Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 2013 15 6 Analýza elektromagnetického vnitřního prostředí semikompozitního letounu EV-55 Analysis of internal electromagnetic environment of semi-composite EV-55 aircraft David Krutílek, Zbyněk Raida xkruti01@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Abstrakt: V článku porovnáváme výsledky elektromagnetické analýzy s výsledky měření částečně kompozitního letounu EV-55 firmy Evektor. Výpočty intenzity elektrického pole uvnitř letounu a jeho povrchových proudů jsme provedli na různě složitých modelech dvěma různými řešiči, z nichž jeden pracuje v časové oblasti metodou konečných integrací (CST Microwave Studio) a druhý metodou momentů (CONCEPT II). Abstract: This article aims to compare the results of electromagnetic analysis with the results of measurement of semi-composite aircraft EV55 which belongs to Evektor company. The computations of electromagnetic field intensity inside the aircraft as well as the computations of its surface current were realized on two different models with two different solvers, one of which works in time domain using the method of finite integration techniques (CST Microwave studio), whereas the second solver works with the aid of method of moments (CONCEPT II).
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 Analýza elektromagnetického vnitřního prostředí semikompozitního letounu EV-55 David Krutílek, Zbyněk Raida Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: xkruti01@stud.feec.vutbr.cz, raida@feec.vutbr.cz Abstrakt V článku porovnáváme výsledky elektromagnetické analýzy s výsledky měření částečně kompozitního letounu EV-55 firmy Evektor. Výpočty intenzity elektrického pole uvnitř letounu a jeho povrchových proudů jsme provedli na různě složitých modelech dvěma různými řešiči, z nichž jeden pracuje v časové oblasti metodou konečných integrací (CST Microwave Studio) a druhý metodou momentů (CONCEPT II). 1 Úvod Současné letectví využívá stále větší počet palubních elektrických zařízení a elektronických systémů. S provozem těchto systémů je neoddělitelně spjato žádoucí či nežádoucí vyzařování elektromagnetické energie, a také jejich ochrana před nežádoucími účinky okolního elektromagnetického prostředí. Aby mohla jednotlivá zařízení vedle sebe fungovat, musí splňovat podmínky vzájemné elektromagnetické slučitelnosti (electromagnetic compatibility, EMC) [1]. Nedodržení a porušení požadavků EMC může mít uživatelsky nepříjemné následky (vzájemné rušení bezdrátových služeb, a tím např. znemožnění komunikace letounu s řízením letového provozu) i následky fatální (systém fly by wire - neexistuje mechanické spojení pilota s aerodynamickými řídicími plochami a ovládací signály přenášené po kabelech mohou být na své cestě nežádoucím způsobem ovlivněny elektromagnetickým prostředím vyzařovanými poli o vysoké intenzitě nebo zásahem přírodního blesku). Například v roce 1984 proletěl stíhací letoun Panavia Tornado GR4 ve výšce 230 m rychlostí přes 800 km/h nad vysílačem velkého výkonu v německém Holkirchenu. To bylo příčinou selhání systému automatického řízení a letoun se zřítil. Škody dosáhly 100 miliónů marek [2]. Aby byla pravděpodobnost podobných neštěstí minimalizována, musí být citlivé přístroje a kabelové svazky letounu umístěny v místech, kde nemohou vzniknout maxima rozložení elektromagnetického pole. Nebezpečně silné pole uvnitř letounu může vybudit právě blízký vysílač nebo blesk. Pronikání vnějších polí do letounu může být mnohem výraznější u strojů, jejichž kovový plášť částečně nebo zcela nahrazují kompozitní materiály. Mechanické vlastnosti kompozitních materiálů předčí kovy (velká pevnost a tuhost při zachování malé hmotnosti). Schopnost kompozitních materiálů odstínit vnější elektromagnetická pole je nižší (chovají jako dielektrikum s komplexní relativní permitivitou). Pronikání elektromagnetických polí dovnitř letounu a roz- ložení polí v jeho vnitřním prostoru lze simulovat na počítači metodami