劉賀楠,郭 俊,伊同強(qiáng),任德昌

(西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,西安710049)

0 引言

雷電是一種高電壓大電流的放電現(xiàn)象,在地球大氣層中平均每天約發(fā)生800萬次,是自然界中最普遍的放電現(xiàn)象之一,在大氣中運(yùn)行的高速飛行器(包括火箭、返回式飛船等)不可避免地會(huì)遭遇雷電環(huán)境,因而由雷擊引起的飛行器事故時(shí)有發(fā)生[1]。雷電對(duì)飛行器的危害分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng),但這兩種效應(yīng)并不能絕對(duì)分開,有些危害可能既包括直接效應(yīng),又包括間接效應(yīng)[2]。雷電直接效應(yīng)是指因雷電通道直接附著于飛機(jī)和因雷電流的傳導(dǎo)造成的飛機(jī)及設(shè)備的物理效應(yīng),包括表面和結(jié)構(gòu)的絕緣擊穿、爆炸、彎曲、熔化、燃燒以及汽化等,也包括直接注入到布線、管道、控制線纜和其他傳導(dǎo)部件中的電壓和電流,還包括一些其他的效應(yīng),如震動(dòng)效應(yīng)和對(duì)人員的閃光致盲[3]。即使雷電未直接接觸飛行器的電氣線路,對(duì)機(jī)身的雷擊仍能在該線路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流浪涌,將感應(yīng)電壓和電流對(duì)系統(tǒng)造成的擾動(dòng)或損壞定義為間接效應(yīng)。歷史上發(fā)生過多次飛行器雷擊事件,造成了無法估量的損失,因此加強(qiáng)飛行器雷電防護(hù)措施具有重大意義。

在國內(nèi),能夠完成整機(jī)的實(shí)驗(yàn)室雷電間接效應(yīng)防護(hù)試驗(yàn)的機(jī)構(gòu)主要有中航工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司和合肥工業(yè)大學(xué)共建的安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。我國航空工業(yè)到目前為止所有涉及雷電防護(hù)試驗(yàn)的飛機(jī)型號(hào)均在該實(shí)驗(yàn)室完成。該實(shí)驗(yàn)室己完成的飛機(jī)雷電防護(hù)試驗(yàn)項(xiàng)目包括:雷達(dá)罩、空速管、設(shè)備艙、電子電氣設(shè)備(如發(fā)參顯控設(shè)備、慣導(dǎo)設(shè)備、航姿設(shè)備、機(jī)載二次配電設(shè)備等)、機(jī)身盒段、平尾、機(jī)翼、復(fù)合材料垂尾、螺旋槳、燃油系統(tǒng)等,幾乎涉及所有國產(chǎn)飛機(jī)。歐美等國家航空業(yè)發(fā)展早于我國,完成整機(jī)的實(shí)驗(yàn)室雷電間接效應(yīng)防護(hù)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)更多、試驗(yàn)條件更成熟[4]。但是,整機(jī)的雷電間接效應(yīng)防護(hù)試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力,易受測(cè)試條件干擾,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不夠精確。數(shù)值仿真具有花費(fèi)少、可對(duì)整機(jī)雷電流時(shí)域全過程進(jìn)行模擬的優(yōu)勢(shì),電磁仿真軟件也被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。

1 飛行器被雷電破壞案例

雷電擊中飛行器后,在其表面快速上升的大幅值電流脈沖所形成感應(yīng)的電壓,往往高到足以擊穿絕緣體或造成人員傷亡,即使雷電沒有直接擊中飛行器,雷電的間接效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致飛行器中某些關(guān)鍵電子設(shè)備損壞,致使飛行器失去控制。世界范圍內(nèi)雷電導(dǎo)致飛行器失控的事故并不少見。

