Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne
Szacuje się, że średnio raz na 1000 - 2000 godzin lotu (przeciętnie raz w roku) dochodzi do bezpośredniego wyładowania atmosferycznego z udziałem często kursujących samolotów. Tego typu zdarzenie może doprowadzić do bezpośrednich uszkodzeń elementów konstrukcyjnych statku powietrznego. Równie niebezpieczne są tzw. skutki pośrednie oddziaływania pioruna. Odnoszą się one do elektromagnetycznych zaburzeń indukowanych w obwodach elektrycznych instalacji pokładowych samolotu w wyniku oddziaływania impulsu elektromagnetycznego od pobliskich wyładowań atmosferycznych. Przepięcia indukowane są przyczyną zakłóceń pracy systemów pokładowych i niejednokrotnie mogą prowadzić do ich trwałych uszkodzeń. Na skalę tych efektów wpływają głównie parametry i typ samego wyładowania atmosferycznego, własności elektryczne materiałów konstrukcyjnych płatowca jak również konfiguracja zainstalowanych urządzeń awioniki. Wszystkie te czynniki obniżają poziom bezpieczeństwa transportu lotniczego oraz generują koszty związane z awariami i procedurami serwisowymi. Ochrona przed bezpośrednimi i pośrednimi efektami oddziaływań piorunowych staje się w ostatnim czasie coraz istotniejsza z uwagi na sukcesywnie postępującą miniaturyzację podzespołów elektronicznych statków lotniczych, jak również postępujące zmiany klimatyczne wpływające na zwiększenie aktywności burzowej w wielu miejscach kuli ziemskiej.
Stanowisko badawcze w Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne, którego opiekunem jest dr inż. Kamil Filik, wyposażone jest w kompletny system generatorów udarów napięciowych i prądowych. Pozwala on na badanie wybranych urządzeń oraz złożonych systemów pokładowych samolotów w kontekście odporności na efekty pośredniego oddziaływania wyładowań atmosferycznych. Eksploatowany zestaw generatorów impulsów piorunowych pozwala testować urządzenia oraz wiązki kablowe różnorodnymi typami zaburzeń występującymi w chmurach burzowych.
Posiadane generatory MIG0618SS, MIG0600MS oraz MIG-OS-MB firmy EMC Partner AG (Szwajcaria) wchodzące w skład stanowiska umożliwiają wytworzenie i sprzęganie galwaniczne, pojemnościowe bądź indukcyjne udarów probierczych pojedynczych, serii udarów oraz serii impulsów typu burst do złącz urządzeń lub wiązek przewodów instalacji pokładowych. Symulowane zaburzenia spełniają z nadmiarem wymagania restrykcyjnych norm lotniczych oraz wojskowych, w tym RTCA/DO-160 w zakresie poziomów wartości szczytowych i kształtów dedykowanych wymuszeń.
Parametry generowanych udarów:
- udar WF1 6,4/69 µs (prąd maks. 4 kA),
- udar WF2 0,1/6,4 µs (napięcie maks. 1,6 kV),
- udar WF3 1 lub 10 MHz (napięcie maks. 3,2 kV),
- udar WF4 6,4/69 µs (napięcie maks. 3,2 kV),
- udar WF5A 40/120 µs (napięcie maks. 3,2 kV lub prąd maks. 5 kA),
- udar WF6 0,224/4 µs (prąd maks. 160 A).
Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne. Widok stanowiska pomiarowego w jednej z konfiguracji.
Równocześnie z testami udarowymi prowadzone są badania symulacyjne, mające na celu lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących podczas rozpływu prądu piorunowego. Do analizy przepięć atmosferycznych pośrednich w układach elektronicznych statków powietrznych stosuje się również modelowanie i symulacje komputerowe prowadzone w różnych środowiskach obliczeniowych, m.in. w oprogramowaniu Matlab, CST Studio Suite, LTspice. Opracowane modele pozwalają przewidzieć zachowanie instalacji pokładowej statku powietrznego w obecności rzeczywistych zaburzeń atmosferycznych, co umożliwia zaprojektowanie adekwatnych środków ochrony przepięciowej już na etapie jej projektowania.
Podjęta problematyka badawcza obejmująca zagadnienia wpływu wyładowań piorunowych i impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych pochodzenia atmosferycznego na układy elektryczne i elektroniczne pracujące na pokładach statków powietrznych wpisuje się w aktualne obszary prowadzonych na świecie intensywnych badań oddziaływań atmosferycznych na statki powietrzne. Podjęcie jej uzasadnione jest stanem aktualnej wiedzy, a w szczególności potrzebą dokładnego poznania wpływu udarów wielokrotnych, jakie występują w rzeczywistym wyładowaniu piorunowym, jak również oddziaływania szybkich zmian pola elektromagnetycznego generowanego przez wyładowania w chmurach na zachowanie się systemów elektrycznych i elektronicznych na pokładzie statków powietrznych.
Wyniki prowadzonych badań wskazują, że poziom i charakter obserwowanych przepięć silnie zależą od rodzaju i poziomu zaburzeń piorunowych wprowadzanych do układów awioniki, a także stanu pracy i konfiguracji układu awioniki. Uzyskiwane rezultaty prac badawczych stanowią podstawę do oceny obecnie stosowanych rozwiązań w obszarze ochrony odgromowej i przepięciowej statków powietrznych. Mogą być użyteczne przy opracowaniu nowych optymalnych koncepcji opierających się na odpowiednim doborze ilości i rodzaju zastosowanych środków ochrony odgromowej i przepięciowej ograniczających powstanie i propagację zaburzeń piorunowych w instalacjach wewnętrznych samolotów.
Wdrażanie nowych rozwiązań ochrony odgromowej statków powietrznych upraszcza proces wytwarzania aparatury awionicznej, pozwalając na jej dalszą miniaturyzację oraz ograniczenie liczby komponentów. W konsekwencji wpływa to nie tylko na koszty produkcyjne, ale również na poprawę bezpieczeństwa pasażerów podczas lotu.
Potencjał techniczny laboratorium został zamieszczony i opisany w serwisie internetowym viacarpatia: https://viacarpatia.prz.edu.pl/do-pobrania (strona 124 oferty).
Informacja w mediach i linki do materiałów wideo:
Lokalizacja i dane kontaktowe:
Politechnika Rzeszowska, Katedra Elektrotechniki i Podstaw Informatyki
ul. Wincentego Pola 2, 35-959 Rzeszów,
Budynek B, pom. 3A
Tel.: +48 17 743 2444
Mail: kfilik@prz.edu.pl