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RTCA/DO-160F 第22章、雷誘導トランジェント感受性の基礎

by Louis A. Feudi and Robert Given, Thermo Scientific

翻訳: T.Sato

過去数年のあいだに、RTCA/DO-160 規格、第22章は、複数の改訂が行なわれた。 私は、航空試験産業のメンバーとして、 規格に導入された最新の変更を知らせる記事とニュースを日常的に受け取っている。 だが、その要求にまだ馴染んでいない他の人達にとっては、 多くの疑問が答えられないままとなっている。 旅行中、私はしばしば同じ基本的な疑問を尋ねられる。 この記事は、DO-160 第22章の要求を紹介し、 基本的な疑問のいくつかに取り組むことを意図している。

RTCA とは何か？

RTCA と第22章の関係をより良く理解するためには、 DO-160 Revision F の序文を見て欲しい。

RTCA のメンバーは？

1935年に Radio Technical Commission for Aeronautics として設立され、 今は RTCA, Inc. として知られており、 米国と世界中からのおおよそ 335の政府、産業、そして学術組織を含む。 その組織を明確に理解するため、序文を参照する： RTCA, Inc. は、公共の利益のために 航空と航空電子システムの技術と科学を向上させるために設立された非営利団体である。 その組織は連邦政府諮問委員会として機能し、 その時代の航空関係の問題に関するコンセンサスに基づいた勧告を策定する。
著者のコメント： これは、RTCA DO-160F の要求が諮問としての要求であり、 強制的な要求ではないことを意味する。

RTCA の目標は何か？

ここでも、この質問に答えるために DO-160F の序文を参照しよう。 RTCA の目標は以下の点を含むが、これが全てではない：

RTCA 規格はどの程度重要か？

DO-160F の序文を見直すと、その組織の勧告が、 多くの連邦航空局技術規則の基盤としてとともに、 しばしば政府やプライベート・セクタの決定の基礎として用いられていることに気付く RTCA は米国政府の公式な機関ではないので、 その勧告が関係する何らかの主題に関して充分な管轄権を持つ 米国政府の組織や機関がそのように宣言するまで、 勧告は公式な政府方針の表明として扱うことはできない。
著者のコメント: 航空機製造業者 (Boeing、Airbus、DeHavilland、Embraer、Fairchild、General Dynamics、 Goodyear、Grumman、Gulfstream American など) は、 Tier 1、2、及び 3 の供給部品の購入基準を決定しており、 購買基準の一部としてその要求の一部もしくは全てを使用できる。 これは、航空機に組み込まれるほとんど全ての電子機器は、 この規格の一部に適合する必要があることを意味する。

他に誰がこれらの規格を使用するか？

この質問への答えもこの規格の序文にあることに気付く： これらの規格は、RTCA SC-135、そして European Organisation for Civil Aviation Equipment (EUROCAE) Working Groups (WGs) 14 及び 31 の共同による。 EUROCAE は、ここで定められた環境条件と試験手続きに関して RTCA に同意する。 EUROCAE で承認された時、 この文書は RTCA DO-160E/EUROCAE ED-14E として共通して識別されるであろう。1
著者のコメント: この規格が RTCA DO-160E/EUROCAE ED-14E として採択された時、 欧州は同一ではないとしても類似の要求を持つことになる。

SAE とは何か？

SAE International は、航空、自動車、そして商用車産業のための 世界的な技術情報と規格制定手段である。 規格の策定と出版に加えて、SAE は、全てが輸送の全ての側面に焦点を当てた、 毎年と二年毎のカンファレンスと展示会、定期的な産業界向けセミナー、 学生設計コンペティションを開いている。

SAE Aerospace は SAE International のサブグループである。 彼らは、ミサイル、機体、地上支援機器、推進機、プロペラ、 及び補助機器に適用される Aerospace Standards (AS)、 工学的設計についての勧告を与えそれらの勧告を支持するための背景情報と研究を与える Aerospace Recommended Practices (ARP)、 そして一般に受け入れられている産業的な工学データと情報を含む Aerospace Information Reports (AIP) の作成に焦点を当てている。