1961年秋,部署在意大利攜有140萬噸當(dāng)量熱核彈頭的美國丘比特固體導(dǎo)彈在發(fā)射陣地多次遭雷擊,受到嚴(yán)重?fù)p壞[5]。1984年6月上旬,日本反坦克部隊(duì)在進(jìn)行固體運(yùn)載火箭實(shí)戰(zhàn)演練時(shí),遭受雷擊,火箭落地墜毀,同時(shí)超高壓大電流傳導(dǎo)到操作臺(tái),操作人員受到不同程度的燒傷。1988年9月,越南一架客機(jī)在曼谷上空遭雷擊,76人遇難。1994年7月,我國某固體運(yùn)載火箭在進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí),遭受間接雷擊,導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備損壞,造成飛行試驗(yàn)失利。2000年我國一架飛機(jī)在降落時(shí)遭雷擊,51人遇難[4]。2007年10月,國航某客機(jī)受到雷擊,導(dǎo)致數(shù)航班延誤,幸未造成人員傷亡。2010年哥倫比亞的一架飛機(jī)遭雷擊,飛機(jī)斷為三段[6]。

2 雷電對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料飛行器的直接效應(yīng)與防護(hù)

2.1 雷電對(duì)金屬結(jié)構(gòu)飛行器的直接效應(yīng)

為避免遭受雷擊環(huán)境破壞,飛行器的制作材料和其組裝方式是現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)制造應(yīng)考慮的兩個(gè)重要方面。傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)的鋁機(jī)身,由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性,很少因雷擊而遭到嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞,并且這些結(jié)構(gòu)可以為一些敏感系統(tǒng)和機(jī)內(nèi)人員提供良好的保護(hù)。

金屬結(jié)構(gòu)主要是指飛行器的外蒙皮,包括內(nèi)部的金屬支架,如翼梁和艙壁。由于雷電流擴(kuò)散并流經(jīng)雷電進(jìn)入點(diǎn)和雷電離去點(diǎn)之間的整個(gè)機(jī)身,因此在機(jī)身段的大部分位置電流密度很低,另外制造這些結(jié)構(gòu)的鋁提供了優(yōu)良的導(dǎo)電性,因此很少造成物理破壞。一方面,當(dāng)電流路徑上兩結(jié)構(gòu)部件之間有不良電連接時(shí),才可能有兩部件之間起弧引起的物理損壞;另一方面,在進(jìn)入點(diǎn)或者離去點(diǎn)附近的電流通路覆蓋區(qū)域,磁力集中和電阻加熱可能導(dǎo)致這些區(qū)域上的損壞。總體來說,雷電對(duì)金屬結(jié)構(gòu)飛行器的直接效應(yīng)包括以下幾方面[7-8]:

1)在金屬表面附著點(diǎn)處的熔穿或沖擊波效應(yīng);

2)雷電流導(dǎo)致金屬體溫度升高;

3)磁力效應(yīng);

4)聲沖擊效應(yīng);

5)在搭接、接頭處起弧;

6)燃油箱易燃蒸氣的點(diǎn)燃。

導(dǎo)致飛行器金屬表面熔穿的原因是雷電在附著點(diǎn)處釋放出高能量,在金屬蒙皮上某一特定附著點(diǎn)產(chǎn)生的破壞主要取決于雷電在該點(diǎn)附著的時(shí)間長短,如果雷電通道迅速掃掠過未涂漆的鋁蒙皮,則可能只是使得蒙皮外表面上產(chǎn)生微小的凹痕;反之,如果雷電停留時(shí)間更長,就增加了金屬表面發(fā)生熔穿的概率。

