甄國帥，臧家左，祁雪峰

(沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所 電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110000)

0 引 言

飛行器不可避免的會(huì)遭遇雷擊，巨大的雷電及電磁輻射能量使得飛行事故時(shí)有發(fā)生，民航飛機(jī)的雷電防護(hù)有著嚴(yán)格的適航要求。雷電對飛行器的危害一般分為直接效應(yīng)危害和間接效應(yīng)危害。雷電直接效應(yīng)危害可以根據(jù)SAE ARP5416A和RTCA/DO-160G通過部件級試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證評估。雷電間接效應(yīng)危害情形復(fù)雜，一般需要進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，確認(rèn)機(jī)載系統(tǒng)與設(shè)備的防護(hù)指標(biāo)，指標(biāo)過低，飛行器的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)存在安全隱患，指標(biāo)過高，則要付出重量、體積和成本的代價(jià)。

為降低雷電間接效應(yīng)危害，研究者開展了大量研究，一方面通過理論計(jì)算或整機(jī)試驗(yàn)，揭示飛機(jī)雷電電磁耦合的主要機(jī)制有開口耦合、擴(kuò)散耦合及電流重分布等；另一方面，研究者提出了飛機(jī)雷電耦合的主要波形類型、參量范圍和防護(hù)手段等。隨著電磁仿真技術(shù)的發(fā)展，研究機(jī)構(gòu)逐步具備模擬飛機(jī)雷電耦合、擴(kuò)散和重新分布過程的能力，依靠飛行器整機(jī)數(shù)字模型也可以進(jìn)行雷電間接效應(yīng)仿真及防護(hù)設(shè)計(jì)，既可以節(jié)約大量試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)又避免了機(jī)載設(shè)備在試驗(yàn)中毀傷的風(fēng)險(xiǎn)。

國外，雷電間接效應(yīng)仿真軟件主要以EMA3D軟件為主，基于該軟件相關(guān)飛機(jī)設(shè)計(jì)公司及研究機(jī)構(gòu)在20世紀(jì)末進(jìn)行了大量的雷電間接效應(yīng)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證工作，提升了仿真結(jié)果的可信度。國內(nèi)，中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司、中國民航大學(xué)以及合肥航太電物理技術(shù)有限公司等也基于EMA3D進(jìn)行了燃油箱、液壓系統(tǒng)、設(shè)備艙等相關(guān)雷電防護(hù)研究。國內(nèi)大多數(shù)高校及研究機(jī)構(gòu)出于EMA3D軟件成本或采購限制等方面的原因，主要基于另一款電磁仿真軟件CST進(jìn)行地面目標(biāo)和飛行器的雷電間接效應(yīng)仿真研究工作。

在國內(nèi)已經(jīng)完成的飛行器雷電間接效應(yīng)研究中，雷電流在飛行器的傳導(dǎo)通路主要為金屬蒙皮，既不符合新型飛機(jī)大量使用輕質(zhì)化復(fù)合材料機(jī)體蒙皮的發(fā)展現(xiàn)狀，又不符合復(fù)合材料占比提升后主要依靠飛機(jī)內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)雷電流的實(shí)際情況。尤其在飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模方面很少有人提及，嚴(yán)重制約著國內(nèi)飛行器雷電間接效應(yīng)仿真及評估技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用。單純依賴?yán)纂婇g接效應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，既不經(jīng)濟(jì)又要承擔(dān)很大的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，國內(nèi)亟需針對復(fù)合材料飛機(jī)進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模研究，并在飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行雷電流傳導(dǎo)通路仿真評估研究。

本文提出基于飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模技術(shù)的飛機(jī)雷電流傳導(dǎo)通路評估方法，構(gòu)建部分F22飛機(jī)內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的電磁仿真模型，搭建從左機(jī)翼到右機(jī)翼的雷電流傳導(dǎo)通路，根據(jù)飛機(jī)內(nèi)部的磁場分布和機(jī)載線纜感應(yīng)的短路電流對傳導(dǎo)通路的防護(hù)效果進(jìn)行評估。

1 機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)電磁建模

飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種機(jī)載系統(tǒng)、設(shè)備、線纜線束、油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)以及彈艙等占據(jù)了絕大部分的空間，如果不能根據(jù)雷電流的傳導(dǎo)特性進(jìn)行裁剪，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電磁建模幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模需要從電磁學(xué)出發(fā)抓住重點(diǎn)進(jìn)行等效建模。從雷電流沿飛機(jī)內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)來看，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)電阻是最為重要的。結(jié)合飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝特點(diǎn)，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面一般涂覆有防腐蝕層，內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間一般是絕緣的，主要通過螺釘實(shí)現(xiàn)緊固并保持電連續(xù)性。因此飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模既要考慮自身的傳導(dǎo)電阻又要兼顧結(jié)構(gòu)之間的搭接電阻。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)電抗來看，包含電容和電感控制兩個(gè)方面。內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的相對位置應(yīng)與實(shí)際情況保持一致，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間電容的一致性；電感主要產(chǎn)生在內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面，需要保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面積的一致性。

