莊宇

一、引言

雷電可以定義為放電路徑長(zhǎng)度為千米計(jì)的瞬時(shí)大電流放電。當(dāng)大氣中某些部分的電荷及相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大到足以使空氣擊穿時(shí)便產(chǎn)生雷電。雷電可以發(fā)生在云內(nèi)、云間、云地間或云與云周?chē)諝庵g。大多數(shù)雷電起因于在雷雨云中的電荷，人們最關(guān)心的是云對(duì)地的放電。云間和云與周?chē)諝獾睦纂姺烹?，相?duì)于云中的和云對(duì)地的雷電放電少些，云地間的雷電可包括一個(gè)或多個(gè)斷續(xù)的局部放電，它可使云中負(fù)電荷區(qū)中約數(shù)十庫(kù)侖的電荷轉(zhuǎn)移到大地。

雷電對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的直接影響表現(xiàn)為燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)變形等。這是由于雷電電弧附著、高壓沖擊波和因強(qiáng)電流伴隨的磁力引起的持續(xù)電流在回?fù)粞娱L(zhǎng)的間隔中流動(dòng)，它會(huì)熔化或點(diǎn)燃固體材料。短的持續(xù)時(shí)間，大的峰值電流會(huì)通過(guò)磁力使金屬零件損壞或扭曲。電磁力大小正比于瞬時(shí)電流的平方值。

雷電對(duì)飛機(jī)的放電還會(huì)引起電氣和電子設(shè)備的損壞，在電源、信號(hào)和控制電路中的雷電浪涌是由磁感應(yīng)、容性禍合、雷電脈沖在結(jié)構(gòu)件和接地線電阻上產(chǎn)生壓降等三種成分組合而成。雷電給飛機(jī)造成嚴(yán)重的危害，為保證飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備的安全，必須進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。飛機(jī)的雷電防護(hù)是要從遭受雷擊的可能性，保護(hù)飛機(jī)完成使命的重要性去考慮。大部分保護(hù)只能減少雷電的影響而不是防止飛機(jī)遭受雷擊。

二、雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

（一）防護(hù)設(shè)計(jì)原則

在飛機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)中需要明確以下概念：（1）實(shí)際瞬態(tài)電平（ATL）：是在電子設(shè)備端口處實(shí)際產(chǎn)生的瞬態(tài)電平；（2）瞬態(tài)控制電平（TCL）：是在電子設(shè)備端口處所允許的最大瞬態(tài)電平，設(shè)計(jì)要求TCL略大于或等于ATL；（3）設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)電平（ETDL）：是電子設(shè)備雷電瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)的試驗(yàn)電平，也是電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)防護(hù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)中ATL，TCL與ETDL之間的關(guān)系如圖1所示。要求設(shè)備的ETDL至少要大于ATL一個(gè)安全裕度，一般裕度定為6dB。

圖1 ATL，TCL與ETDL之間的關(guān)系示意圖

飛機(jī)級(jí)雷電間接效應(yīng)防護(hù)應(yīng)通過(guò)設(shè)備布局優(yōu)化、機(jī)身結(jié)構(gòu)屏蔽、線束布放與屏蔽、搭接接地等手段，降低ATL，為雷電防護(hù)爭(zhēng)取裕度。設(shè)備級(jí)雷電間接效應(yīng)防護(hù)應(yīng)通過(guò)機(jī)箱結(jié)構(gòu)屏蔽、雷電防護(hù)電路設(shè)計(jì)等手段，提高ETDL，為雷電防護(hù)爭(zhēng)取更大裕度。

（二）防護(hù)設(shè)計(jì)措施

1.電搭接

飛機(jī)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、蒙皮與基本結(jié)構(gòu)之間必須要有穩(wěn)定的低阻抗通路，使雷電流安全通過(guò)且無(wú)過(guò)熱，同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)電壓。對(duì)于一個(gè)搭接面，一般要求搭接電阻不大于2.5mΩ，適用于各種直接接觸的金屬面之間。對(duì)于噴涂鋁層或敷設(shè)銅網(wǎng)的復(fù)合材料蒙皮，搭接電阻一般控制在10mΩ。飛機(jī)上金屬結(jié)構(gòu)整體的搭接電阻要求是在任意兩個(gè)金屬結(jié)構(gòu)之間的電阻小于10mΩ。

2.接地

金屬飛機(jī)的結(jié)構(gòu)可成功用于配電系統(tǒng)的回線，但絕不可用作信號(hào)或控制電路的回線。因?yàn)榫€路和機(jī)體結(jié)構(gòu)之間環(huán)路的結(jié)構(gòu)阻性電壓會(huì)形成共模干擾，疊加到系統(tǒng)的信號(hào)電壓上。單點(diǎn)接地可以有效抑制上述環(huán)路中的結(jié)構(gòu)電壓。雙絞線能夠有效減少雷電感應(yīng)的磁場(chǎng)耦合，雷電感應(yīng)的磁通穿過(guò)雙絞線環(huán)時(shí)，相鄰環(huán)的反向極性會(huì)使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消。對(duì)于含有源電子設(shè)備的系統(tǒng)（如電子飛行儀表系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)等），應(yīng)采用雙絞線作為回線的單點(diǎn)接地，如圖3所示。多點(diǎn)接地的應(yīng)用如圖4所示。

