CC BY
17Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 57
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 621.315.21
Возможности компьютерного моделирования при решении задач электромагнитной совместимости бортовых
кабельных сетей самолетов
А.В. Клыков, В. Ю. Кириллов
Аннотация:
В статье проводится анализ возможностей компьютерного моделирования для решения задач электромагнитной совместимости (ЭМС) бортовых кабельных сетей (БКС) самолетов.
Ключевые слова:
электромагнитная совместимость; электромагнитная помеха; бортовая кабельная сеть; самолет; компьютерное моделирование; радиочастотные поля высокой интенсивности.
Введение
В последние годы существенно возросло значение как внутрисистемной ЭМС радиоэлектронного, электронного и электротехнического бортового оборудования (БО) самолетов, так и защиты БО от электромагнитных помех (ЭМП). Одним из наиболее очевидных путей проникновения ЭМП в БО являются БКС.
Анализ последних публикаций по вопросам значения ЭМС и защиты от ЭМП самолетов показывает, что, хотя и проанализированы вопросы общей ЭМС БО самолетов и его защиты от ЭМП, однако значение БКС с этой точки зрения и возможности компьютерного моделирования не раскрыты.
Целью статьи является анализ БКС в современном авиастроении и описание возможностей компьютерного моделирования для исследования ЭМС БКС самолетов.
Анализ современного состояния БКС отечественных и зарубежных самолетов показывает, что процесс их развития неразрывно связан с процессом совершенствования самих самолетов, комплексов их БО и их системы электроснабжения (СЭС).
В 70-80-е годы ХХ века в зарубежной литературе появилась терминология: All Electric Aircraft (полностью электрифицированный самолет - ПЭС). В концепции реализации возможно полной электрификации самолета «ПЭС» понимается как самолет с единой СЭС, обеспечивающей питанием все системы БО. Ввиду того, что при том уровне технического развития не представлялось возможным реализовать идеи концепции ПЭС в полном объеме, в конце 90-х годов появилась концепция: More Electric Aircraft (более электрифицированного самолета - БЭС). Согласно данной концепции повышение уровня электрификации самолетов должно проводиться поэтапно.
Среди российских специалистов и авиационных фирм, предпринимающих попытку реализации концепций БЭС и ПЭС, встречаются определения «самолет с повышенным уровнем электрификации» (СПУЭ) и «самолет с полностью электрифицированным оборудованием» (СПЭО). По мнению авторов [1, 2], определения «БЭС» и «ПЭС» не только неточно отражает сущность предмета исследования «электрификации» самолета, но и входит в некоторое противоречие с устоявшейся терминологией иных транспортных средств («электрифицированный железнодорожный транспорт», «электромобиль»), где даже в качестве первичного источника энергии может применяться электроэнергия, а для силовых приводных механизмов используются электрические машины [3].
На современном этапе авиастроения актуальность обеспечения ЭМС самолетных систем, защиты БО от внешних ЭМП, обеспечения надежной передачи энергии и информации по БКС возрастает. Этому способствуют следующие факторы: развитие электроники и силовой электроники, открывшее реальные перспективы внедрения цифровых систем управления электроэнергетическими комплексами, мощных полупроводниковых преобразовательных устройств, бесконтактной твердотельной коммутационной и защитной аппаратуры; рост числа и мощности приемников электрической энергии, переход к электродистанционной системе управления, к концепциям СПУЭ и СПЭО, - все это обуславливает непрерывное увеличение установленной мощности СЭС и повышения требований, предъявляемых к их массоэнергетическим, эксплуатационно-техническим характеристикам, качеству электрической энергии и качеству её передачи к приемникам, кроме того, также рост потребления электроэнергии вызывает проблему перехода на питание потребителей током повышенного уровня напряжения; ухудшение экранирующих свойств планера, вследствие расширения применения композитных материалов; усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) и ухудшению электромагнитной экологии из-за электромагнитного загрязнения окружающей среды, вызванного интенсивным и неконтролируемым авиационными властями увеличением количества и мощности источников электромагнитных полей высокой интенсивности; по-
стоянно расширяющееся внедрение электронных и электрических систем, выполняющих функции необходимые для безопасного продолжения полета и посадки [4, 5].
Это вынуждает проводить активную работу по поиску и внедрению новых эффективных технических решений [2].
