曹劍坤　陳中

【摘 要】系留氣球作為一種地面系留的飛行器，在空中工作時(shí)易遭受雷擊，必須對(duì)其進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。目前，針對(duì)系留氣球的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布。本文參照機(jī)載設(shè)備的防雷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系留氣球球上設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護(hù)進(jìn)行了梳理和分析，包括了試驗(yàn)方法、試驗(yàn)波形選取和實(shí)例分析。該方案可對(duì)系留氣球球上設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)有一定指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】系留氣球;雷電;間接效應(yīng);試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)： V273;V321.227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.018

Experimental Method for Lightning Indirect Effect of Balloon-borne Equipment with Captive Balloon

CAO Jian-kun CHEN Zhong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Anhui ?Hefei ?230088， China）

【Abstract】The captive balloon as a ground tethered aircraft is vulnerable to lightning strikes when working in the air. So it must be designed for lightning protection. However， the lightning protection standards for captive balloons have not been released at present. Referring to the lightning protection standard of airborne equipment， this paper analyzes the lightning indirect effect protection of the balloon-borne equipment with captive balloon， including the experimental method， experimental waveform selection and case analysis. This program provide guiding significance for the lightning indirect effect experiment of the balloon-borne equipment with captive balloon.

【Key words】Captive balloon; Lightning; Indirect effect; Experimental method

0 概述

系留氣球是一種無動(dòng)力氣球飛行器。系留氣球通過系留纜繩與地面設(shè)備連接，球體內(nèi)充滿氦氣，依靠自身浮力懸停在空中。球上可搭載任務(wù)載荷，為其提供較大的對(duì)地視界范圍。球上設(shè)備的供電是通過系留纜繩從地面獲取的。系留氣球通常位于離地一定高度的空中工作，其遭受雷擊的概率較大，系留纜繩在供電和系留的同時(shí)也提供了雷電流泄放通道。

系留氣球的雷電防護(hù)主要包括了直接效應(yīng)的防護(hù)和間接效應(yīng)的防護(hù)[1-2]。本文主要針對(duì)系留氣球球載設(shè)備的間接效應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方法

由于目前尚未出臺(tái)關(guān)于系留氣球的防雷標(biāo)準(zhǔn)，系留氣球球載設(shè)備的雷電流間接效應(yīng)一般可參考RTCA/DO-160G機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件中的防護(hù)等級(jí)要求[3-6]。系留氣球球載設(shè)備的間接效應(yīng)試驗(yàn)主要包括插針注入試驗(yàn)和線纜束試驗(yàn)，插針注入試驗(yàn)和線纜束試驗(yàn)的電平等級(jí)由低至高分為1至5級(jí)。

根據(jù)系留氣球防護(hù)等級(jí)的不同，系留氣球：

（1）插針注入試驗(yàn)中，球載關(guān)鍵設(shè)備的電平等級(jí)要求較高，直接效應(yīng)雷電流路徑附近設(shè)備的電平等級(jí)要求其次，其它設(shè)備的電平等級(jí)要求較低;

（2）電纜束回?fù)粼囼?yàn)中，直接效應(yīng)雷電流路徑附近電纜的電平等級(jí)要求較高，其它電纜的電平等級(jí)要求較低;

（3）具體的電平等級(jí)選取還需要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的雷電防護(hù)等級(jí)來確定。

1.1 插針試驗(yàn)波形

插針試驗(yàn)波形組的類別分為孔縫耦合、孔縫和電阻耦合兩種。在正常間接效應(yīng)試驗(yàn)的電平等級(jí)下，系留氣球的球上設(shè)備均處于浮地狀態(tài)。插針試驗(yàn)波形組選取孔縫耦合波形類別，包括了2組試驗(yàn)波形：

（1）第一組試驗(yàn)波形為VOC/ISC=波形3/波形3，其中VOC和ISC分別為圖1或圖2上校準(zhǔn)點(diǎn)得到的開路電壓值和短路電流值，電壓或電流波形3如圖3所示。波形3為正弦阻尼波或余弦阻尼波。

（2）第二組試驗(yàn)波形為VOC/ISC=波形4/波形1，其中電壓波形4如圖4所示，電流波形1如圖5所示。兩者的波形和指標(biāo)參數(shù)相同。

1.2 電纜束試驗(yàn)波形

電纜束試驗(yàn)由單次回?fù)粼囼?yàn)、多重回?fù)粼囼?yàn)和多重脈沖組試驗(yàn)組成。電纜束試驗(yàn)波形組的類別根據(jù)孔縫耦合、孔縫和電阻耦合以及屏蔽、非屏蔽進(jìn)行排列組合之后分為4類。電纜束單次回?fù)粼囼?yàn)可與多重回?fù)粼囼?yàn)合并進(jìn)行。多重回?fù)粼囼?yàn)的第一個(gè)瞬態(tài)信號(hào)試驗(yàn)電平用單次回?fù)粼囼?yàn)電平代替。