2.2 對(duì)金屬結(jié)構(gòu)飛行器的直接效應(yīng)防護(hù)措施

為防止飛行器金屬表面附著點(diǎn)處的熔穿,通常采用增加厚度、弧根分散和多層進(jìn)行防護(hù)。

弧根分散是用起伏不平的導(dǎo)電涂層處理外表面的一種防護(hù),起伏不平會(huì)造成表面電場(chǎng)附近的電場(chǎng)出現(xiàn)不均勻,從而導(dǎo)致弧根分成多個(gè)路徑。當(dāng)雷電附著在飛行器表面時(shí)可以分成多條電流細(xì)絲,則附著在蒙皮表面時(shí)就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)附著點(diǎn),這相當(dāng)于把總能量分散到單個(gè)點(diǎn),通過促使弧根分散的表面處理可以將蒙皮損壞降到最小。

防止金屬表面附著點(diǎn)處熔穿的直接方法就是使用足夠厚的金屬板作為蒙皮,具體的蒙皮厚度取決于雷電駐留時(shí)間。對(duì)于分區(qū)過的機(jī)身,不同區(qū)中雷電駐留時(shí)間不同,則蒙皮厚度也不同。如處在1A區(qū)中,典型的涂層厚度下駐留時(shí)間假設(shè)為20ms,此時(shí)蒙皮厚度為2mm～3mm[2]。在飛行器設(shè)計(jì)過程中要滿足防止蒙皮熔穿的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

保護(hù)金屬蒙皮其他常用方法就是用多層進(jìn)行防護(hù),將一個(gè)薄的金屬保護(hù)層用不導(dǎo)電的膠黏劑黏結(jié)到金屬蒙皮表面,使其分層。這樣,熔化常局限于金屬的外層,內(nèi)層不會(huì)損壞。

3 雷電對(duì)飛行器復(fù)合材料的直接效應(yīng)與防護(hù)

3.1 雷電對(duì)復(fù)合材料的直接效應(yīng)

目前全金屬飛行器幾乎沒有,飛行器正在采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料構(gòu)造,而這些材料的導(dǎo)電性卻比鋁小得多。用于飛行器的不導(dǎo)電材料包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維、丙烯酸樹脂等,這些不導(dǎo)電復(fù)合材料用來制造飛機(jī)上的許多結(jié)構(gòu),包括雷達(dá)罩、機(jī)翼尖和尾翼尖、整流罩和尾翼等。

由于電場(chǎng)可以穿透不導(dǎo)電復(fù)合材料制成的表面,迎面先導(dǎo)可能從不導(dǎo)電蒙皮下的導(dǎo)電物體發(fā)生,并可能在這些蒙皮上穿孔,這樣雷電可能附著金屬上,迎面先導(dǎo)造成的穿孔通常像針孔一樣微小,如圖1所示。如果雷電流過大,則孔隙將變得很大,常常對(duì)周圍材料造成重大損壞。

圖1 雷電擊穿聚乙烯印記Fig.1 The mark of lightning-penetrated polyethylene

導(dǎo)電復(fù)合材料包括樹脂加強(qiáng)的各種碳纖維或碳絲的不同排列,以及樹脂加強(qiáng)的各種硼絲的不同排列,碳纖維復(fù)合材料(CFC)最為常見。然而,碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)的金屬材料如鋁、鋼和鈦合金其導(dǎo)電率較低,對(duì)雷電更加敏感。低電導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)材料能夠吸收更多焦耳熱(電阻加熱)形式的電能,這意味著相比于同體積的鋁,雷電在碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料中能量被吸收更多,考慮到碳纖維復(fù)合材料的物理特性,其雷電損傷程度比相應(yīng)的金屬材料高得多,損傷更為嚴(yán)重。雷擊造成碳纖維復(fù)合材料的損壞包括樹脂高溫?zé)峤夂陀捎跊_擊波效應(yīng)造成的層合板破裂,這種損壞發(fā)生在雷擊附著點(diǎn)或其附近,主要是雷電流所致[9]。

