付繼偉 洪蓓 隗功正 李琛 韓若愚,

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；3 北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081）

0 引言

運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈等航天器在整個(gè)飛行階段會(huì)經(jīng)歷不同空間環(huán)境，可靠性面臨力、熱載荷等多方面考核[1-3]。特別地，近地對(duì)流層天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變，以雷電為代表的氣象災(zāi)害將對(duì)航天器產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。雷電是自然大氣中存在的一種超長(zhǎng)距離和超大強(qiáng)度的放電現(xiàn)象[4]，雷電放電伴隨的瞬時(shí)大電流與激波會(huì)對(duì)飛行器外殼造成直接損傷（直接效應(yīng)）[5,6]，同時(shí)放電電磁暫態(tài)產(chǎn)生的電磁脈沖、耦合等間接效應(yīng)[7,8]，對(duì)電子設(shè)備造成干擾和損傷。近年來(lái)，隨著復(fù)合材料和涂層的廣泛應(yīng)用，雷擊飛行器的損傷形式和電磁干擾過(guò)程變得更加復(fù)雜[9-11]。特別地，對(duì)于航天器而言，當(dāng)前對(duì)全天候發(fā)射需求的與日俱增，傳統(tǒng)的躲避雷電天氣選取發(fā)射窗口的方式存在局限[6]。航天器雷電防護(hù)技術(shù)水平關(guān)乎系統(tǒng)的全天候能力，對(duì)提高航天系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性、確保發(fā)射任務(wù)成功的意義不言而喻。然而，雷電的破壞效應(yīng)具有顯著的“電-磁-熱-力”多物理特征。例如直接效應(yīng)中電弧造成的絕緣擊穿、相變、燃燒、熔蝕和結(jié)構(gòu)畸變，以及由脈沖大電流引起的激波、應(yīng)力波和電磁力破壞；間接效應(yīng)則涉及電磁場(chǎng)耦合對(duì)電子電氣設(shè)備所產(chǎn)生的不利影響。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)雷電破壞效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究已有很多，也制定了相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以便對(duì)不同產(chǎn)品進(jìn)行考核，比較雷擊前后試件的狀態(tài)，篩選出符合要求的設(shè)計(jì)[12,13]。然而，雷電放電是一種強(qiáng)瞬態(tài)非平衡過(guò)程，涉及等離子體、激波等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程，人們對(duì)其熱力學(xué)和電磁暫態(tài)的理解還有待深入，模型建立和實(shí)驗(yàn)診斷方面都需要更為細(xì)致地考慮[14,15]。

實(shí)驗(yàn)室（地面）高電壓、大電流物理模擬試驗(yàn)是研究雷電損傷效應(yīng)和樣品考核的主要手段，自上世紀(jì)60年代起，美、蘇等國(guó)先后建成了多套高壓脈沖發(fā)生器和能夠開(kāi)展全系統(tǒng)級(jí)雷電試驗(yàn)的設(shè)施，并配備了能產(chǎn)生高能量、大電流、高電壓的試驗(yàn)裝置和對(duì)雷電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的測(cè)量設(shè)備[6]。根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外多家單位搭建了模擬雷電流的脈沖放電試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)高壓脈沖電容器配合高功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)雷電流脈沖的產(chǎn)生，而后加載在棒-板結(jié)構(gòu)的放電負(fù)載上，其中飛行器外殼試樣可以作為板電極進(jìn)行損傷測(cè)試[16-18]?；谏鲜隼纂娏髂M方法，美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)的Lacy TE等人描述了電弧在金屬、涂層金屬、碳/環(huán)氧復(fù)合材料表面的發(fā)展過(guò)程，研究了拉擠桿縫合高效一體化結(jié)構(gòu)（Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure, PRSEUS）對(duì)復(fù)合材料表面損傷的阻礙效果[19]。法國(guó)圖盧茲大學(xué)的Espinosa C等人類比了雷電試驗(yàn)和空氣炮驅(qū)動(dòng)小球機(jī)械撞擊對(duì)復(fù)合材料的損傷效果[20]。美國(guó)華盛頓大學(xué)的Feraboli等人測(cè)量了放電過(guò)程復(fù)合材料的能量沉積，發(fā)現(xiàn)在相同標(biāo)稱能量下，機(jī)械撞擊的考核更加嚴(yán)峻[21]。日本昭電公司的Sonehara等人基于紋影攝影法記錄了脈沖放電過(guò)程中等離子體和沖擊波的時(shí)空演化過(guò)程，有力揭示了等離子體和激波的物理細(xì)節(jié)[22]。上海交通大學(xué)的傅正財(cái)?shù)热讼到y(tǒng)研究了不同雷電流分量作用下金屬板和絕緣涂層金屬板損傷機(jī)理和特性，分析了放電電弧力、熱作用下金屬和涂層的損傷特征和機(jī)制[23,24]。西安交通大學(xué)的姚學(xué)玲等人通過(guò)高速攝影拍攝了復(fù)合材料敷銅網(wǎng)對(duì)電弧弧根的彌散作用，并通過(guò)壓電薄膜捕獲了樣品中的沖擊波信號(hào)[25]。山東大學(xué)的賈玉璽等人研究了鎳包覆碳纖維復(fù)合材料在雷電流作用下的損傷行為，表明該工藝是一種有效的保護(hù)手段[26]。總體而言，雷擊效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室物理模擬已經(jīng)成為研究雷電損傷機(jī)理和考核材料性能的重要手段。

