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現代的な航空機設計と、間接雷試験と試験機器の変更

by Nicholas Wright, EMC Partner AG, Switzerland

翻訳: T.Sato

787 は軽量化のために複合材を使用している
次世代の旅客機の市場を守ろうとする Airbus と Boeing のあいだの現在の競争は、 航空機が設計され、製造される方法に大きな変化をもたらした。 最も顕著なものは、複合材の量の増加と、新しい機体生産技術である。 フライト・コントロール・アクチュエータから娯楽システムに至る全てのものにおける 電子系の使用の増加は、 雷撃への耐性を確かとするために航空機が試験される方法に影響する。 現代的な商用旅客機は性能を向上させるために大幅に軽量化されている。 Boeing 787 「Dreamliner」は、乗客を、以前に可能であったよりも早く、 またより大きな距離を越えて運ぶことを目指している。 その機体は、驚くべき 50% 複合材 (胴体全体の断面にモールドされている) と、 航空機産業で初めて、着陸装置、フラップ、 そしてフライト・システムのための全電気システムを用いている。 これは、発電要求を顕著に増大させる、新しいコンセプトである。 このため、それぞれのエンジンに 0.5MW の発電機が取り付けられ、 合計で 1MW の電力が使用可能である。 この潜在的な利益のある市場を Boeing のものとしないために、 Airbus は 787 と真向から競合する A350 をアナウンスした。 最初に運用が始まるのは、 多数の乗客 (全エコノミー・キャビンで 850人) を長距離運ぶように設計された、 Airbus A380 となるであろう。 これらのプロジェクト全ての鍵は新しいテクノロジーであり、 これは新しい試験方法の必要性を導く。

航空機システム・インテグレータが機器を含めることを検討する前に、 航空機が雷に撃たれた時の機器イミュニティを同定する基本的な要求が確立されねばならない。

ここ何年ものあいだ、 商用航空機に設置された電気／電子システムに対する雷の環境は SAE Aerospace Recommended Practice (ARP) 54131 に従って承認されてきた。 この文書は雷の危険に対する規則のためのガイダンスを与え、間接雷性能基準を規定する Federal Aviation Administration (FAA) Advisory Circular (AC) 20-1362 のような追加の要求によって充実させられ、適応させられる。

間接雷インパルスがどのように生じるかそのものが課題であり、 その主題については多くの素晴らしい記事3 & 4 があるので これはここでは議論しない。 機体構造が重要な役割を演じるというだけで充分である。

FAA は、機器とシステムの試験の「一般的」な適切さを与えるある文書を参照している。

これは Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) 規格 DO1605、 特に雷の間接的な影響を扱っている 22章である。 この文書は国際規格として広く受け入れられており、 欧州のそれに相当する文書、EUROCAE ED146 との 密接な関連性と整合によってその立場はさらに向上している。

試験の「一般的」な基礎を与える際に、 DO160E (「E」はリビジョンを示す) は主としてアルミニウム製航空機構造を想定しており、 明らかに現在の複合材テクノロジーを考慮したある程度の修正の必要がある。 結局、それぞれの航空機製造業者は、 その設計が耐空性要求に適合できることを確かとする最終的な責任を持つ。 実質的に、それぞれの新たに設計された航空機は、 この目的に合わせるために特に書かれた試験規格を持ち得る。

787 「Dreamliner」の新設計とこれがもたらす特別な条件とともに、 Boeing は DO160 に加えて コンピュータ・シミュレーションが必要だと見做した追加の試験要求を導入した。 Airbus においても、A380 試験仕様が同時に改訂されたが、 やや異なった点に重点が置かれている。 双方の事例で、最大の変更は、 アルミニウム製航空機が雷撃電流のための好都合な電流経路とともに 遮蔽を与えていた「良いファラデー・ケージ」の欠落によってもたらされた。 航空機設計者にとって慰めとなる要素は、 それぞれの設計が独自の要求を持つとしても、 DO160 とそれに関係する波形が基礎となるということである。

Figure 1
Figure 1: シールドを接続した状態てのグランド注入
Figure 2
Figure 2: シールドを接続しない状態でのグランド注入
DO160 §22 は、航空機に取り付けられる機器、 あるいは航空機産業において line replaceable units (LRU) と呼ばれるものに対する、 試験方法と必要なイミュニティ・レベルの広く受け入れられた視点を与える。 これらの方法は、1〜5 に示されている波形を用いた PIN 注入、ケーブル・バンドル及びグランド注入試験に関する勧告を含む。 最新版の DO160 は、波形 4 を明確に電圧試験と規定している。 だが、§22 はその電圧が GI (グランド注入) と CI (ケーブル注入) の いずれかの手段によって注入できることを示している。 これらの２つの要求は別のものであり、 同一のインパルス試験発生器を使用できるものの、結合は非常に異なっている。 グランド注入は、単純にインパルス発生器の出力を グランド・プレーンとケーブル・シールドのあいだに印加することによって達成される。 (Figures 1 & 2) その発生器が充分なエネルギーを持つ限り、 電流は干渉効果を印加するようにそのグランド・ループを通して流される。 これは金属製航空機については良く働く。 だが、複合材航空機は、同一のグランディング能力を持つとは限らない。 グランド接続を取り除き、電流で駆動する代わりに、 ケーブルとグランドのあいだに電位が印加される。 ハイブリッド波形を発生するように設計された試験機器、 すなわち開放と短絡の回路条件に対して規定されたものは、 これらのいずれの方法を実施することもできるであろう。

