趙玉龍，劉光斌，余志勇

（解放軍第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025）

雷電災(zāi)害是自然界最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，可定義為路徑長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的瞬時(shí)大電流放電。地球大氣層中，平均每天發(fā)生約800萬(wàn)次雷電，一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率[1]可高達(dá)108W。飛行器的活動(dòng)空間恰是雷電形成和發(fā)展的場(chǎng)所，雷電在其放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，可能干擾飛行器內(nèi)部設(shè)備的正常工作甚至損壞，這將對(duì)飛行器的飛行安全造成極大的威脅，每年因雷電造成的飛行事故枚不勝舉。因此，研究飛行器的雷電防護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。

1 雷電特性

雷電特性為雷電防護(hù)提供著重要參考，為方便深入研究雷電特性，學(xué)者們先后提出了雙指數(shù)函數(shù)模型、Heidler函數(shù)模型和脈沖函數(shù)模型，用以描述雷電流波形，與雙指數(shù)函數(shù)和Heidler函數(shù)相比，脈沖函數(shù)兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，即一階導(dǎo)數(shù)在t=0時(shí)連續(xù)且可積。日本曾在1994～1997年，用 Rogowski線(xiàn)圈測(cè)量雷電流參數(shù)[2]?？傊捎谄渲匾?，學(xué)者們對(duì)它的研究熱情一直不減。

雷電流的典型波形是一雙指數(shù)曲線(xiàn)[3]，IEC規(guī)定雷電的波形用上升時(shí)間t1和半峰時(shí)間t2來(lái)表示，一般表達(dá)為t1/t2的形式。美軍標(biāo)MIL1757A中定義了模擬雷電的4個(gè)電流分量和1個(gè)電流波形[4]。

美國(guó)SAE學(xué)會(huì)的ARP5412給出了模擬自然閃電特性的電壓波形，如圖1所示，以滿(mǎn)足不同雷擊試驗(yàn)的電壓要求。GJB3567－99規(guī)定，電壓波形A和D用于非導(dǎo)電試驗(yàn)件的擊穿特性試驗(yàn)和用于判別試驗(yàn)件雷擊附著特性的試驗(yàn)。電壓波形B用于判別試驗(yàn)件的電暈、流光特性[5]。

圖1 雷電模擬電壓A、B、C、D波形Fig.1 Undee of lightning simulation voltage A、B、C、D

2 飛行器雷電危害研究

2.1 影響雷擊的因素

雷電活動(dòng)的分布高度主要在5 000 m以下，所以，飛行器飛行在大氣對(duì)流層時(shí)，極易遭受雷擊，影響其遭受雷擊的因素主要有：

1）周?chē)髿鈭?chǎng)強(qiáng)

發(fā)生雷電時(shí)，閃電附近電場(chǎng)強(qiáng)度[6]高達(dá)500 kV/m，由于飛行器基本上均采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，所以殼體可看作是良導(dǎo)體，極易遭受雷電襲擊。

2）飛行器自身攜帶電荷

飛行器自身攜帶的電荷主要來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)充電、感應(yīng)帶電和沉積靜電3個(gè)方面。發(fā)動(dòng)機(jī)充電是由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室產(chǎn)生的帶電粒子被尾氣帶走而導(dǎo)致的。感應(yīng)帶電是飛行器周?chē)茖赢a(chǎn)生電場(chǎng)，在其殼體表面產(chǎn)生極化電荷。沉積靜電是指塵埃、雨滴及其它物質(zhì)粒子與飛行器不斷發(fā)生摩擦、碰撞，致使殼體帶電。

3）飛行速度

飛行速度決定雷電在飛行器上的作用范圍，對(duì)于速度不同的飛行器，雷電作用不是一個(gè)點(diǎn)而是擴(kuò)展到一定的長(zhǎng)度L。以云對(duì)地雷電為例，此距離L可用以下公式計(jì)算[7]：

式中：V1為飛行器速度 （m/s），V2為雷電先導(dǎo)通道速度，約為 1.5×105m/s，h 為高度（m）。

4）飛行器的外形與材料

飛行器的外形與材料決定其電場(chǎng)提高的大小以及放電的可能性大小，電場(chǎng)提高系數(shù)有兩種，即極化電荷（Kp）和殼體總電荷（Kn），有關(guān)系式如下：