AE-2 は SAE の Aerospace Council が設立した SAE Lightning Committee である。 彼らは、間接雷撃についての勧告を、 主に産業界と SAE の研究と知識に基づいて起草して発行する。

これらの要求は、DO-160 の内容に責任を持つ RTCA SC-135 サブコミッティーにより、 しばしば RTCA で採択される。

DO-160 第22章で用いられる環境と試験波形を定め、 これらの要求を支持するために必要な雷のデータと分析を行なう基本文書は、 最初は 1999年に発行され、2005年に Revision A に改訂された、 SAE ARP5412、「航空機の雷環境、及び関係する試験波形」である。 この文書は、多重雷撃、多重バースト、 そしてその電流試験波形の概念がどこからきたかを説明する。

過去数年間での要求の変更

Figure 1
Figure 1
Figure 1: 航空機での複合材の現在のまた計画中の使用

Figure 2
Figure 2: 毛髪の上の単一の炭素繊維 (左下から右上)

多くの航空機用コンポーネントは環境ストレス条件のもとで働き続けなければならない。 それらの条件の1つは雷である。 従って、多くの航空機製造業者は、誘導、レーダー、通信、エンジン制御、空調などの クリティカル・システムに対する要求の1つとして第22章を指定する。

我々はアビオニクスを航法と通信の機器のこととして考えることがあるが、 それはエンジン制御、補助翼、方向舵、 そしてフラップなどの制御面のためのサーボ・モーター・コントローラ、 着陸脚の制御、レーダー、そして衛星テレビ、Wi-Fi、そして娯楽システムさえも含む。

DO-160 の Revision E、及び F は、 Boeing 787 Dreamliner、そして Airbus A380 (Figure 1) のような 最近の航空機の機体構造で用いられる複合材の使用によって後押しされた。

グラファイト繊維、あるいはカーボン・グラファイトとしても知られる炭素繊維は、 整列した結晶質炭素原子の極細 (直径 0.005〜0.010mm) の繊維を複合した素材である (Figure 2)。 その結晶質の整列は、その寸法に対して繊維を極めて強くする。 糸とするために何千もの繊維が互いに撚り合わせられ、これはしばしば編まれて布材とされる。 ポリマーと組み合わせられ、様々な工程を経て熱された繊維は、 その軽量な構造に対して極めて強い複合材を作る。 その軽量な特性は、運用、機動性、そして燃料効率のために重量／推力比が重要な航空産業にとって、 炭素繊維複合材 (CFC) を非常に魅力的なものとする。

CFC 材料以前は、機体、そして航空機の他のほとんどの部品は、金属で作られていた。 従って、例えば離陸に際してもし機体のノーズで雷撃が生じれば、 雷は機体の外側を尾部まで伝わり、機体表面を離れ、大地へと続くことだろう。 機体のソリッドな金属構造は、極めて低インピーダンスの経路を持つファラデー・ケージとして働く。 これは、通常は航空機の側面に沿って外郭の内側と内部隔壁とのあいだを引き回される 航空機の内部配線への電圧や電流の結合を防ぐ。 これは航空機内のミッション・クリティカルなコンポーネントの感受性を大幅に低下させもする。

だが、CFC 材は、金属の機体のようには雷電流を運ばない。 結果として、雷電流の経路としての外郭のインピーダンスの増加は、 内部ケーブルに、そして航空機上のアビオニクス機器に、より高い電圧や電流が結合する可能性を高める。

RTCA の多重雷撃と多重バースト、そして SAE の ARP5412 Revision A

Figure 3
Figure 3: 多重雷撃波形

Figure 4
Figure 4
Figure 4: 多重バースト波形

まだ馴染みのない人のために： DO-160F は現在6つの異なる波形を述べている。 これらの波形がなぜ DO-160 に含められたかの理解は、 上述の Aerospace Recommended Practice (ARP) 5412 rev. A の参照から得られる。