3.2 對(duì)復(fù)合材料直接效應(yīng)防護(hù)措施

飛行器某些結(jié)構(gòu)是否需要雷電防護(hù)取決于它的功能和損壞后果。如損傷不產(chǎn)生嚴(yán)重的危險(xiǎn),則不必要求防護(hù)。如尾翼尖的丟失可能不會(huì)危及整機(jī)安全,可不予防護(hù),萬一遭受雷擊,可對(duì)這些部位進(jìn)行修理或者更換。但如影響飛行器安全就需要加裝防護(hù)措施,如雷達(dá)罩的丟失可能會(huì)引起雷達(dá)失效,造成事故。

不導(dǎo)電復(fù)合材料雷電防護(hù)通常有兩種基本方法。第一種是在外表面采用整體金屬(通常是鋁)分流條或分段式分流條,這些分流條提供了結(jié)合先導(dǎo)形成的優(yōu)先位置;第二種方法是在結(jié)構(gòu)的外表面敷設(shè)一層導(dǎo)電材料。外表面敷設(shè)導(dǎo)電材料是最有效的雷電防護(hù),它還提供了保護(hù)密閉系統(tǒng)免受與雷電相關(guān)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)影響的增強(qiáng)性保護(hù)。

分流條根據(jù)安裝位置與制作工藝不同可大致分為以下4種:整體分流條、內(nèi)分流條、箔條、分段式分流條。整體分流條是連續(xù)的金屬條,放置在不導(dǎo)電蒙皮外面,以提供優(yōu)先的流光和結(jié)合先導(dǎo)發(fā)源地,目的是從分流條傳播的流光攔截雷電并安全地將雷電流傳導(dǎo)到一個(gè)相鄰的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上。內(nèi)分流條是整體分流條用緊固件安裝在雷達(dá)罩的內(nèi)表面,緊固件穿出雷達(dá)罩壁,起雷電附著點(diǎn)作用,相比于外置式分流條,內(nèi)置式分流條降低了由于外部安裝而產(chǎn)生的空氣動(dòng)力阻力,其缺點(diǎn)是可能發(fā)生內(nèi)側(cè)雷電。箔條是以前飛行器雷電防護(hù)采用的方法,現(xiàn)在很少使用,因?yàn)樗鼈兛梢匀诨蚱?通常只提供一次性雷電防護(hù),對(duì)后面的雷電就失去了保護(hù),并且箔條爆炸有時(shí)會(huì)損壞其附著的復(fù)合材料。分段式(矩形金屬鈕扣式)分流條以獨(dú)有的質(zhì)量小、透波性能強(qiáng)、形狀適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)越來越受到雷達(dá)罩防雷設(shè)計(jì)者的青睞[10]。在大多數(shù)應(yīng)用中,它們與整體分流條一樣有效。矩形金屬鈕扣式分流條在對(duì)機(jī)載雷達(dá)罩形成雷電防護(hù)的過程中,隨著雷電下行先導(dǎo)向飛機(jī)不斷逼近,分流條表面的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸超過擊穿臨界值,分流條將發(fā)生擊穿,并在上方產(chǎn)生雷電上行先導(dǎo),當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)相遇,雷電流將通過被擊穿導(dǎo)通的分流條流向機(jī)身,從而避免雷達(dá)罩的損壞,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)罩的雷電防護(hù)。分段式分流條的形狀如圖2所示。

圖2 金屬鈕扣式分流條的樣品實(shí)物圖Fig.2 Physical sample of metal button diverter strip

另外一種防護(hù)方法就是用導(dǎo)電涂層防護(hù),即在不要求電磁透明的地方,將導(dǎo)電材料應(yīng)用于不導(dǎo)電表面以此將雷電流傳導(dǎo)到機(jī)身,材料包括電弧或火焰噴涂金屬、編織金屬絲網(wǎng)、整體和網(wǎng)狀金屬箔、鍍鋁的玻璃纖維等。

對(duì)于導(dǎo)電復(fù)合材料的防護(hù),一般采用編織絲網(wǎng),與CFC配合使用延展金屬箔、鍍金屬的CFC、交互編織的金屬絲等?？傮w來說,這些方法的基本原則有兩個(gè):