出于減重等目的，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)大量采用“工”字型，為了表面積的一致性可以簡化為“口”字型，同時(shí)可以保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機(jī)體蒙皮搭接面積的一致性。

從上述限制因素出發(fā)，構(gòu)建的F22飛機(jī)機(jī)翼段內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。該模型主要有三個(gè)部分：一是飛機(jī)機(jī)體蒙皮，主要參照結(jié)構(gòu)專業(yè)的數(shù)字模型進(jìn)行修復(fù)建模；二是機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模主要基于上述限制，在保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)外形、相對位置一致性的同時(shí)，對其電導(dǎo)率進(jìn)行等效替代；三是機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)體蒙皮的搭接面，搭接面一般為密集的鉚釘緊固件。

(a) 飛機(jī)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 機(jī)體蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)搭接面示意圖

F22飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，根據(jù)直流情況下的電導(dǎo)率匹配結(jié)果，機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率大致為4×10S/m，厚度為5 mm；機(jī)體蒙皮與飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的搭接面如圖1(b)所示，搭接面的電導(dǎo)率設(shè)置為1×10S/m，厚度為1 mm；非搭接區(qū)域的機(jī)體蒙皮假定為電導(dǎo)率為1×10S/m的復(fù)合材料，厚度為1 mm，并可能鋪設(shè)有電導(dǎo)率為1×10S/m的金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)厚度為0.075 mm。上述材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率均設(shè)置為1，不同材料的差異主要體現(xiàn)在電導(dǎo)率方面。

2 仿真場景的布置

考慮雷電流從左機(jī)翼進(jìn)入和右機(jī)翼流出的場景，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)雷電間接效應(yīng)仿真場景示意圖

在機(jī)體內(nèi)部傳導(dǎo)通路附近區(qū)域布置電磁場監(jiān)測器如圖3所示。在機(jī)體內(nèi)部傳導(dǎo)通路附近區(qū)域布置1 m長的線纜如圖4所示，線纜分為兩部分，一部分監(jiān)測短路電流，一份監(jiān)測開路電壓。雷電流激勵(lì)波形參照SAE ARP5412-2013的雷電流A分量設(shè)置。

圖3 電磁場探針布置示意圖

圖4 線纜布置示意圖

三種仿真場景類型說明如表1所示，場景1和場景2用于對比1 mm厚復(fù)合材料和0.075 mm厚金屬網(wǎng)的防護(hù)效果，場景2和場景3用于對比機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對雷電流傳導(dǎo)的影響。場景3中由于存在機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)，機(jī)體蒙皮與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間存在搭接面。

表1 仿真場景類型說明

3 磁場強(qiáng)度分布分析

3.1 擴(kuò)散耦合和電流重分配機(jī)制

通過機(jī)翼三個(gè)不同位置的磁場探針分布(如圖5所示)，觀察飛機(jī)雷電耦合時(shí)的擴(kuò)散耦合機(jī)制。場景1和場景2磁場強(qiáng)度仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出：距機(jī)翼后緣位置越近曲率半徑越小，磁場越快達(dá)到最大值，表明擴(kuò)散耦合機(jī)制越快；場景1中三個(gè)探針的磁場強(qiáng)度更快達(dá)到最大值，表明復(fù)合材料機(jī)體蒙皮的擴(kuò)散耦合機(jī)制更快。

圖5 機(jī)翼三個(gè)不同位置的磁場探針布置示意圖

(a) 場景1

(b) 場景2(探針1)

(c) 場景2(探針2、3)

在圖5中，探針1接近機(jī)翼后緣，場景1和場景2中的磁場強(qiáng)度基本一致，這種現(xiàn)象還可以在接近機(jī)翼前緣的探針位置觀察到，代表著在曲率半徑過小的區(qū)域幾何結(jié)構(gòu)對雷電屏蔽效果的影響強(qiáng)于材料的影響。

通過對比不同時(shí)刻的雷電流分布，可以觀察雷電耦合時(shí)的電流重分配機(jī)制。場景1的雷電流再分配機(jī)制如圖7所示，可以看出：場景1下，8 μs時(shí)刻雷電流的能量以高頻分量為主，雷電流沿機(jī)體邊緣(機(jī)翼外緣)傳導(dǎo)，但到了180 μs時(shí)刻，雷電流能量以低頻分量為主，雷電流沿最短傳播路徑傳導(dǎo)。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