この文書のスコープには、次のようにある： 「標準化された外部電流波形は、次に、 ケーブルの束、そして機器のインターフェースに現れることを予期できる 標準化された過渡電圧／電流波形を導くために用いられた。 この試験波形は、航空機とそのシステムの雷環境に対する保護についての 適合性の立証のために適当であると考えられる。」2

ARP5412 rev A (以降は ARP5412 と呼ぶ) は、 全ての章を、雷に、そして起こり得る雷の形態の多様性の説明に費している。 雷放電は、積乱雲内の強い電界、もしくは電荷中心の放電である (積乱雲は単体で、群れて、あるいはスコールライン内の寒冷前線に沿って発生し得る。 それらは雲の内部を通る雷を生じる。)

発生し得る3つの種類の雷放電がある：

負の雲から大地への放電が生じる時、その放電プロセスは、 大地へと折れ曲がりながら達する 1〜10m の幅のイオン化された通路の形成から始まる。 この先行放電は大地に達する途中で分岐を生じるかも知れない。 先行放電が大地に近づくと、樹木や建物の近くで高電界が生じる。 すると、これらは、下向きの先行放電の先端と出会うように先行放電を送り出す。 それらが出会うと、帰還雷撃が開始され、先行放電路を逆流して放電し、 明るい稲妻と高電流のパルスを引き起こす。 最初の帰還雷撃の後、その下向きの先行放電路を通り、 雲のより高い部分からの後続雷撃が生じ得る。 後続雷撃は、通常は最初の帰還雷撃よりも低い振幅のものである。

これが DO-160 第22章の多重雷撃試験パラメータの理想化された基礎である。 規格からの図を Figure 3 に示す。 最初の雷撃がこの多重雷撃の適用の最大の振幅であり、 より低い振幅だが繰り返される後続雷撃 (14回まで) が続く。

雲内放電と雲間放電は、雷雲地上間放電 (そしてその逆) とは異なる挙動を示す。 雲内放電と雲間放電について記録されたデータのほとんどは、 USA とフランスでこれらのタイプの放電の特性を記録するために用いられていた 計測用航空機からのものである。 雲での放電は大地への放電ほど激しくないが、 雲での放電の立ち上がり時間は著しく短く (0.4μs 以下)、 しばしば放電路の形成と消失に際して集団となったパルスを生じる。 これらの持続時間が短く低振幅の初期と終期の段階は、 Figure 3 の多重雷撃印加の基礎である。 多重バースト波形セットの図は Figure 4 に示す。 1回のバーストは通常は20個のパルスで構成される。

波形 1、2、3、4、5A、及び 5B

さて、システムと機器の間接雷効果からの適切な保護の検証を意図した 理想化されたトランジェント波形を述べる、 ARP5412 の第7章に飛ぼう。 この章は、 外部雷環境から航空機内に雷トランジェントを誘導させ得る複数の機構があると言明するが、 それらを2つのカテゴリに大きく分けている： 開口結合、及び抵抗性結合。

実際の誘導トランジェントは双方の結合法から生じる複雑な波形であるが、 試験の目的では、それらは分けられている。 ARP5412 は、開口 (電磁的に透明な開口) を突き抜ける磁界は、 次のものを生じると述べる：

  1. 両側で低インピーダンスで構造に終端された導体やシールド内の電流波形 (Figure 5)

    Figure 5
    Figure 5: 波形1 ―― 電流: 二重指数 6.4μs × 69μs (半値)

  2. ケーブルと構造のあいだに存在するループ内の電圧波形 (Figure 6)

    Figure 6
    Figure 6: 波形2 ―― 電圧: 二重指数 100ns × 6.4μs (ゼロクロス)

  3. 結合を持つ内部ケーブル上の励起された共振に伴う減衰振動電圧および電流波形。 1MHz と 10MHz の周波数が、それぞれ長い、また短いケーブル長を代表する (Figure 7)。