výpočetního elektromagnetismu (computational electromagnetics, CEM). CEM je založen na numerickém řešení Maxwellových rovnic v integrálním či diferenciálním tvaru. Rozvoj CEM umožnil v šedesátých letech nástup počítačů. Tehdy vznikla metoda konečných diferencí a metoda konečných prvků pro numerické řešení diferenciálních rovnic a metoda momentů pro rovnice integrální. Současné výpočetní servery, které obsahují vysoký počet vícejádrových procesorů, umožňují analyzovat elektricky velké struktury v přijatelném čase (pokud lze navíc výpočty paralelizovat). Hlediska EMC tak lze do návrhu letounu promítnout již ve fázi virtuálního počítačového prototypu. Návrh letounu je možno následně upravit tak, aby bylo vyhověno požadavkům EMC. Porovnáním výpočtů a měření lze navíc ověřit, zda při měření nedošlo k chybám. Problematikou simulací účinků elektromagnetického pole na letoun se do současnosti zabývala řada výzkumných projektů. Jedním z nich byl i ARTEMIS, společný projekt firmy Evektor [3], VUT v Brně a UTB ve Zlíně, který podpořilo Ministerstvo průmyslu a obchodu. Na tento projekt navázal Evektor a VUT účastí v evropském projektu High Intensity Radiated Field - Synthetic Environment (HIRF-SE). [4]. HI- RF-SE si kladl za cíl nahradit finančně náročná a za letu neproveditelná nízkoúrovňová certifikační měření simulacemi. Ve svém článku popisujeme výsledky certifikačních měření a simulací vícemístného, částečně kompozitního letounu EV-55, který je dílem firmy Evektor. 2 Měření letounu Letoun EV-55 měřila firma EMCC DR. RAŠEK [5], která se specializuje na testování a certifikaci elektronického palubního vybavení v leteckém a automobilovém průmyslu. Letoun EV- 55 byl ozařován vlnou z vysílací antény na otevřeném prostranství. Aby se zemní rovina podobala co nejvíce ideální zemi, bylo pod letoun položeno pletivo o rozměrech 12,5 12,0 m. Při měření se využívají dvě metody přímého ozařování, a to LLSC (Low-Level Swept Coupling) a LLSF (Low-Level Swept Field). Provedením se měření od sebe neliší. Metodou LLSC měříme indukované proudy na kabeláži a povrchové proudy, metodou LLSF zjišťujeme rozložení intenzity elektrického pole. Frekvenční rozsah metod je závislý na měřící apertuře, tedy na generátoru a na zářiči. 368
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 intenzitu pole získáme vhodným zprůměrováním dílčích intenzit. Tím simulujeme integrační chování sondy (sčítá intenzity pole v celém objemu sondy). 3.2 Výpočet povrchových proudů Obrázek 1: Měření letounu přímým ozařováním. Před samotným měřením elektrických veličin uvnitř letounu je zapotřebí kalibrovat pracoviště. Jedná se v podstatě o měření intenzity elektrického pole ve vzdálenosti 3 metrů od zářiče pro danou pozici antény. Měřením chceme postihnout nedokonalost měřícího pracoviště, zejména vliv odrazů od okolních předmětů a vliv okolních vysílačů. Změřená kalibrační data se uloží do speciálního generátoru, který dle získané kalibrační křivky nastavuje vysílací výkon tak, aby byla intenzita elektrického pole v bodech měření konstantní. Směr vyzařovaného elektromagnetického pole měníme natočením vysílací antény (viz obrázek 1). Měřením intenzit elektrického pole uvnitř letounu zjišťujeme, zda nebyly překročeny normou povolené hodnoty vnitřních intenzit pole. Velikost intenzity elektrického pole (vektorová veličina) měříme speciální sondou. Sonda je tvořena ze tří antén, vzájemně pootočených o 90. Každá z antén snímá jednu složku vektoru intenzity elektrického pole. Sonda je s měřícím pracovištěm spojena optickým kabelem; tím vyloučíme nežádoucí elektromagnetickou vazbu po vedení mezi sondou a měřicím pracovištěm. Pro měření vysokofrekvenčních rušivých proudů tekoucích po konstrukci letounu se používají sondy povrchových proudů (Surface Current Probe). Sonda pracuje jako proudový transformátor. Primární vinutí transformátoru tvoří testovaný povrch ozařovaného letounu, jímž protéká měřený rušivý proud. Sekundární vinutí transformátoru má tvar ploché cívky. Přiložením