場景3的雷電流再分配機(jī)制如圖8所示，場景3中存在機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)，可以看出：雷電在180 μs時(shí)刻主要沿機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，因?yàn)闄C(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)強(qiáng)于金屬網(wǎng)蒙皮。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

3.2 機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)對磁場強(qiáng)度分布的影響

機(jī)體截面選取前視圖及俯視圖如圖9所示，圖中紅色橫線所示即為選取的水平截面，通過該截面對比場景2和場景3中的機(jī)體內(nèi)部感應(yīng)的磁場分布。

(a) 截面選取前視圖

(b) 截面選取俯視圖

場景2和場景3中從2 μs到200 μs選取100個(gè)時(shí)刻的磁場分布情況分別如圖10～圖11所示，可以看出：場景2和場景3中磁場的差別主要集中在機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)所在區(qū)域，雷電流沿機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，增強(qiáng)了金屬結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域的磁場。

圖10 場景2中選取截面的機(jī)體內(nèi)部磁場強(qiáng)度

圖11 場景3中選取截面的機(jī)體內(nèi)部磁場強(qiáng)度

在圖3所示的34個(gè)磁場探針中，場景2和場景3中的探針磁場強(qiáng)度對比如圖12所示，根據(jù)對比結(jié)果可以將機(jī)體劃分為四個(gè)區(qū)域，四個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的磁場探針位置布局如圖13所示。

圖12 場景2和場景3探針磁場強(qiáng)度對比

(a) 區(qū)域1

(b) 區(qū)域2

(c) 區(qū)域3

(d) 區(qū)域4

從圖12～圖13可以看出：在內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)附近區(qū)域，受內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)雷電流影響，場景3的磁場大于場景2的磁場，例如區(qū)域1；相反的，遠(yuǎn)離內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的區(qū)域，則是場景2的磁場大于場景3的磁場，例如區(qū)域2和區(qū)域4；區(qū)域3受所處位置曲率半徑過小的影響，雷電能量很容易進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部，內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的有無對該區(qū)域無影響。

4 線纜感應(yīng)電流強(qiáng)度分析

飛機(jī)內(nèi)部的線纜布置如圖4所示，共計(jì)26根線纜，13根用于監(jiān)測短路電流，13根用于監(jiān)測開路電壓。三種場景監(jiān)測到的短路電流形式均如圖14所示，電流強(qiáng)度的差別如表2所示。監(jiān)測到的開路電壓如圖15所示，開路電壓在15 V以內(nèi)，部分開路電壓過小未顯示。

圖14 場景3中線纜監(jiān)測到的短路電流

圖15 場景3中線纜監(jiān)測到的開路電壓

在表2中，場景1比場景2中線纜感應(yīng)的短路電流最大值高25倍左右，表明復(fù)合材料對雷電的屏蔽效果遠(yuǎn)弱于金屬網(wǎng)，而且場景1中的線纜短路電流普遍大于SAE ARP5412B中電流波形5A和5B最高防護(hù)等級5 000 A短路電流。對比場景2和場景3，除線纜3、9和12以外，場景3的線纜短路電流強(qiáng)度均小于場景2的短路電流強(qiáng)度，其中一半線纜的短路電流最大值下降了1/2。

表2 三種場景的線纜短路電流最大值

結(jié)合機(jī)體內(nèi)部的磁場強(qiáng)度分布，雖然機(jī)體內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)將雷電流引入到機(jī)體內(nèi)部導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)部的磁場增強(qiáng)，但是由于內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的雷電流傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)強(qiáng)于金屬網(wǎng)，更多的雷電能量以電流的形式沿著內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)，向外輻射的電磁能量反而較弱，線纜感應(yīng)到的電流也更弱。對于機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備雷電防護(hù)而言，由內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)組成的雷電流傳導(dǎo)通路起到了很好的防護(hù)效果。

5 結(jié) 論

(1) 飛機(jī)機(jī)體復(fù)合材料的雷電防護(hù)效果極差，在不對復(fù)合材料進(jìn)行金屬化處理的情形下，機(jī)載線纜感應(yīng)短路電流最大值遠(yuǎn)高于最高級5級的指標(biāo)。

(2) 飛機(jī)機(jī)體復(fù)合材料采取敷設(shè)金屬網(wǎng)等防護(hù)措施后，雷電防護(hù)效果顯著提升，與復(fù)合材料機(jī)體相比，機(jī)載線纜感應(yīng)短路電流最大值下降25倍。

(3) 飛機(jī)內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)對雷電流傳導(dǎo)起到了很好的分流作用，雷電流通過重分配機(jī)制，主要沿內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)從左機(jī)翼傳導(dǎo)至右機(jī)翼，與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)缺失的情形相比，一半機(jī)載線纜的感應(yīng)電流最大值下降1/2。