    Figure 7
    Figure 7: 波形3 ―― 電圧/電流: 減衰振動波、1MHz と 10MHz の正弦/余弦波

抵抗性結合は次のものを生じるであろう：

  1. シールド電流とシールド伝達インピーダンスに伴うシールド内の導体上の電圧 (Figure 8)、及び

    Figure 8
    Figure 8: 波形4 ―― 電圧: 二重指数 6.4μs × 69μs

  2. ケーブルと機体構造のあいだに存在するループによって生じる電圧 (機体上の異なる場所のケーブルの端からの電圧の変動から生じる) と 構造材を通る放射フィールドから生じる電圧 (Figure 9)。 Figure 9 は、金属と炭素繊維複合材の機体によって代表される 様々なフレーム抵抗をカバーするための2つの異なる波形を示す。

    Figure 9
    Figure 9: 波形5A ―― 電圧/電流: 二重指数 40μs × 120μs
    波形5B ―― 電圧/電流: 二重指数 50μs × 500μs

波形の電力レベル

レベル1が最低でレベル5が最大となる5つの試験電力レベルがある。

DO-160 第22章で規定されている電力レベルは、 往々にしてそのコンポーネントが飛行のためにどの程度重要か、 及び/もしくはそのユニットが航空機内のどこに位置するかに基づく。 より大きな抵抗や、開口からの距離は、より低い電力レベルをもたらすであろう。

電力レベルは、他の要因に基づいて、 コンポーネント購入者や航空機製造業者によっても決定され得る。 その一例は、複数の雷撃を受ける可能性が高く、 14時間の飛行中に故障する可能性が高いであろうと考えて、航空機製造業者が 長距離航空機の娯楽システムのイミュニティ・レベルを上げることを望むかも知れない とういうものである。

試験法

航空用コンポーネントの試験の3つの主な手法がある：

試験の方法は、往々にして、DO-160 で規定された分類を用い、 様々な結合手段について特定の波形を用いて、購入者が決定する。 Figure 10 は、開口結合と抵抗/開口結合の双方についてのピン注入のための、 どの波形を印加するかを規定する表を示す。

Figure 10
Figure 10: Table 22-1.1 ピン注入試験要求

Figure 11 はケーブル・バンドル注入試験のための表を示し、 様々な開口/抵抗結合のための分類を示す。 Figure 12 はケーブル・バンドル注入トランスの例を示す。

Figure 11
Figure 11: Table 22-1.2 ケーブル・バンドル試験要求

Figure 12
Figure 12: 波形 1、5A、及び 5B のための注入トランス (Thermo Scientific ECAT LTS 注入トランス; 写真は Thermo Fisher Scientific の好意による)

上の表で定義されるように：

  1. A、C、E、G、及び J は開口結合
  2. B、D、F、H、及び K は抵抗性結合
  3. A と B はピン注入
  4. C〜F はケーブル・バンドル単一雷撃
  5. G〜K はケーブル・バンドル単一雷撃、多重雷撃、及び多重バースト雷撃
  6. Z は他の試験が行なわれたことを意味する

これらの記号 (A〜K、Z) は、 構造材、ユニットの位置、そして予期される結合ゾーンに基づいて、 彼らの航空機でどの結合が生じるかも知れず、どの誘導条件が予期されるかを決定する 購入者 (航空機製造業者) がしばしば指定する分類記号の一部として用いられる。

Mil Std 461

上で述べられた内容は、間接雷の影響のための DO-160 第22章の試験の基礎を説明する。 要求の起源と論拠の理解は、しばしば製品の試験のために必要な行動の決定を助ける。 現在期待されていることは、 DO-160 第22章でリストされている要求が 2011年に Mil Std 461 で採択されることである。

参考

  1. RTCA/DO-160F Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment
  2. SAE ARP5412-RevA-2005 Aircraft Lightning Environment and Related

Copyright (C) 2010 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: 2010-07-04