行業：民用航空

    挑戰：應對各類復雜的電磁相關問題， 實現電磁環境效應防護設計

    Altair 解決方案：三維電磁仿真解決方案 FEKO

    優點：針對各類電磁問題的多種計算方法及其混合算法 ; 特色方案提升設計效率 ;高效的技術支持服務

    背景介紹 

    中國商飛上海飛機設計研究院創建于 20 世紀 70 年代，是國內大中型民用飛機 設計研究機構，涵蓋總體氣動、強度、結構、綜合航電、電氣、飛控、液壓、環控、 動力、燃油、標準材料、適航、信息系統等專業，曾成功設計了第一架大型干線客 機。2008 年，國家為實施大型客機戰略，成立中國商用飛機有限責任公司，原中 國航空工業第一集團公司下屬第一飛機設計研究院上海分院（即上海飛機設計研究 所）于同年整建制進入中國商飛，更名為中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計 研究所。目前，上海飛機設計研究所承擔著我國擁有完全自主知識產權的 ARJ21 飛機和大型客機 C919 的設計、試驗、預研及關鍵技術攻關等歷史使命。    

    挑戰 

    隨著科學技術的迅速發展，機載無線電設備越裝越多，飛機上通常安裝了氣象 雷達、通信導航系統、空中交通管制等數十種無線電系統，涉及的天線數量非常多，并且頻率范圍很廣，而飛機本身長度有限，用于天線布置的空間較少。在實際應用中，機體導致的天線方向圖畸變和天線間電磁兼容問題較為突出。

    飛機在機場起降或者飛行過程中有可能遭到來自地面、空中或者海上船舶的大功率無線電收發機的照射，它是由人類活動造成的電磁環境問題，這些電磁波功率大、頻譜寬、作用時間長，稱為飛機高強度輻射場（HIRF）。穿透蒙皮的電磁能量 會在機載設備安裝區域感應出電磁場或者在互連線纜上感應出高頻電流，導致關鍵/重要設備功能紊亂或者喪失，可能危害飛機的持續安全飛行和降落的能力。

    另外一個不可忽視的問題是電磁兼容，這是隨著電子設備、系統的日益復雜而逐步建立起來的交叉學科，主要的研究對象是電磁能量的發射、傳輸和接收。電磁兼容的研究范疇比較寬泛，在民用飛機領域，主要包括閃電、HIRF、靜電以外的干擾現象。

    在國產商用飛機的研制過程中，非常重視電磁效應防護設計，迫切需要一款全 面的電磁仿真和分析工具，用于消除電磁輻射場對人員和設備的危害，提高飛機在復雜電磁環境下的安全性、可靠性。     

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    “FEKO軟件為國產商用飛機研制提供了有力支持，特別適合天線布局/隔離度、高強度輻射場和電磁兼容等應用，在此表示衷心感謝！”  

                                                                                                               代繼剛

                                                                                                               高級工程師   上海飛機設計研究院   

                                                                                                               中國商飛公司                                                                                                       

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    解決方案

    早在2004年，上海飛機設計研究院就開始了和FEKO的合作，基于FEKO豐富且強大的計算電磁學求解技術，可快速、精確地求解各類高頻電磁場問題。在多個型號飛機的研發中，借助FEKO解決的問題主要涉及天線布局、天線間隔離度，高強度輻射場和電磁兼容類問題。

    飛機安裝有大量的無線電收發設備，如機載導航、通信和客艙信息系統。這些系統可能會受到機上其它電子電氣設備工作時輻射發射的電磁場影響（在新發布標準中定義為前門耦合干擾）。在商用飛機設計過程中，機載接收機前門耦合干擾 越來越受到適航審查的重視。在工程應用中，干擾源設備遍布飛機內部各艙室，包括駕駛艙、客艙、電子電氣設備艙（E/E 艙）、貨艙等，多部機載天線位于機身背部和腹部。在建模仿真時還需要考慮艙門的縫隙和窗體結構等。飛機模型可以直接讀入FEKO，模型簡化、天線、艙門和窗體建模以及網格劃分可以全部在FEKO前處理模塊完成。采用FEKO的收發天線隔離度計算功能，計算得到了收發天線在VHF通信工作頻段內的隔離度頻譜。分析仿真結果，并對安裝在電子電氣艙電子 電氣設備輻射發射功率進行檢查發現，在125MHz的輻射發射功率約為-60dBm的飛控計算機（FCC）是導致干擾的輻射源。為此在機上開展了VHF收發機的前門耦合測試，發現在FCC關機情況下測量該信號消失。可見該計算結果不僅在研制階段可以指導工程設計，在飛機試飛階段同樣指導了飛機故障排除工作。

   在高強輻射場方面，HIRF 仿真一般采用平面波對飛機從各個方向進行照射，主要關注艙室內部場分布和線纜上感應電 流情況。HIRF 頻段很寬（100KHz-18GHz），通過 FEKO 軟件的矩量法、多層快速多極子法、物理光學以及幾何光學等算 法，可以仿真艙室內的電磁場分布，以及飛機內部的電纜終端上的感應電壓和電流，得到很多有工程價值的結論。

   FEKO 在上海飛機設計研究院的電磁兼容排故中應用也非常廣泛。飛機系統構成復雜，針對研制過程中出現的電磁兼 容問題，機上排故需要占用大量的飛機時間，相關的仿真分析和計算顯得尤為重要。例如，某型飛機在 DME（測距儀）小 角度遠距離接收能力檢查試飛，發現 DME 輸出存在不連續的現象，通過計算 DME 天線輻射方向圖的在飛機坐標系的水平 面上下范圍的局部視圖看出，兩部天線對飛機下半部空間覆蓋良好，但在飛機上半空間的機尾和機頭的方向圖出現了明顯 凹陷，尤其在機尾方向上方的零點很深。根據飛機在丟點時飛機姿態可以判定 DME 天線輻射功率略小。因此，通過相應措施很快地排除除了故障。                                                             

    結論 

    FEKO 軟件在解決民用航空領域電磁相關問題上，具有多種算法解決方案和豐富的工程經驗，可以幫助客戶分析各類 電磁問題。在與上海飛機設計研究院的多年合作中，FEKO 在天線、高強度輻射場和電磁兼容等領域為其提供了高效方案。    

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