然而，隨著當(dāng)前新型復(fù)合材料的發(fā)展，人們的注意力逐漸轉(zhuǎn)向了復(fù)合材料的損傷特性，更多地將放電過(guò)程視為熱/力載荷的加載問(wèn)題，而放電（等離子體與激波）動(dòng)力學(xué)過(guò)程常被簡(jiǎn)化或忽視[14,27-29]。而這些過(guò)程恰恰是瞬態(tài)、非平衡過(guò)程，瞬態(tài)熱等離子體和樣品接觸處等離子體鞘層狀態(tài)很難評(píng)估[30]。更為不利的是，傳熱作用下材料相變?cè)斐傻膹?fù)雜流動(dòng)、以及長(zhǎng)時(shí)間放電等離子體/流體不穩(wěn)定性發(fā)展造成的等離子體（熱源）空間不均勻性。明確上述動(dòng)態(tài)過(guò)程的物理圖像和細(xì)節(jié)對(duì)于明細(xì)雷電防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)具有重要意義，但是當(dāng)前在雷電放電物理模擬的動(dòng)態(tài)過(guò)程診斷方面關(guān)注不足，制約了雷電損傷效應(yīng)的進(jìn)一步理解和雷電防護(hù)技術(shù)的針對(duì)性優(yōu)化。對(duì)此，本文有針對(duì)性地研究雷擊導(dǎo)電體過(guò)程中脈沖放電等離子體的動(dòng)力學(xué)行為，搭建基于棒（高壓）-板（接地）間隙大電流脈沖放電系統(tǒng)，研究對(duì)殼體雷擊放電過(guò)程的物理模擬和診斷技術(shù)，對(duì)放電過(guò)程的電物理參數(shù)、光輻射參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，獲得了典型金屬和涂層殼體的等離子體時(shí)空演化細(xì)節(jié)，初步建立了雷電主要損傷效應(yīng)和放電動(dòng)力學(xué)過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)性。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

設(shè)計(jì)并搭建了用于研究雷擊損傷效應(yīng)的脈沖放電試驗(yàn)平臺(tái)，其原理圖如圖1所示。其中VS為220 V交流電源，VR為調(diào)壓器，T為試驗(yàn)變壓器，D為用于調(diào)節(jié)充電極性的高壓硅堆，Rc為控制充電速度的充電電阻，C為6 μF脈沖電容器（額定電壓50kV），S為三電極氣體開(kāi)關(guān)。放電回路電阻與電感由R與L分別表示，其值約為76.4 mΩ和1.3 μH。采用直接/間接方式實(shí)現(xiàn)棒-板之間的放電，即高壓電極末端接金屬電極/尼龍球并通過(guò)金屬絲誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)放電，待測(cè)樣品板四周接地[22,31]。更多關(guān)于脈沖放電驅(qū)動(dòng)源的細(xì)節(jié)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[32]。

