SAE ARP 5416B-2025点火源检测试验标准解读及对比

一、引言

飞机燃油系统区域内，燃油蒸气浓度可能达到可燃极限范围。当雷电电弧附着于该区域，或雷电流传导时，可能产生电火花、电弧、热火花、热点等点火源；一旦引燃燃油蒸气，将导致灾难性后果。因此，军用和民用飞机的适航审定体系均要求在燃油蒸气可能存在的位置开展点火源检测试验，其核心目的是验证：雷电电弧附着或雷电流传导，不会产生足以点燃燃油蒸气的点火源。

目前，通用的点火源检测方法主要有两类：一是光学法，利用相机拍摄火焰位置；二是可燃混合气体法，向试验区域充入规定浓度的可燃混合气体，以检验是否出现点火源。

二、依据性文件

· GJB3567A-2023《军用飞机雷电防护试验方法》
· SAEARP5416A-2013《AircraftLightningTestMethods》
· SAEARP5416B-2025《AircraftLightningTestMethods》
· RTCADO-160G《机载设备环境条件和试验程序》（第23章）

其中，SAEARP5416B-2025是新发布的包含点火源检测试验的标准；GJB3567A-2023的内容与SAEARP5416A-2013基本一致。因此，本文件的标准解读主要依据新版的SAEARP5416B。

三、标准解析

点火源检测试验是指在对试验件进行电弧注入试验或电流传导试验时附加的验证试验件内部是否出现200µJ火花的试验项目。主要针对的试验件包括完整的油箱、部分油箱段以及燃油系统部件（如管道、口盖等）。根据分区不同，电弧注入试验和电流传导试验的试验方法分别与标准中相应试验方法一致。

220µJ能量的来源为Lewis和vonElbe在20世纪50至60年代为美国矿业局开展的研究中发现，大多数轻质烷烃燃料（如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、己烷、庚烷等）的最小点火能量约为220µJ。

点火源检测试验的方法分为两类：

· 光学方法

· 可燃混合物（易燃气体）测试方法

3.1 光学方法

光学方法即为使用光学方法（如数字摄影）检测燃油系统组件雷击测试期间的点火源。本方法仅应在可以观察到测试对象的所有角度时使用。要求必须确认所使用的光学系统能够检测到200µJ+0/-10%的火花。光学方法的优点为能识别发生点火源的位置，从而更有助于故障分析。

3.1.1 光学系统要求

标准中给出了宝丽来黑白3000ASA速度617胶片使用f/4.7镜头（无滤镜）在距离潜在点火源不超过1.5m（包括镜面反射距离和损耗）的情况下检测200µJ+0/-10%的火花。但是宝丽来胶片很难获取，也可使用数码相机进行测试。

但使用数码相机时，必须进行相机的验证程序，即使用标准点火源对数码相机进行验证，以确保数码相机可以拍摄到200µJ+0/-10%的火花。

3.1.2 电极要求

光学方法中未对标准点火源的电路进行要求，可参考可燃混合物（易燃气体）测试方法设计标准点火源，但光学方法中对标准点火源的电极有明确的要求：

· 材料：钨（非放射性）；
· 形状：1.6mm（1/16英寸）直径的棒，带有0.8mm（1/32英寸）半径的半球形尖端。在间隙的任一侧应至少有8mm（5/16英寸）的裸露棒，以避免来自电极组件任何其他特征的场畸变；
· 棒电极的设置应使棒中心位于同一直线上，无明显的轴位移；
· 间隙距离：1.5mm±0.1mm；
· 电极使用之前需经过老化处理，经过10000次的放电，放电后不应打磨电极。

3.1.3 相机验证程序

进行相机验证程序前，需记录相机制造商、型号及序列号；若使用可拆卸部件（如镜头、后背等），亦应记录各部件对应的制造商、型号及序列号。验证所获数据仅适用于记录在案的相机系统。

部分数码相机存在缺陷像素（如坏点、热点及固定像素），为避免其在相机验证过程中干扰点火源亮度判读，需对这些缺陷像素予以剔除。具体方法如下：在相同相机设置（ISO、曝光时间等）下，使用镜头盖或在经验证的暗室中拍摄至少三张图像；同时，在已知色温的均匀白色背景（如白平衡镜头盖）下拍摄至少三张图像。通过视觉观察或软件计算，识别并记录图像中的坏点（像素值为0,0,0）或固定像素（任一RGB通道值恒为255的像素点）。若图像中出现随机热点，建议更换数码相机。

相机的验证程序如下：

· 设置老化的200µJ火花源。
   · 将火花源设置在暗箱中，以消除任何外部光源。
   · 设置并记录相机和镜头设置。相机和镜头设置应为手动，所有内部图像处理和滤镜禁用。
   · 将相机机身正面放置在距离间隙电极不超过1.5m的位置。
   · 定位相机，使其能够清晰观察间隙电极，并且相机的中心线与间隙电极正交。
   · 在照明条件下拍摄测试图像，确保间隙电极清晰对焦，并且景深足以捕捉测试物品的范围。验证相机的分辨率在1.5mm间隙上至少为5像素，高性价比为10像素或更多。
   · 在暗箱中，拍摄几张200µJ+0/-10%火花的图像。分析图像并确定火花的峰值像素值。调整并记录ISO和相机光圈设置，使测量的峰值像素值的平均值在相机动态范围的50%至80%之间（例如0-255JPG压缩范围）。
   · 设置光圈（f值），使预期测试物品的距离范围清晰对焦。记录此相机验证的距离范围。拍摄至少50张200µJ+0/-10%火花的图像。验证所有放电都在存储能量范围内。