式中：Et為飛行器表面總電場(chǎng)，En為飛行器上面靜電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)，Ep為飛行器極化電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，Qn為飛行器上的靜電荷，Ea為殼體周?chē)髿獾碾妶?chǎng)[8]。

2.2 雷電能量耦合

飛行器上存在窗口、孔縫、接縫等以及非導(dǎo)電性材料，雷電能量可通過(guò)這些部位耦合進(jìn)入飛行器內(nèi)部，從而影響飛行安全，如圖2所示。雷電能量主要通過(guò)電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合以及阻性耦合3種方式進(jìn)入飛行器內(nèi)部。

圖2 雷電作用示意圖Fig.2 Sketch map of lightning function

1）電場(chǎng)耦合 電場(chǎng)可以直接通過(guò)孔縫、窗口等部位進(jìn)入飛行器內(nèi)部，在接地的導(dǎo)體上產(chǎn)生位移電流Isc。Isc流過(guò)負(fù)載時(shí)，會(huì)在負(fù)載上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Vsc。感應(yīng)電壓和電流幅值正比于電場(chǎng)變化率。

式中：A為截取的位移電流Isc的面積，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2）磁場(chǎng)耦合 磁場(chǎng)主要通過(guò)孔縫、接縫耦合進(jìn)入飛行器內(nèi)部。變化的磁場(chǎng)可以在非閉合回路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓Voc，也可以在閉合回路上產(chǎn)生感應(yīng)電流Isc。

式中：φ為穿過(guò)回路的電磁通量，L為回路的自感。

3）阻性耦合 雷電電流流經(jīng)接縫、非導(dǎo)電材料等阻抗部位時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，設(shè)Ra為阻抗電阻，Rw為等效電路的電阻，Lw為等效電路的自感，Voc為開(kāi)路電壓，iL為雷電流，則：

2.3 LEMP對(duì)飛行器的危害效應(yīng)

LEMP對(duì)飛行器的危害形式多種多樣，根據(jù)作用方式的不同，主要可分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[9]。

2.3.1 直接效應(yīng)

直接效應(yīng)主要是指由雷擊直接造成的對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的物理破壞，其破壞程度取決于殼體上通過(guò)的雷電流、電壓大小。

1）機(jī)械效應(yīng) 現(xiàn)代飛行器越來(lái)越多地使用了復(fù)合材料，如飛機(jī)的雷達(dá)罩等。雷電形成的高電壓峰值很大，加之作用時(shí)間短（ms級(jí)），產(chǎn)生的沖力很大，所以極易造成雷達(dá)罩、蒙皮、絕緣材料等穿孔、變形、擊穿。機(jī)械效應(yīng)的受力可以通過(guò)安培定律進(jìn)行分析。

2）熱效應(yīng) 雷電擊中飛行器時(shí)，由于作用時(shí)間短，峰值很高，會(huì)導(dǎo)致被擊中部位產(chǎn)生大量的熱量，從而致使被擊中部位燃燒或熔化。同時(shí)，趨膚效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致飛行器殼體表面產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其內(nèi)部的溫度[12]。假設(shè)瞬時(shí)流過(guò)某部位的雷電流脈沖為i，該部位的阻抗記為R，則雷電流脈沖在此部位產(chǎn)生的焦耳熱即為：

例如，某飛行器級(jí)間分離時(shí)，使用爆炸螺栓將包帶打開(kāi)，而熱效應(yīng)可能會(huì)使爆炸螺栓誤操作，影響系統(tǒng)安全。可見(jiàn)熱效應(yīng)的產(chǎn)生對(duì)飛行器的飛行安全將構(gòu)成致命的威脅。

3）火花效應(yīng) 火花效應(yīng)包括電火花和熱火花兩種。電火花是指介質(zhì)由于強(qiáng)電壓的作用而被擊穿，熱火花是指材料的燃燒碎片從熱點(diǎn)噴發(fā)而出，其實(shí)兩種效應(yīng)也有可能同時(shí)出現(xiàn)。因?yàn)槔纂娔芰渴撬查g釋放，當(dāng)雷電流峰值很高而雷擊點(diǎn)阻抗較大時(shí)，特別是在非導(dǎo)電性材料連接處，極易產(chǎn)生火花效應(yīng)，引起燃燒甚至爆炸，威脅系統(tǒng)安全。