1)提高電導(dǎo)率,促使雷電流進(jìn)入防護(hù)層而不流入CFC;

2)促使雷電流在大范圍內(nèi)多點(diǎn)流入蒙皮,即弧根分散,避免蒙皮損傷。

4 雷電對(duì)飛行器其他直接效應(yīng)與防護(hù)

飛行器的某些機(jī)構(gòu)可能由于遭受雷電流的強(qiáng)磁場(chǎng)而變形損壞,當(dāng)同方向電流流經(jīng)兩條或兩條以上的平行導(dǎo)線時(shí),其間的相互吸引力作用于導(dǎo)線上,嚴(yán)重時(shí)致使導(dǎo)線變形斷裂,可能遭受磁力損壞的部件包括搭接條、雷電分流條、天線或空氣數(shù)據(jù)探頭等。對(duì)磁力損壞進(jìn)行防護(hù)的原則是使搭接條盡可能短,最大程度降低搭接條的感應(yīng)電壓;采用足夠大橫截面積載送雷電流;如果使用兩個(gè)或者兩個(gè)以上平行搭接條導(dǎo)線,則應(yīng)該使它們有效分開,以使磁力效應(yīng)減至最小。

當(dāng)雷電流流入到先導(dǎo)通道中,大量的能量在數(shù)百微秒內(nèi)被輸送到該通道,導(dǎo)致該通道以超聲速膨脹,膨脹期間通道壓力為10～15個(gè)大氣壓,沖擊波造成破壞的例子包括風(fēng)擋和航行燈罩破裂或破碎。現(xiàn)代的風(fēng)擋多為多層結(jié)構(gòu),有足夠的強(qiáng)度經(jīng)受住沖擊波而不會(huì)被完全擊碎。

接頭傳導(dǎo)大電流而不出現(xiàn)火花燒蝕的能力由接觸材料、配合表面的形狀和表面積以及表面處理方式、接觸壓力確定,這些因素是影響接頭電阻的因素。任何接頭或者緊固件對(duì)安全載送雷電流的適合性必須在指定的全部雷電的電流電平下通過試驗(yàn)確定[2]。

對(duì)于燃油箱易燃蒸氣的點(diǎn)燃的雷電防護(hù)是一個(gè)重要而系統(tǒng)的過程,主要目的是抑制和避免雷電導(dǎo)致燃油箱口蓋和結(jié)構(gòu)接頭處起弧,在此不詳細(xì)論述。

5 雷電間接效應(yīng)與防護(hù)

5.1 雷電間接效應(yīng)

雷電的間接效應(yīng)是指雷電流輻射的電磁脈沖對(duì)電子電氣設(shè)備及系統(tǒng)的干擾和損傷效應(yīng)。主要表現(xiàn)為雷電流產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、暫態(tài)過電壓和電磁耦合。而電磁耦合主要包括阻性耦合、磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合3種方式[11]。從外界電磁環(huán)境到飛行器內(nèi)部最重要的耦合形式是開口耦合[12]。雷電電磁脈沖是一種強(qiáng)瞬態(tài)電磁輻射,極易耦合到雷電附著點(diǎn)附近的通信和雷達(dá)天線上,對(duì)天線設(shè)備造成損傷。雷電電磁脈沖還會(huì)通過各類孔縫耦合到機(jī)體內(nèi)部,對(duì)機(jī)體內(nèi)部的動(dòng)力、控制、監(jiān)測(cè)和通信等重要的電子設(shè)備和系統(tǒng)造成干擾和破壞。此外,雷電電磁脈沖也會(huì)耦合在電源線和通信線等各類線纜上,感應(yīng)出高幅值的瞬態(tài)電壓和電流浪涌,侵入各類與線纜相連接的關(guān)鍵電子系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi),對(duì)飛行器安全具有極大的威脅。