izolované strany cívky k vodivému povrchu letounu snímáme rušivý proud [2]. V sondě je umístěna pouze jedna cívka; měří se proto dvakrát. Po měření pro jednu polohu cívky se sonda otočí o 90 a měření se zopakuje. Při měření povrchových proudů indukovaných dopadající elektromagnetickou vlnou na kovovém povrchu letounu musíme použít speciální povrchové sondy. Složky vektoru povrchového proudu měříme při dvou polohách sondy vzájemně otočených o 90. V simulacích můžeme sestavit sondu ze tří vzájemně kolmých kružnic (obrázek 2b). Kružnice měly v našich simulacích průměr 60 mm a jejich střed ležel na zkoumaném místě na povrchu materiálu. Složky povrchového proudu jsme pak počítali z kruhových smyček, které protínaly povrch. a) b) Obrázek 2: a) Sonda pro měření intenzity elektrického pole, b) sonda pro měření povrchových proudů. 3.3 Buzení V případě metody přímého ozařování je letoun ozařován elektromagnetickou vlnou z vysílací antény. V simulaci předpokládáme, že dopadající elektromagnetická vlna má charakter vlny rovinné. Potom není zapotřebí modelovat vysílací anténu (viz obrázek 3). 3 Simulace modelů I přes vysokou vyspělost simulačních programů a vysoký výkon výpočetních systémů nelze vytvořit simulační model zcela podle reálného měření letounu. Proto je třeba do modelu zanést fyzikálně opodstatněná zjednodušení, která sníží výpočetní nároky modelu při zachování přesnosti výpočtů. 3.1 Výpočet intenzity elektrického pole Sondu elektrického pole reprezentujeme soustavou třinácti bodů. Každý bod představuje pozici jedné dílčí antény pro měření intenzity elektrického pole (obrázek 2a). Výslednou Obrázek 3: Letoun EV-55 ozařovaný rovinnou horizontálně polarizovanou vlnou. 3.4 Okrajové podmínky Pokud výpočet elektromagnetického pole vychází z Maxwellových rovnic v diferenciálním tvaru, musí být analyzovaný objekt ohraničen okrajovými podmínkami. Okrajové podmínky mohou mít charakter dokonalého elektrického či 369
E [V/m] E [V/m] VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 magnetického vodiče nebo mohou modelovat volný nekonečně rozlehlý prostor (asymptotická okrajová podmínka). Náš letoun stojí na vodivé síti a je ve volném prostoru a je ozařován rovinnou vlnou. Stěny kvádru, které vymezují prostor analýzy, tedy nastavíme na dokonalý elektrický vodič (spodní stěna) a na asymptotickou okrajovou podmínku (ostatní stěny). Tyto okrajové podmínky jsou ideální; přispívají tedy k rozdílům mezi simulací a měřením. Z obrázku 1 také vyplývá, že nepřesnosti nejsou dány pouze ztrátami a nepřesnostmi měření, ale také i malou vzdáleností ozařující antény od letounu, která má za následek jinou geometrii vlny, než je vlna rovinná, kterou uvažujeme v simulacích (obrázek 3). 10 1 4 Porovnání výsledků Pro výpočet intenzity elektrického pole uvnitř letounu (zkušební bod ve středu kokpitu; viz obrázek 4) jsme použili programy CST Microwave Studio [6] (metoda konečných diferencí) a CONCEPT II [7] (metoda momentů). Vypočtené hodnoty jsme porovnali s hodnotami naměřenými. Uvažovali jsme přitom jak vertikální, tak horizontální polarizaci dopadající rovinné vlny. Dosažené výsledky jsou vzájemně porovnány na obrázcích 5 a 6. Modrá a červená křivka odpovídá různým verzím momentové metody implementované v programu CONCEPT II, zelená křivka odpovídá metodě konečných diferencí implementované v programu CST Microwave Studio a černá reprezentuje výsledky měření realizovaných firmou EMCC RAŠEK. 10 0 CONCEPT II AP1H 100-350 MHz CONCEPT II MLFMA A AP1H 100-350 MHz CONCEPT II MLFMA B AP1H 350-700 MHz CONCEPT II MLFMA C AP1H 700MHz - 1GHz CST MWS AP1H metal 100-700 MHz Meas. FI8 AP1H 10 8 10 9 Obrázek 5: Srovnání vypočtených a naměřených hodnot intenzity pole ve středu kokpitu; horizontální polarizace. 