2.3.2 間接效應(yīng)

間接效應(yīng)主要是指LEMP對(duì)飛行器電子、電氣設(shè)備的干擾或破壞，產(chǎn)生可能危及飛行器正常工作的間接危害。

1）電磁效應(yīng) 雷電通道形成后，整個(gè)通道就是一個(gè)低阻抗導(dǎo)電通道，雷電帶來(lái)的強(qiáng)電流可以產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，電磁脈沖能量通過(guò)上述各種耦合途徑進(jìn)入飛行器后，可在設(shè)備、元器件上產(chǎn)生感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流，如果這種感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流超過(guò)了設(shè)備、元器件的損傷閾值，勢(shì)必會(huì)干擾其正常工作，甚至造成設(shè)備的永久性損壞，造成系統(tǒng)故障甚至癱瘓。

2）靜電感應(yīng)效應(yīng) 雷擊瞬間，可使飛行器表面感應(yīng)出與雷云下行先導(dǎo)電性相反的感應(yīng)電荷，當(dāng)雷電消失后，殼體上的感應(yīng)電荷會(huì)重新分布，可能產(chǎn)生較高的電壓，從而使飛行器尖端部位出現(xiàn)放電現(xiàn)象，甚至有可能會(huì)產(chǎn)生閃絡(luò)，發(fā)生二次雷效應(yīng)，即感應(yīng)雷擊。

3 飛行器防雷方案淺析

3.1 法拉第籠防雷原理應(yīng)用

法拉第籠的重要作用就是屏蔽，它既能屏蔽電磁場(chǎng)，也能屏蔽磁場(chǎng)。完美定義的法拉第籠是一個(gè)能導(dǎo)電的、內(nèi)部電位為零的空心體，電荷均勻分布在殼體表面，殼體內(nèi)部是沒(méi)有電場(chǎng)的，這就阻斷了電磁場(chǎng)，達(dá)到了屏蔽效果。同時(shí)，法拉第籠對(duì)雷電流有均流和分流的作用，可以降低電磁場(chǎng)的干擾，這對(duì)于飛行器的防雷有很重要的應(yīng)用意義。飛行器上的各種窗口、孔縫、接縫等以及可能存在的非導(dǎo)電性材料，是雷電能量進(jìn)入其內(nèi)部的重要通道，因此，必須抑制或切斷這些耦合通道，形成完整的法拉第籠，可采取以下措施：

1）低阻抗電搭接 飛行器殼體上存在著各構(gòu)件之間的搭接及艙段的對(duì)接，低阻抗電搭接的目的就是減小各構(gòu)件之間、艙段對(duì)接處，以及構(gòu)件和各系統(tǒng)之間的電位差，以實(shí)現(xiàn)均壓等電位，使雷電流順利流過(guò)機(jī)身。GJB2639-1996要求電搭接的直流電阻應(yīng)控制在1 mΩ以下。例如，某飛行器殼體是由一塊塊鋁合金鉚接在一起的，所以殼體從頭到尾類(lèi)似于一個(gè)電阻器，這就要求這些鉚接部位要有良好的電搭接，以保證電氣連通性，形成低阻抗的導(dǎo)電通路，確保雷電流流經(jīng)殼體時(shí)，不產(chǎn)生電火花，不致?lián)p壞儀器設(shè)備。

HB7695-2001規(guī)定，安裝在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上的燃油管與基本結(jié)構(gòu)的搭接電阻值最大不應(yīng)超過(guò)0.1。

2）復(fù)材制件的處理 復(fù)材制件可使用高導(dǎo)電率或高磁導(dǎo)率的材料，也可以通過(guò)覆蓋金屬網(wǎng)或使用導(dǎo)電涂層增強(qiáng)其屏蔽效能。另外，火焰噴涂鋁對(duì)提高復(fù)材制件的電磁屏蔽效能最有效，目前世界上各國(guó)針對(duì)復(fù)材制件防雷擊、抗靜電的熱噴涂鋁涂層均采用的是封孔劑涂刷技術(shù)。