图片的峰值像素值（即灰度图像中的最大灰度值）可通过ImageJ软件查看。具体操作为：先将照片转换为8-bit灰度图像，再读取其中亮度最高的像素点所对应的灰度值。

图 1 分区流程图

图 2 符合要求的校准图片（峰值亮度172）

图 3 不符合标准的校准图片（峰值亮度255）

相机验证程序中需要记录如下数据：

· 相机所有设置；
   · 相机机身前端到电极的距离；
   · 验证和测试的图片分辨率；
   · 电极材料（应为钨）；
   · 电极间隙（应为1.5mm±0.1mm）；
   · 击穿电压、电容和能量；
   · 湿度和温度；
   · 拍摄带有火花源的照片，确保相机对焦；
   · 保存原始图像数据文件的未编辑副本。

3.1.4 正式试验流程

· 按照相机验证程序中的相同方式设置数码相机。确保相机可以拍摄到所有潜在的点火焰位置；
   · 拍摄照明测试对象的图像以记录其位置。用于后期识别测试期间观察到的潜在点火源的位置。
   · 进行雷电试验，记录输入电流波形、设定电压、室温、湿度。
   · 使用与相机验证程序中相同的软件，识别试验件出现火花的峰值亮度，与验证程序中火花峰值亮度对比，定量的判断火花是否大于200µJ。

图 4 光学方法试验示意图

图 5 实际试验布置示意图

注：雷电试验电流发生器采用泰思特LCG 464全自动电流发生器系统，相机采用佳能2000D数码相机。

3.2 可燃混合物（易燃气体）测试方法

可燃混合物（易燃气体）测试方法指将被测试验件整体置于规定浓度的可燃混合气体的密闭试验腔内部开展雷击试验，通过直接观测可燃混合气体是否被引燃，以此判定雷击作用下试验件是否产生能量不低于200µJ的危险点火源。

该测试主要应用于光学观测手段存在视野遮挡、无法完整观察全部潜在点火位置的测试场景，弥补光学检测方法的观测局限性。

3.2.1 混合气体配比装置

有流量控制、分压配置两种实现方案，禁止使用氩气（与之前标准要求不同）等非氮气稀释剂，避免改变气体击穿特性，偏离真实空气环境。

a. 流量控制法

依靠质量流量控制器精准控制各组分流量。总流量28.3 SLPM；6%乙烯、19.7%氧气、74.3%氮气配比：燃油1.70 SLPM，氧气5.58 SLPM，氮气21.02 SLPM。采用流量控制法时，为保证试验腔体内部完全为可燃混合气体，需通入五倍体积的混合气体。

b. 分压法

容器预先抽真空，依靠高精度绝对压力表，按分压充入各组份，示例目标总压101 kPa：燃油充至6.06 kPa；氧气充至25.96 kPa；氮气充至101 kPa总压。

3.2.2 标准点火源

可燃混合物（易燃气体）测试方法中对标准点火源的回路有明确要求。但由于火花能量无法直接测量，通常采用理论计算方式予以确定，即通过对电容充电，再经火花间隙放电，能量按公式E=1/2CU²计算。电容与放电间隙之间的连接应尽可能短而粗，以确保电容储存的能量全部通过火花间隙释放。

图 6 标准点火源回路图

其中150GΩ电阻功能为控制电容充电速度为秒级，避免出现多次放电的现象，50MΩ电阻功能为确保只有存储在电容上面的能量，传输到放电间隙上。

3.2.3 气体验证程序

在进行雷击测试之前，必须验证并记录气体混合物测试体积在200µJ+0/-10%的最小能量火花水平下的点火概率，以保障试验结果置信度。验证程序如下：

· 清洁火花电极，设置间隙；计算匹配200µJ能量所需电容，调整电容，及间隙间距。
   · 密封箱体爆破泄压孔，确认压力释放装置完好。
   · 设置气体混合配比装置。
   · 在测试箱体内通入混合气，完成5倍腔室体积置换。
   · 释放200µJ火花源，记录击穿电压、点火结果、时间、计算能量；未点火则等待2min再次触发；连续5次未引燃，使用高能火花塞引燃腔室；排查泄漏、火花源能量异常。
   · 重复上述试验至少9次，实现合计10次放电，必须满足至少9次点火成功。

3.2.4 正式试验流程

· 清洁电极尖端；
   · 用箔或等效物密封爆破孔；
   · 通过填充测试腔室以置换五个测试体积开始测试；
   · 按标准雷击测试方法进行测试；
   · 如果雷击测试放电未引燃可燃混合物，触发200µJ火花源并记录击穿电压、点火（是或否）、测试时间、计算能量。

注：若采用标准点火源连续五次均未能点燃可燃混合物，则应改用高能火花塞进行点燃。若标准点火源未能点燃混合物，则本次试验无效。

图 7 可燃混合物（易燃气体）测试方法

四、标准对比

SAE ARP 5416B 在 SAE ARP 5416A 的基础上进行了较大幅度的更新，主要体现为以下两个方面：一是增加了光学方法中针对数码相机的验证流程；二是在可燃混合物（易燃气体）测试方法中，明确禁止使用非氮气作为稀释气体。