Важной задачей в авиастроении является обеспечение защиты БО от внешних ЭМП. Наиболее опасными ЭМП для БО являются электромагнитные поля высокой интенсивности и воздействие молнии. Источниками электромагнитных полей высокой интенсивности являются передатчики, преднамеренно излучающие электромагнитную энергию, например, радио- и телепередатчики, метеорадары, радары наземных средств управления воздушным движением, различные военные системы наземного и воздушного базирования, такие как системы радиолокационного обнаружения, средства радиоэлектронной борьбы и противодействия, электромагнитное оружие. При воздействии на самолет электромагнитного поля возникает взаимодействие конструкции самолета с полем. Электронное оборудование, расположенное внутри самолета, подвергается влиянию двух типов опасных воздействий: наведенным токам и электромагнитному полю. Удар молнии происходит один раз на каждые 3000 часов полета (примерно раз в год) коммерческих самолетов и может привести к физическому разрушению самолета, а также повлиять на функционирование бортовых систем. Взаимодействие молнии с обшивкой самолета вызывает появление в ней электрического тока, который создает электрическое и магнитное поля во внутреннем объеме конструкции самолета, что может привести к повреждению БО самолетов. Для определения уровней напряжений и токов, индуцируемых электромагнитным полем в БКС самолета необходимо определить параметры ЭМО [4].
В настоящее время ЭМО во внутреннем объеме конструкции самолетов, условия обеспечения ЭМС самолетных систем и защиты БО от ЭМП определяются опытным путем в основном по результатам лабораторных, стендовых и наземных полевых испытаний. В процессе испытаний определяется восприимчивость оборудования и получается передаточная функция самолета, позволяющая определить связь между параметрами электромагнитного поля и снаружи и внутри самолета, где расположено БО. Технология анализа условий обеспечения ЭМС, основанная на практических измерениях требует больших материальных и временных затрат. Для уменьшения материальных и временных затрат на исследование ЭМС БО и разработку методов его защиты от ЭМП, необходимо применение методов их моделирования ЭМО и физических процессов воздействия ЭМП на элементы и устройства бортовых систем.
Целями моделирования является построение адекватной модели БКС, разработка алгоритмов моделирования ЭМС, помехоэмиссии и восприимчивости к ЭМП, создаваемым источниками различного типа.
Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых: определение параметров ЭМП, воздействующих на самолет; построение компьютерной модели самолета, БО и БКС; исследование путем моделирования физических процессов проникновения и распространения ЭМП в конструкции самолета; исследование восприимчивости БКС к ЭМП; разработка методов и технических средств для защиты БКС и БО от ЭМП.
Для моделирования ЭМС элементов БКС, воздействия ЭМП на БКС, исследования восприимчивости к ЭМП и помехоэмиссии от БКС можно использовать различные программные комплексы, способные решать задачи ЭМС. Среди них рассмотрим и проанализи-
руем возможности трех программных комплексов (см. таблицу 1): CST Studio Suite [6, 7]; FEKO Suite 6.1 [8, 9]; EMC Studio 6.0 [10, 11].
Таблица 1 - Сравнительный анализ рассматриваемых программных комплексов
Параметры сравнения \ Программный комплекс CST Studio Suite 2011 FEKO Suite 6.1 EMC Studio 6.0
Составляющие моделей кабелей и жгутов Одиночные провода + + +
Коаксиальные провода + + +
Плоские многожильные провода + + +
Витые пары + + +
Витые тройки, четверки + + -
Экраны (сплошные, плетеные) + + +
Моделирование сложных кабелей и жгутов с неограниченным числом проводников + + +
Моделирование прохождения различных видов сигналов по проводникам + - +
Расчет напряжений и токов в проводниках + + +
Расчет перекрестных связей в кабелях и жгутах + + +
Расчет восприимчивости к ЭМП Электромагнитные поля высокой интенсивности + + +
Воздействие молнии + - -
Расчет помехоэмиссии от кабелей и жгутов + + +
Примечание: «+» - выполняется программным пакетом; «-» - не выполняется программным
пакетом.
Основные требования, предъявляемые к программным комплексам данного типа формулируются следующим образом: моделирование ЭМП в кабелях и сложных жгутах с неограниченным числом проводников (одиночные провода; витые пары, тройки, четверки;
коаксиальные провода; плоские многожильные провода) от прохождения по ним различных видов сигналов; расчет напряжения в разных точках кабелей, протекающих токов через определенные проводники, S-параметры, импедансы; расчет восприимчивости проводников к ЭМП, создаваемым источниками различного типа и помехоэмиссии от кабелей.