3）接縫的處理

①接縫處涂導(dǎo)電涂料。尤其在用螺栓機(jī)械加固或連接的部位。其結(jié)合面可能只是點(diǎn)接觸，導(dǎo)電涂料可以流入接縫縫隙，改善結(jié)合處的電接觸，提高屏蔽效能。

②增加接縫的重疊面積。屏蔽效能與接縫的重疊面積也有很大的關(guān)系，加大重疊面積，就是加深了縫隙的深度，也就提高了屏蔽效能。

③加裝導(dǎo)電襯墊。通過(guò)安裝導(dǎo)電襯墊來(lái)減小縫隙長(zhǎng)度，從而可以改善電接觸。

④使用密封材料。例如波音和空客飛機(jī)，在復(fù)合材料蓋板與整流罩之間的縫隙填充導(dǎo)電密封劑。這種導(dǎo)電密封劑是在硅橡膠中加入導(dǎo)電碳黑制成的，從而提高了接縫的電磁屏蔽效能。

3.2 飛行器內(nèi)部設(shè)備的LEMP防護(hù)

1）優(yōu)化布線(xiàn)及線(xiàn)路設(shè)計(jì)

應(yīng)根據(jù)線(xiàn)纜上信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)選擇最優(yōu)布線(xiàn)方式，合理布線(xiàn)，避免環(huán)路及大面積長(zhǎng)走線(xiàn)，以減少線(xiàn)纜回路面積和回路感應(yīng)電壓，防止內(nèi)部浪涌，提供差模和共模的能量傳輸最佳抑制。如某飛行器供電與信號(hào)電路采用雙線(xiàn)制，電源負(fù)線(xiàn)接地，有效地減小了傳導(dǎo)干擾。

2）屏蔽重要設(shè)備

屏蔽是阻止干擾的最佳途徑，對(duì)于一些極為重要的儀器設(shè)備，可考慮用屏蔽體將其完全屏蔽起來(lái)，使其處于電磁場(chǎng)最弱的位置。電磁屏蔽須采用良導(dǎo)體材料，盡量少開(kāi)孔，而對(duì)于必須穿過(guò)屏蔽體的系統(tǒng)，可用光纖連接。

3）濾波技術(shù)應(yīng)用

濾波技術(shù)是指應(yīng)用RLC電路，讓所需頻率的信號(hào)通過(guò)而阻止其它頻率的信號(hào)。所以，設(shè)計(jì)合理的濾波器，阻止雷電流的通過(guò)，可減小和抑制LEMP干擾，從而對(duì)重要的線(xiàn)路、設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。不過(guò)在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，要考慮充分，既要讓所需要的信號(hào)順利通過(guò)且不衰減，還要阻止其他頻率的信號(hào)通過(guò)，這樣才能達(dá)到濾波目的。

4）電源系統(tǒng)的保護(hù)

由雷電引起的電源損失占所有雷電致?lián)p[10]的70%，所以，飛行器的電源系統(tǒng)防護(hù)也很重要。由于飛行器的電源系統(tǒng)都位于殼體內(nèi)部，可主要應(yīng)用屏蔽原理、濾波技術(shù)等進(jìn)行保護(hù)。

5）旁路保護(hù)

旁路保護(hù)就是在被保護(hù)設(shè)備前并聯(lián)保護(hù)電路或過(guò)壓保護(hù)器件，當(dāng)電路中出現(xiàn)瞬間過(guò)電壓時(shí)，旁路先被擊穿，從而起到限制瞬態(tài)過(guò)電壓，分流浪涌電流的目的，以此保證被保護(hù)設(shè)備的安全。常用的旁路保護(hù)器件有火花隙、壓敏電阻（MOV）、瞬態(tài)抑制二極管（TVS）等。

4 結(jié)束語(yǔ)

LEMP對(duì)飛行器的安全飛行影響很大，飛行器雷電防護(hù)實(shí)際上是電磁兼容控制的一部分，是一項(xiàng)技術(shù)要求很高的工程。我國(guó)飛行器雷電防護(hù)尚處于起步階段，所以需要投入更多的力量對(duì)其防護(hù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行更深一步的研究，為飛行器的更新?lián)Q代提供技術(shù)準(zhǔn)備。

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