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的耦合途徑(或傳輸通道)。通常有兩種耦合方式:一種是傳導(dǎo)耦合,另一種是輻射耦合[13]。傳導(dǎo)耦合必須在干擾源和敏感電子設(shè)備之間有完整的電路連接,干擾信號(hào)沿著這個(gè)連接鏈路傳到敏感設(shè)備,發(fā)生干擾破壞現(xiàn)象。輻射耦合是指干擾信號(hào)通過空間傳播,干擾能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周圍空間輻射[14]。

現(xiàn)代飛行器越來越多地采用先進(jìn)電子設(shè)備,機(jī)身蒙皮大規(guī)模地使用復(fù)合材料,這使得艙室內(nèi)部的電子設(shè)備和線纜對(duì)雷電電磁環(huán)境十分敏感[15]。飛行器一旦遭受雷擊,后果不堪設(shè)想,因此為保障飛行器的航行安全,必須對(duì)雷電間接效應(yīng)進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)并進(jìn)行雷電試驗(yàn)驗(yàn)證。

5.2 雷電間接效應(yīng)防護(hù)措施

對(duì)于飛行器來說,不可能將巨大的能量泄放到大地,只能通過均衡的原理在其內(nèi)部建立等電位差。均衡原理要由電位補(bǔ)償系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),電位補(bǔ)償系統(tǒng)由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器組成,在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里,這個(gè)系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個(gè)等電位差,這個(gè)電位差就是我們?cè)O(shè)計(jì)提出的箝位電壓值[16]。

飛行器內(nèi)部各種電子設(shè)備的機(jī)箱很多是由金屬板材加工組合而成的。由于技術(shù)水平的限制和功能的需要,難免存在各類孔縫,有的還在殼體上有各類開口。如各種操作平臺(tái)的顯示器、通風(fēng)散熱窗口、操作顯示窗口、電源、信號(hào)的出入口等這些孔隙是電磁脈沖能量進(jìn)入的重要途徑。

屏蔽是防止和減小雷電電磁脈沖以輻射對(duì)敏感電子設(shè)備危害的最有效方法之一。由于雷電的電場(chǎng)和磁場(chǎng)均較高,要求屏蔽材料既具有良好的電屏蔽,又具有良好的磁屏蔽效果。對(duì)屏蔽體的所有縫隙進(jìn)行良好的焊接、壓接、或彈性接觸,并對(duì)屏蔽體的貫穿導(dǎo)體在入口進(jìn)行良好的電連續(xù)性處理,都是提高系統(tǒng)屏蔽效果的有效方法。

針對(duì)雷電電磁脈沖傳導(dǎo)耦合方式,通常采用雷電防護(hù)器件或者防護(hù)器件組成的電磁脈沖防護(hù)模塊[17]。端口綜合防護(hù)模塊的核心是浪涌防護(hù)器件,常用浪涌防護(hù)器件包括開關(guān)類器件和鉗壓類器件兩大類。開關(guān)類器件包括氣體放電管、玻璃放電管等,鉗壓類器件包括壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor)二極管等。表1是常用浪涌防護(hù)器件的性能特性。

表1 常用浪涌防護(hù)器件性能特性Tab.1 Performance characteristics of common surge protection devices

開關(guān)類器件通常具有較大的通流能力,但其響應(yīng)速度較慢,理論上為ns級(jí);鉗壓類器件的響應(yīng)速度通常較快,其中TVS的理論響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)。TVS非線性特性比壓敏電阻好,能夠用于需要精密保護(hù)的電子線路中,有單向和雙向兩種類型,TVS不易老化,使用壽命長,但是它的缺點(diǎn)是額定電流小,TVS二極管在快脈沖作用下鉗位特性更加良好,而壓敏電阻在應(yīng)用中具有工作電壓高、泄流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),采用高低配合的模式設(shè)計(jì)防護(hù)電路,達(dá)到防護(hù)響應(yīng)時(shí)間與通流量的要求[18]。