為了球上設(shè)備具備良好的電磁兼容，系留氣球的球上設(shè)備通常采用屏蔽電纜。在正常間接效應(yīng)試驗(yàn)的電平等級(jí)下，系留氣球的球上設(shè)備均處于浮地狀態(tài)。電纜束試驗(yàn)波形組選取屏蔽、孔縫耦合波形類別，包括了2組試驗(yàn)波形：

（1）第一組試驗(yàn)波形為VL/IT=波形2/波形1，其中VL表示電壓限制電平，IT表示電流試驗(yàn)電平。電壓波形2如圖5所示，電流波形1如圖6所示。

（2）第二組試驗(yàn)波形為VT/IL=波形3/波形3，其中VT表示電壓試驗(yàn)電平，IL表示電流限制電平。電壓波形3如圖3所示，電流波形3如圖3所示。

VT和IT為圖7所示信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)環(huán)開路時(shí)的電壓波形和短路時(shí)的電流波形。上述2組試驗(yàn)波形包含了單次回?fù)粼囼?yàn)、多重回?fù)粼囼?yàn)的波形。對(duì)于多重脈沖組試驗(yàn)采用第二組試驗(yàn)波形即波形3，如圖3所示。

1.3 電平等級(jí)選取

插針注入試驗(yàn)電平等級(jí)所對(duì)應(yīng)的開路電壓值和短路電流值見表1。

插針注入試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的防雷性能要求較為嚴(yán)格，對(duì)于球載關(guān)鍵設(shè)備一般按照電平等級(jí)4級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于球載其他設(shè)備可按照其位置和重要性進(jìn)行電平等級(jí)的選取。

電纜束單次回?fù)粼囼?yàn)電平等級(jí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)電平和限值電平見表2，電纜束多重回?fù)粼囼?yàn)電平等級(jí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)電平和限值電平見表3，電纜束多重脈沖組試驗(yàn)電平等級(jí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)電平和限值電平見表4。

線纜束試驗(yàn)與插針注入試驗(yàn)相比，對(duì)設(shè)備防雷性能測(cè)試的嚴(yán)酷程度較低，對(duì)于球載關(guān)鍵設(shè)備一般按照電平等級(jí)5級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于球載其他設(shè)備可按照其位置和重要性進(jìn)行電平等級(jí)的選取。

2 試驗(yàn)實(shí)例

主氣囊閥門作為系留氣球的球載關(guān)鍵設(shè)備，用于在應(yīng)急情況下釋放主氣囊內(nèi)氣體。在球載設(shè)備間接效應(yīng)的試驗(yàn)中，主氣囊閥門的電平等級(jí)要求較高。本文以主氣囊閥門的間接效應(yīng)試驗(yàn)為實(shí)例，插針試驗(yàn)的電平等級(jí)選取4級(jí)，線纜束試驗(yàn)的電平等級(jí)選取5級(jí)。插針試驗(yàn)的設(shè)備布置圖如圖6所示。線纜束試驗(yàn)的設(shè)備布置圖如圖7所示。插針試驗(yàn)的波形列表如表5所示。線纜束試驗(yàn)的波形列表如表6所示。主氣囊閥門在經(jīng)過上述試驗(yàn)后，閥門可正常開啟和關(guān)閉。試驗(yàn)表明主氣囊閥門作為球載關(guān)鍵設(shè)備可以在雷電流間接效應(yīng)后正常工作，可靠性較高。

3 總結(jié)

本文對(duì)系留氣球球載設(shè)備雷電間接效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了分析，包括了設(shè)備的試驗(yàn)電平等級(jí)選取方法和實(shí)驗(yàn)波形的選取。最后通過對(duì)球載關(guān)鍵設(shè)備——主氣囊閥門的試驗(yàn)實(shí)例，對(duì)本文的試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姚紅.球載電子設(shè)備雷電防護(hù)與試驗(yàn)研究.合肥工業(yè)大學(xué)，碩士，2013.

[2]劉濤，張紅衛(wèi)，司曉亮，仇善良，李志寶，段澤民.某系留氣球的雷電電磁仿真.37（5），2015：35-40.

[3]趙濤寧，劉順坤.飛機(jī)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)方法.上海計(jì)量測(cè)試，S1，2018：6-10.

[4]趙巖.航空電子產(chǎn)品高頻信號(hào)接口間接雷電防護(hù)設(shè)計(jì).電子世界，2018：162-163.

[5]王萬富;陳奇平;武亞君.飛機(jī)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)中的仿真技術(shù)探索.微波學(xué)報(bào)，S3，2012：312-314.

[6]鄢輝萍.民用直升機(jī)閃電間接效應(yīng)適航驗(yàn)證方法研究.直升機(jī)技術(shù)，1，2014：39-42.