Rev. Phys. Appl. (Paris) 21, 795-801 (1986)
DOI: 10.1051/rphysap:019860021012079500

Development and demonstration of atmospheric electricity hazards protection

R.C. Beavin, J.R. Lippert et J.E. La Voie

AFWAL/FIEA, Wright Patterson, AFB, OH 45433, U.S.A.

Abstract
An Advanced Development Program (ADP) to develop and demonstrate effective Atmospheric Electricity Hazards Protection (AEHP) for the fighter, transport/bomber, helicopter and cruise missile classes of air vehicles is being conducted under an Air Force Wright Aeronautical Laboratories (AFWAL) contract with Boeing Military Airplane Company (BMAC). Other Government agencies are also supporting the ADP. The parameters characterizing the lightning threat have been defined for moderate and severe flashes ; e.g., 200 kA peak and 200 kA/microsecond rise rate for the severe threat lightning current. The attachment of lightning flashes to aircraft has resulted in many losses of aircraft in the past. The losses have been caused by both physical damage to the aircraft frame or structure, and electrical effects to aircraft flight critical elements and systems. The losses associated with upset and/or damage may increase with the advent of sensitive integrated circuitry being used in flight critical applications, and the use of composite material in these airframes and structures thereby reducing its electromagnetic shielding effectiveness. Protection concepts ; e.g., circuit and system shielding, terminal protection, conducting floors and cable protection ; may be used to prevent damage. A design methodology considering airframe characteristics, and circuit and system characteristics and criticality, which will lead to identification of balanced protection schemes is presented. Incorporation of AEHP is expected to enhance the operational flexibility of air vehicles through increased confidence of all-weather operational integrity. The effectiveness demonstration phase of the AEHP ADP using a modified F-14 airframe with advanced avionic and power systems is described. An ACAP helicopter is also to be used as a testbed. The testbeds will be subjected to low-level continuous wave (CW), moderate-level pulse, and severe-level pulse current injection. This method evaluates the safety margin of the generic protection design.

Résumé
Un programme de développement avancé pour développer et démontrer l'efficacité de méthodes de protection contre les dangers de l'électricité atmosphérique pour les catégories de véhicules aériens du type avion de combat, avion de transport/bombardier, hélicoptère et missile de croisière est entrepris sous contrat de l'Air Force Wright Aeronautical Laboratories (AFWAL) par la Boeing Military Airplane Company (BMAC) ; d'autres agences gouvernementales apportent aussi leur soutien à ce programme. Les paramètres caractérisant la menace due à la foudre ont été définis pour des foudroiements modérés et des foudroiements sévères, ces derniers étant caractérisés par une amplitude crête de 200 kA et par une vitesse de montée de 200 kA par microseconde. Dans le passé l'attachement de la foudre aux aéronefs a produit de nombreuses pertes. Ces pertes ont été causées à la fois par les dommages physiques produits sur la structure de l'avion et par des effets électriques sur les éléments et systèmes jouant un rôle critique pour le vol de l'avion. Les pertes associées avec le déréglage et/ou le dommage ont tendance à s'accroître avec l'utilisation de circuits intégrés sensibles dans des applications critiques pour le vol, et avec l'utilisation de matériaux composites qui réduisent l'efficacité du blindage électromagnétique apporté par la structure. Pour éviter les dommages on peut utiliser différents concepts de protection : blindage des circuits et systèmes ; protection des sorties et des câbles ; planchers conducteurs. On présente ci-dessous une méthodologie au niveau de la conception qui tient compte des caractéristiques de la structure ainsi que des caractéristiques et du caractère critique des circuits et systèmes. Cette méthode doit conduire à l'identification de schémas de protection équilibrée. On attend de la mise en oeuvre de l'AEHP qu'elle améliore la souplesse opérationnelle des véhicules aériens par un taux de confiance accru dans leur sécurité de fonctionnement au cours d'opérations tout-temps. Nous décrivons ci-dessous la phase de démonstration d'efficacité de l'AEHP ADP sur une cellule modifiée de F14 avec des systèmes avancés d'avionique et d'alimentation électrique. Un hélicoptère ACAP est aussi utilisé comme modèle d'essai. Le modèle d'essai sera soumis à des injections de courant sous forme d'une onde sinusoïdale à faible niveau, d'une impulsion à niveau modéré et d'une impulsion à fort niveau. Cette méthode permet d'évaluer le coefficient de sécurité des principes de protection retenus.

PACS
0160 - Plant engineering, maintenance and safety.
7630 - Aerospace instrumentation.

Key words
aircraft instrumentation -- lightning protection -- safety -- fighters -- transporters -- bombers -- atmospheric electricity hazards protection -- helicopter -- cruise missile -- lightning -- aircraft -- flight critical applications -- composite material -- electromagnetic shielding effectiveness -- system shielding -- terminal protection -- cable protection -- design methodology