声，还有一些自然现象与物等都会通过静电发电来造成电磁干扰，自然干扰源的现象发生较为复杂，随着我国高科技技术等在飞机建设领域中的应用，自然现象对飞机所产生的干扰影响几乎可以忽略不计，但是闪电却能够在一定的时间内产生巨大的电流，不利于飞机的平稳运行。
        3.3人为干扰源
        在飞机运行过程中所受到的人为电磁干扰，主要是分为飞机外部和内部的不同电磁干扰，外部的电磁干扰主要包括地面的无线电发射机，如雷达、导航等无线通讯设备等等，这些都是有人为因素所引起的电磁干扰，内部的电磁干扰主要包括乘客在飞机上使用电子设备，飞机想要在复杂的电磁干扰环境下保持平稳飞行，就需要飞机所运用的机载电子设备，具有很强的抗电磁干扰能力，从而在自身运作的过程中，不会影响到飞机的其他设备。
        4电磁干扰的抑制措施　　
        针对现阶段产生的不同类型的电磁干扰，以及飞机自身的机电系统特点，对机电系统在设计阶段，以及后期的维护阶段的电磁干扰抑制措施进行细致的阐述，从机电系统的硬件设备和软件设备两方面进行考虑，保证机电系统正常运行的同时，提升其抗干扰能力。
        4.1硬件设备的抗干扰转抑制措施　　
        一般在硬件设备进行抗干扰装置的设置时，会通过不同的电磁干扰进行技术的调整，通常采用的技术有：滤波技术、隔离技术、屏蔽技术、接地技术、在滤波技术中，采用的方式一般是切断干扰信号的沿线信号线或者电源线，抑制其传播的途径，通过安装滤波器的方式，将电路中可能出现的电磁干扰进行过滤。　　而隔离技术则是将容易受到干扰的电路与其他部分进行隔离，避免直接发生电气联系，切断电磁干扰的耦合途径。实际进行隔离时，一般会对强弱电进行隔离，通过不同的变压器和隔离器等设备的安装实现干扰信号的切断。屏蔽技术与前两者的差别在于，其主要抑制的电磁干扰是在沿空间的辐射传播，原理是通过金属屏蔽体在实现电磁波的反射和吸收，通常采用的措施会根据电磁频率的不同来进行屏蔽装置。
        4.2软件的抗干扰技术　　
        软件的抗干扰技术灵活且成本较低，现阶段大多飞机在装置的过程中，对于软件的抗干扰技术逐渐重视起来。一般在实际应用时，主要包括数字滤波技术、软件冗余技术以及“看门狗”技术。前两者通过过滤耦合途径的方式进行电磁干扰的抑制效果，而“看门狗”技术主要则是帮助监控飞机机电系统的运行状态，保证干扰源不会影响飞机的正常运行。
        5电磁兼容预设计
        5.1方法论
        按照自顶向下的原则，对全机系统的电磁兼容指标进行量化分配及优化，从而在论证阶段实现对飞机各子系统的设备以及天线布局设计以及电磁兼容指标的分配调整，并对全机系统电磁兼容性能进行综合性的评价分析，确保电子战飞机的电磁兼容性能能够达到预期标准。
        5.2构建传输模型
        对各发射设备、接收设备以及等效辐射源、等效敏感设备等进行编号标记，并根据辐射设备与敏感设备耦合功率、频带范围、带内外特征、各调制信号条件下的敏感设备响应函数以及敏感设备和辐射源间隔离度等各项参数来进行计算，以确定机载辐射源与敏感设备耦合端口的信号功率[5]。
        5.3构建受扰关联矩阵
        由于敏感设备与辐射源间存在隔离度相对应的特点，同时具有功率传输函数特种，因此在对敏感设备的安全性进行分析时可以将隔离度作为矩阵单元来进行设备受扰关联矩阵的构建。在构建子矩阵时则应结合收发天线特征、天线之间的具体电尺寸和极化匹配以及其在飞机表面位置和相互遮挡情况等要素来进行天线端口间能量传输隔离计算。在对隔离度进行工程计算时，还应根据收发天线与对方场区之间的位置关系来选择相应的计算公式。在确定绕射衰减以及遮挡衰减参数时应根据几何绕射等理论来合理解算[6]。此外还应结合发射功率、频率函数、接收抑制量、发射以及接收馈线损耗、敏感设备安全裕度值、信噪比以及灵敏度设计值等参数来确定在保证电磁兼容性条件下的隔离度值。
        5.4优化电磁兼容指标分配
        5.4.1分解全机电磁兼容指标
        评价电子战飞机系统的电磁兼容性时应根据设计方案初步论证阶段的设想合理布局全机系统设备以及天线，并要对敏感设备以及辐射源进行编号记录。然后应对敏感点到辐射源之间的场路能量传输关系进行分析，并进行受扰关联矩阵的构建。在分别全机系统电磁兼容性指标时应对可能对系统电磁兼容性造成影响的各种因素进行全面的综合性分析，以达到科学分解系统兼容指标的目的。一般在分别电磁兼容指标时应对敏感点以及辐射源间的发射功率和带外衰减、频率指配以及天线布局进行分解。同时还应分别其接收信噪比、灵敏度以及带外抑制。此外，在预设计过程中还应对设备布局、安全裕度及其降级可容忍、优先安全级别、飞机舱体谐振和电磁分布特点以及所有电缆布设等各项设计参数进行分解。
        5.4.2 优化量化指标
        结合全机系统电磁兼容评价数据对量化指标进行分配调整，同时在调整后还应对系统电磁兼容性再次进行评价分析，并重复这一过程直至完成全机电磁兼容设备。在预设计过程中，应按照国军标对指标分配不断进行优化，配合开展试验对全机电磁兼容进行检测分析，交互修正试验分析数据，通过反复迭代方式确保电磁兼容分析科学准确，从而使电子战飞机全机系统在各设计状态下均能够实现较好的电磁兼容。
        5.4.3 电磁兼容质量管理控制策略
        在大量试验、统计和分析的基础上的，把产品电磁兼容质量有关的各项工作以产品电磁兼容设计为主线贯穿起来，并采取分阶段、分层次的管理控制策略，如图1所示。

        图1   机载电磁兼容质量管理规范体系
        结束语
        总而言之，飞机在现代社会中的重要性逐渐增加，面对飞机内部和外部的复杂电磁环境，要保证飞机的正常运行，还需要专业人员对可能产生的一系列电磁干扰做出更有效的预防措施，从而帮助飞机的发展走向更高层次。
参考文献
[1]刘洪波，边娣，孙黎，运泽健，李尧.交直流混联系统机电—电磁暂态混合仿真研究[J].电力系统保护与控制，2019，47(17):39-47.
[2]冯澍.提升地面雷达机电系统安全运行的研究[J].电子世界，2019(09):128-129.
[3]谭炜东.电力系统机电暂态电磁暂态并行计算方法研究[D].三峡大学，2019.
[4]关雪梅，郝秀红.机电集成电磁蜗杆传动机械系统灵敏度分析[J].燕山大学学报，2019，43(02):133-138.
[5]林司晅.变频调速机电系统运行特性及安全性分析[D].华北电力大学（北京），2019.
[6]倪笑宇，罗明宇，陈璐斌，孙东武，赵莹莹.航空用机电作动系统电磁离合器的设计研究[J].无线互联科技，2019，16(01):63-64.
作者简介：王文岐(1974年10月)，男，汉族，陕西汉中，高级工程师，本科，研究方向：飞机总体综合技术