10 1 10 0 Obrázek 4: Umístění sondy pro měření intenzity elektrického pole (zkušební bod ve středu kokpitu). Relativně dobrá shoda mezi jednotlivými průběhy naměřených a simulovaných výsledků ve zkoumaném pásmu frekvencí potvrzuje dostatečnou věrnost modelu s ohledem na jeho geometrickou složitost. Znatelně vyšší amplitudy vypočtených průběhů vůči výsledkům měření jsou způsobeny zanedbáním ztrát ve výpočetním modelu. V grafech si můžeme povšimnout několika skutečností: U vertikální polarizace můžeme v pásmu od 700 MHz do 1 GHz pozorovat vliv systematické normalizační chyby. Tato chyba je daná tvarem normalizační křivky, kterou jsme spočetli pro danou výšku a danou polarizaci vysílací antény. Další neshody naměřených a vypočtených hodnot způsobila neschopnost simulačních programů odhalit všechny změřené rezonance. Na vině může být nedostatečně přesný simulační model, nedokonalá kalibrace měřicího pracoviště a nejistoty měření. CONCEPT II AP1V 100-350 MHz CONCEPT II MLFMA A AP1V 100-350 MHz CONCEPT II MLFMA B AP1V 350-700 MHz CONCEPT II MLFMA C AP1V 700MHz - 1GHz CST MWS AP1V metal 100-700 MHz Meas. FI8 AP1V 10 8 10 9 Obrázek 6: Srovnání vypočtených a naměřených hodnot intenzity pole ve středu kokpitu; vertikální polarizace. Obrázek 7: Rozložení povrchových proudů na letounu na kmitočtu 200 MHz. 370
SC [A/m] SC [A/m] VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 Na obrázku 7 je zobrazeno rozložení povrchových proudů na kovovém modelu letounu EV-55. Z obrázku je patrné, že sloupkem mezi čelními skly protékají ve srovnání s ostatními zkoumanými body vyšší proudy. Velikost proudu indukovaného v tomto místě pro vertikální a horizontální polarizaci budicí vlny je zobrazena na obrázcích 8 a 9. 10-3 CONCEPT II AP1H 50-350 MHz CST MWS metal 20-350 MHz Meas. SC13 X zjednodušenými. Vytvoření zjednodušeného modelu je časově méně náročné a získané výsledky jsou relativně přesné. Zjednodušené modely lze s výhodou využít zejména ke zjištění přibližné hodnoty intenzity elektrického pole v místech dostatečně vzdálených od dielektrik, dílců s nechráněným kompozitem a geometricky složitých struktur. Shoda vypočtených a změřených povrchových proudů v testovacích bodech je horší. Změřené povrchové proudy vycházejí ve většině případů menší než simulované. Důvodem této neshody může být zanedbání ztrát ve výpočetním modelu, nejistoty měření a volba zdroje ozařování. Velikost naměřených hodnot je ve většině případů o řád nižší. Výsledky simulací lze tedy použít jako informativní, předcertifikační údaje. Oba programy totiž poměrně dobře popisují chování elektromagnetického pole uvnitř letounu. 10-4 Poděkování 10-5 10 8 Obrázek 8: Srovnání proudů indukovaných na čelním sloupku; horizontální polarizace budicí vlny. Tento příspěvek vzniknul za podpory projektu CZ.1.07/2.3.00/20.0007 WICOMT, financovaného z operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Literatura 10-3 10-4 CONCEPT II AP1V 50-350 MHz CST MWS metal AP1V 20-350 MHz Meas. CS13 X 10 8 Obrázek 9: Srovnání proudů indukovaných na čelním sloupku; vertikální polarizace budicí vlny. Výsledky simulací ve většině případů vykazují vyšší protékající proud. Je to opět dáno zanedbáním ztrát v simulačním modelu. Nižší naměřená hodnota proudu mohla být způsobena nedokonalým dosednutím sondy na povrch letounu, tloušťkou laku, výrobními vadami a nepřesnostmi. 5 Závěr Srovnání změřených a vypočtených intenzit elektrického pole vykazuje poměrně dobrou shodu. Zajímavá je i shoda mezi velmi realistickými simulačními modely a modely značně [1] SVAČINA, J. Elektromagnetická kompatibilita. Přednášky. Brno, Ústav UREL. [2] PAUL, C., R. Introduction to Electromegnetic Compatibility. John Wiley, New York, 1992. 784 stran. ISBN 978-0471549277. [3] Evektor [online]. Kunovice, 1999-2013 [cit. 2013-12- 14]. Dostupné z: http://www.evektor.cz/ [4] HIRF Synthetic Enviroment [online] - [cit 13. března 2012] dostupné na: www: http://www.hirf-se.eu/. [5] EMCC DR. RASEK [online]. Unterleinleiter, 1997-2013 [cit. 2013-12-14]. Dostupné z: http://www.emcc.de/ [6] CONCEPT II [online]. 2013 [cit. 2013-12-14]. Dostupné z: http://www.tet.tuhh.de/concept/?lang=en [7] CST MWS [online]. 2013 [cit. 2013-12-14]. Dostupné z: https://www.cst.com/ 371