飛機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)的目標(biāo)是減小機(jī)內(nèi)電子電氣系統(tǒng)及其互連線束區(qū)域的內(nèi)部雷電瞬態(tài)環(huán)境,使得通過互連線束耦合在設(shè)備接口的實(shí)際瞬態(tài)電平不大于預(yù)期的瞬態(tài)控制電平。

自2006年開始實(shí)施的我國軍方標(biāo)準(zhǔn)GJB1389A[19]提出了飛機(jī)系統(tǒng)雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)要求,此標(biāo)準(zhǔn)和美國軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-464A類似[20],要求雷電間接效應(yīng)的符合性應(yīng)通過飛機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和部件試驗(yàn)、分析或試驗(yàn)與分析組合等方法來驗(yàn)證,并規(guī)定了飛機(jī)系統(tǒng)雷電間接效應(yīng)驗(yàn)證試驗(yàn)“電流波形A、B、C、D”“多重沖擊波形D”和“多重脈沖組波形H”及其對(duì)應(yīng)參數(shù),波形參數(shù)見表2。

表2 MIL-STD-454A雷擊信號(hào)類型Tab.2 Type of lightning strike signal in MIL-STD-454A

對(duì)于雷電間接效應(yīng),機(jī)載電子電氣系統(tǒng)應(yīng)采用綜合設(shè)計(jì)技術(shù),從系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件方面減少雷擊瞬態(tài)感應(yīng)場(chǎng)對(duì)其造成的影響,系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免在飛行器內(nèi)部長距離傳輸信號(hào)。

在硬件設(shè)計(jì)方面,需要從搭接、布線方式、布線長度、接地、屏蔽、濾波等方面綜合考慮,將一個(gè)連接器的模擬電路信號(hào)與數(shù)字電路信號(hào)分區(qū)布置。軟件設(shè)計(jì)也可以增加系統(tǒng)對(duì)雷電感應(yīng)瞬變的抗擾度,這些技術(shù)包括數(shù)據(jù)通信、中斷、定時(shí)器、多處理器、余度、非相似程序、容錯(cuò)等[21]。

6 結(jié)論

雷電直接效應(yīng)和間接效應(yīng)可對(duì)飛行器的安全構(gòu)成巨大威脅,大量復(fù)合材料的使用使飛行器內(nèi)部電子電氣系統(tǒng)的電磁環(huán)境更加復(fù)雜。對(duì)于不同的材料應(yīng)使用不同的雷電防護(hù)方式,對(duì)于金屬材料可采用弧根分散、增加金屬材料厚度和使用多層的方法進(jìn)行雷電直接效應(yīng)防護(hù)。對(duì)于復(fù)合材料可以使用分流條、導(dǎo)電涂層、編織絲網(wǎng)和金屬鋁箔進(jìn)行雷電直接效應(yīng)防護(hù);對(duì)不同的雷電作用方式應(yīng)用不同防護(hù)措施,針對(duì)電磁脈沖輻射耦合方式可以用屏蔽的方式進(jìn)行防護(hù),并對(duì)屏蔽體的縫隙進(jìn)行良好的焊接、壓接、或彈性接觸以提高屏蔽效果;針對(duì)電磁脈沖傳導(dǎo)耦合方式可以用浪涌防護(hù)器件的方式進(jìn)行防護(hù),采用壓敏電阻和TVS二極管高低配合的方式,可達(dá)到防護(hù)響應(yīng)時(shí)間和通流量的要求。

總的來說,對(duì)不同的應(yīng)用材料,對(duì)雷電不同作用部位與方式應(yīng)采用不同的防護(hù)方法對(duì)飛行器進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù),整體機(jī)載電子電氣系統(tǒng)應(yīng)采用綜合防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù),并最終通過驗(yàn)證試驗(yàn),確保飛行器的安全。