圖3 雙絞線作為回線的單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)

圖4 多點(diǎn)接地設(shè)計(jì)

多點(diǎn)接地要求每個(gè)LRU的殼體作為其內(nèi)部所有電路的單一基準(zhǔn)點(diǎn)，LRU的殼體連接最近的機(jī)體接地點(diǎn)。

3.結(jié)構(gòu)屏蔽

雷電脈沖頻譜的主要能量集中在10kHz以下，因此，雷電脈沖對(duì)飛機(jī)蒙皮上窄縫隙的電磁穿透相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)屏蔽對(duì)飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)極為有效[3]。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可在其外表面鋪一層銅絲網(wǎng)，銅絲網(wǎng)規(guī)格為網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/（in）2，銅絲直徑至少為0.14mm，也可在其外表面噴涂一層鋁，噴涂層厚度在雷電1區(qū)不小于0.1524mm，在雷電2區(qū)不小于0.1016mm。對(duì)于機(jī)頭雷達(dá)罩，應(yīng)在其四周粘接分流條，為保證一定的透波率和雷電防護(hù)性能，需要合理設(shè)計(jì)分流條的尺寸和間距。對(duì)于開(kāi)口結(jié)構(gòu)，尤其是復(fù)合材料部件，可使用噴涂金屬或粘貼鋁箔的方法加以保護(hù)。

4.線纜屏蔽

電子系統(tǒng)的互聯(lián)電纜暴露在雷電瞬態(tài)感應(yīng)磁場(chǎng)和機(jī)體結(jié)構(gòu)電壓中應(yīng)采取適宜的屏蔽措施，并對(duì)屏蔽層提供合適的接地。

不同類(lèi)型的屏蔽層中，整體屏蔽層的屏蔽性能優(yōu)于編織屏蔽層、螺旋纏繞屏蔽層。為了抵抗雷電感應(yīng)磁場(chǎng)的干擾，電纜屏蔽層要兩端接地。對(duì)于較長(zhǎng)的屏蔽層，還要求多點(diǎn)接地，使屏蔽電流限制在一定區(qū)域內(nèi)流動(dòng)，減少該電流對(duì)屏蔽線路上總感應(yīng)電壓的影響。

屏蔽層的接地方式有若干種，其中，能獲得最佳屏蔽性能的是360°端接，外屏蔽層與設(shè)備連接器后殼體進(jìn)行360°圓周連接，且該連接器殼體與設(shè)備外殼之間應(yīng)有較低的直流電阻，如圖5所示。

圖5 屏蔽層360°接地設(shè)計(jì)

5.設(shè)備安裝和線纜布線

電子設(shè)備應(yīng)布置在雷電瞬態(tài)感應(yīng)磁場(chǎng)最弱和結(jié)構(gòu)電壓最小的區(qū)域，盡可能安裝在屏蔽良好的設(shè)備艙或設(shè)備柜內(nèi)，遠(yuǎn)離電磁開(kāi)口處，如風(fēng)擋、窗戶、艙門(mén)、檢修口蓋、整流罩等，遠(yuǎn)離飛機(jī)外蒙皮，尤其要遠(yuǎn)離飛機(jī)頭部，即主雷電流路徑曲率半徑最小處。設(shè)備殼體與設(shè)備臺(tái)架之間最好采用金屬面與面的直接接觸搭接，也可采用最短的搭接線進(jìn)行搭接。設(shè)備臺(tái)架應(yīng)具有高導(dǎo)電性，與機(jī)體結(jié)構(gòu)良好搭接。

線纜的敷設(shè)也應(yīng)遠(yuǎn)離電磁開(kāi)口，遠(yuǎn)離飛機(jī)外蒙皮和結(jié)構(gòu)件曲率半徑最小處。另外，線纜應(yīng)盡可能靠近機(jī)體結(jié)構(gòu)件，使穿過(guò)線纜和機(jī)體結(jié)構(gòu)所形成環(huán)路的磁通量減至最小。若機(jī)身存在結(jié)構(gòu)U形件，將線纜置于其中的凹槽，將會(huì)提供更好的屏蔽作用。

三、結(jié)語(yǔ)

雷電作為自然界中的強(qiáng)干擾源，可能會(huì)對(duì)飛機(jī)的飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國(guó)雖已將雷電防護(hù)列入民用航空規(guī)章，但是在飛機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)和適航驗(yàn)證方面仍處于探索階段。

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