これらの一般的な DO160 波形 4 の議論の結果として、 航空機製造業者やシステム・インテグレータは DO160 要求に個々の機体やシステムの必要性に合うように手を入れている。 波形 4 と 5A はこれらの状況の元でのグランド注入 (絶縁された EUT シャーシ・グランドと試験用グランド・プレーンのあいだ) のために推奨されており、 全てのシールドが接続されているならば、 波形 4 については電流限度 (IL) に、 そして波形 5A については電流試験 (IT) に、 それぞれ電圧試験、及び限度よりも先に達するこになりそうである。

試験、及び限度条件の意味の簡単な説明：


Table 1
Table 1

Figure 3
Figure 3: 電圧、及び電流インシデンス

Table 2
Table 2

Figure 4
Figure 4: 電圧インパルス結合器
Avionic Full Duplex (AFDX) インターフェース (データ通信を高速化し、インタラクティブなコックピットを可能とする、 Ethernet を発展させたもの) に対する Airbus 文書 ABD0100.1.27 要求、 そして Boeing D6-16050-5 revision B8 は、 新世代の旅客機に実装されているテクノロジーに適用可能な電圧試験を導入する。

インパルス発生器の設計によるが、カスタマイズされた結合デバイスを用いて この新たな試験要求を達成することが可能かも知れない。 DO160 はシールドが両端で接続されたシールド・ケーブル・バンドルの試験を規定するが、 試験、あるいは限度電圧 (VT) がバンドル・コアで達成されていることを確認して シールドを接続せずに試験することを認めている。

変化を続けるテクノロジーに伴う電圧試験への関心の増加は、 試験要求の改訂を導いている。

ケーブル・バンドル内で測定された電圧が実際の電圧であり、 測定ノイズによってもたらされたスパイクでないことを確かとするための、 現在レビューされている非常に明確な要求は、 ケーブル・バンドル内の電圧と電流を同時に測定することである。 電圧は結合トランス上のループを用いて測定すべきであり、 電流はケーブル・ハーネス上のコイルで測定される。 試験電圧インパルスが許容できるかどうかをこの構成を用いて決定するのは比較的容易である。 電圧波形が電流ピークよりも後でゼロ・クロス・ポイントを横切るならば、 その試験は許容できる (figure 3)。

新世代のエンジン管理システムのための試験要求が使用できるようになっている。 Full Authority Digital Engine Control (FADEC) ユニットは、 通常はエンジン・カウリング・アセンブリ内の、 雷に対して露出したゾーンに取り付けられた多くのセンサーに接続される 重要な航空機システムである。 このため、雷試験レベルに対して特別な注意が払われねばならない。 以下に示すのは、現在の複合材航空機における、 DO160 と FADEC 特定アプリケーションのあいだでの、 波形 4 と 5A の要求の直接的な比較である。

試験カテゴリ A は、その故障が安全な飛行の継続を危険に曝す重要な機器に適用される。

一流の航空機設計者らによって開発されている新たな産業界特有の要求と共に、 多くの製造業者は代替の試験方法を探すことを強いられてきた。 その種の発生器は高い (電圧) 脅威レベルに達しないかも知れないので、 これはグランド注入 (電流) 法の試験について特にそうである。 一次側がインパルス発生器に接続され、 EUT ケーブルがそのコアに二次側として巻きつけられた鉄芯トランスは、 電圧インパルスに対して非常に満足な結果を与え得る。

Figure 4 は、既存の結合器に対するそのような変更の例である。

Figure 5 と 6 は、標準的な DO160 電流注入トランスを改造したものを用いた、 波形 4 と 5A の電圧インパルスの例である。 その電圧インパルスは DO160 のレベル 3 までで使用できる。

EUT ケーブル内でより高い電圧レベルを達成するためには、 そのコアがインパルスと EUT 電流負荷で飽和しないように設計された 特別な追加の結合トランスが必要である。 Figures 7 と 8 は、特別製の結合器を用いて何が達成できるかを図示する。 それらのインパルスは、いずれも電圧に対する DO160 レベル 5 要求に対応する。

Figure 5 Figure 6
Figure 5: WF4 level 3 in EUT cable Figure 6: WF5A level 3 in EUT cable


Figure 7 Figure 8
Figure 7: WF4 level 5 in EUT cable Figure 8: WF5A level 5 in EUT cable

EMC Partner の雷試験システムは自動的な極性切り替えと ソリッド・ステートのスイッチング技術を備える

参考資料

1 Certification of aircraft electrical/electronic systems for the indirect effects of lightning ARP 5413

2 US Department of Transportation Advisory Circular AC 20-136 May 1990

3 Induced Lightning Testing of Avionics - with Single Stroke, Multiple Stroke and Multiple Burst. Martin Lutz, Reto Casanova, EMC Partner AG, Laufen Switzerland

4 Explanation and experiences with RTCA/DO160 Level 5 avionics testing. Nicholas Wright, Martin Lutz, EMC Partner AG, Laufen Switzerland

5 RTCA/DO-160E Environmental conditions and test procedures for airborne equipment. Section 22:Lightning Induced Transient Susceptibility. December 9 2004

6 EUROCAE Aircraft Lightning Environment and related test waveforms Document ED-84 Edition 2 May 18 2001

7 ABD0100.1.2 Equipment design, General requirements for suppliers

8 D6-16050-5B. Electromagnetic Interference control requirements for composite airplanes.

Copyright (C) 2006 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2007-01-06