Наиболее подвержены воздействию ЭМП кабельные жгуты расположенные внутри конструкций из композитных материалов. Рассмотрим пример моделирования в программе CST Studio Suite 2011 восприимчивости к электромагнитному полю высокой интенсивности экранированного кабельного жгута проходящего по заднему лонжерону композитного крыла от фюзеляжа до законцовки крыла. Моделирование восприимчивости проводится на частотах от 15 кГц до 1 ГГц. В модели используется упрощенная модель композитного крыла, в которой используется только обшивка крыла (рисунок 1). На композитное крыло и экранированный кабельный жгут воздействует плоская электромагнитная волна (рисунок 2) напряженностью 100 В/м (рисунки 3, 4) по категории W раздела 20 (радиочастотная восприимчивость) АС 1.1.160F-2008 [12].
Рисунок 1 - Упрощенная модель композитного крыла
Рисунок 2 - Плоская электромагнитная волна, воздействующая на композитное крыло
Рисунок 3 - Форма кривой немодулированного сигнала плоской электромагнитной волны по
разделу 20 АС 1.1.160Б-2008
Время [мкс]
Рисунок 4 - Зависимость амплитуды от времени немодулированного сигнала
плоской электромагнитной волны
Рисунок 5 - Частотный спектр наведенного напряжения в кабеле от плоской электромагнитной волны
Из рисунка 5 видно, что применяемый в экранированном кабельном жгуте плетеный экран обеспечивает определенный уровень защиты от представленного электромагнитного поля высокой интенсивности. С помощью моделирования восприимчивости можно подобрать наилучший с точки зрения экранирования и массогабаритных показателей экран, который будет обеспечивать необходимое экранирование от электромагнитных полей высокой интенсивности или других ЭМП.
Заключение
В целом компьютерное моделирование с помощью рассмотренных программных комплексов позволяет:
— сократить часть экспериментальных работ, направленных на обеспечение ЭМС и защиты от ЭМП, тем самым экономя временные и материальные ресурсы, затрачиваемые на проектирование;
— определить области и величину завышенных требований по обеспечению ЭМС и защиты от ЭМП;
— разработчикам самолетов и БО уменьшать массогабаритные показатели и энергопотребление, увеличивать надежность систем БО, а также дополнительно экономить временные и материальные ресурсы.
Библиографический список
1. Брускин Д.Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Сер. Электрооборудование транспорта. - Т. 6 / Д.Э. Брускин, С.И. Зубакин.- М.: ВИНИТИ, 1986.- 108 с.
2. Кузьмичев Р.В. Генератор в системе электроснабжения самолета с повышенным уровнем электрификации - ОАО «ОКБ Сухого»
http://www.uacrussia.ru/common/img/uploaded/news/conf_kadry_MAKS_2009/konkurs/K uzmichev.pdf , август 2009.
3. Гарганеев А.Г., Харитонов С.А. Технико-экономические оценки создания самолета с полностью электрифицированным оборудованием / Доклады ТУСУРа, № 2 (20), декабрь 2009. - С.179-184.
4. Шмырев В.Ф., Фомичев К.Ф. Современные аспекты защиты бортового оборудования летательных аппаратов от электромагнитных воздействий. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", Харьков / Системы обработки информации. - Харьков: ХУПС, 2011. - Вып. 4(94). - С. 99-105.
5. Воронович С. Полностью электрический самолет / С. Воронович, В. Каргапольцев, В. Кутахов //Авиапанорама. - 2009. - № 2. - С. 23-27.
6. Complete Technology for 3D EM Simulation: https://www.cst.com/
7. Обзор продуктов компании Computer Simulation Technology: http://www.eurointech.ru/cst
8. Универсальное программное обеспечение моделирования электромагнитных / Comprehensive electromagnetic simulation software: http://www. feko. info/
9. Система 3D электромагнитного моделирования FEKO: http://rodnik.ru/product/sapr/sapr_svch/EM_Software_Systems/feko/
10. EMCoS. Electromagnetic Consulting and Software: http://www.emcos.com/
11. Обзор EMC Studio: http://www.rodnik.ru/product/sapr/sapr_svch/Electromagnetic_Consulting_and_Software/ob zor/
12. АС 1.1.160F-2008 - Авиационный справочник. Внешние воздействия и методы испытаний авиационного бортового оборудования.
Сведения об авторах:
Клыков Антон Владимирович, инженер ЗАО «ОКБ «Аэрокосмические системы».
ул. Программистов, 4, г. Дубна, Московская область, 141983;
тел.: (495) 926-74-29; e-mail: [email protected]
Кириллов Владимир Юрьевич, , профессор, заведующий кафедрой Московского авиационного института (национального исследовательского университета), д.т.н., МАИ, Волоколамское ш., 4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993; тел.: (499) 158-49-01; e-mail: [email protected]