圖1 雷電損傷效應(yīng)平臺(tái)示意Fig.1 Schematic diagram of platform for lightning strike

使用North Star PVM-5高壓探頭（80MHz）進(jìn)行負(fù)載電壓測(cè)量，電流測(cè)量使用Pearson 101線圈（4MHz）。示波器為Tektronix公司的MDO3054（500MHz）與DPO4104B（1GHz）?；趦膳_(tái)高速相機(jī)（Phantom 410L/310L）分別從側(cè)面和頂面記錄脈沖放電全過(guò)程的時(shí)空演化行為，其中在側(cè)面的相機(jī)可以通過(guò)背光光源（200W LED）拍攝放電過(guò)程的陰影圖像，高速攝影系統(tǒng)通過(guò)示波器的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行記錄并反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)放電過(guò)程與圖像診斷的時(shí)基校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分金屬絲電爆炸光輻射過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致光譜儀或光電管飽和，此時(shí)需在石英玻璃與光纖之間增加反射型中性密度濾光片，適當(dāng)減少進(jìn)光量。

具體工作過(guò)程為：通過(guò)調(diào)壓器與試驗(yàn)變壓器，為脈沖電容器充電；達(dá)到預(yù)設(shè)電壓后（9～30 kV），斷開(kāi)電源，觸發(fā)三電極開(kāi)關(guān)；而后脈沖電容器通過(guò)一根長(zhǎng)度為2 m、阻抗為12 Ω、額定工作電壓為75 kV的高壓電纜接入棒-板放電結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)一根長(zhǎng)約3 cm、直徑300 μm的銅絲實(shí)現(xiàn)棒-板放電，如圖1(b)所示。放電開(kāi)始后，電容器驅(qū)動(dòng)棒-板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)放電，由于回路阻抗低，放電整體呈欠阻尼振蕩模式，相當(dāng)于對(duì)板材施加振蕩形式的電流注入，但需要指出金屬絲的引入對(duì)放電早期電弧形成過(guò)程存在一定影響，后文將詳細(xì)描述。在不同充電電壓下，放電能量和電流強(qiáng)度將有所不同，造成的損傷和試驗(yàn)現(xiàn)象將存在差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋁板表面放電演化過(guò)程

采用儲(chǔ)能電容直接放電的方案開(kāi)展，使用厚約5 mm、40 cm見(jiàn)方的鋁板作為測(cè)試樣品，高壓電極放置在待測(cè)樣品之上，如圖1(b)所示，中間留有5 cm左右間隙。該間隙由金屬絲誘導(dǎo)擊穿形成電弧等離子體，以模擬雷擊損傷效應(yīng)。充電電壓為18.0、22.0和25.0 kV，分別對(duì)應(yīng)初始系統(tǒng)儲(chǔ)能約為970、1450和1870 J。考察不同儲(chǔ)能下放電及動(dòng)力學(xué)特性的差異。典型情況下，放電特性結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯诜烹婇_(kāi)始的3 μs以內(nèi)，誘導(dǎo)放電的金屬絲迅速被脈沖電流加熱氣化，由于電磁力的箍縮作用，金屬沸騰之前會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱，并以爆炸形式轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液分散相，被稱為金屬絲電爆炸。電爆炸產(chǎn)物為電弧放電提供了初始通道，更多細(xì)節(jié)可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[33]。

從圖2(a)中可以看出，電爆炸發(fā)生后，引發(fā)的電弧阻抗較低，放電遵循相似的RLC振蕩衰減模式，且放電周期基本一致，表明不同能量下等離子體電導(dǎo)率足夠低，對(duì)放電系統(tǒng)的電參數(shù)影響較小。隨著系統(tǒng)儲(chǔ)能增加，振蕩電流首個(gè)峰值由26.1 kA增加至43.7 kA（增至1.67倍），振蕩過(guò)程持續(xù)約90 μs。從圖2(b)中可知，在電爆炸階段電功率達(dá)到GW量級(jí)，而在電弧放電階段維持在數(shù)十MW的水平；相應(yīng)地，電爆炸階段能量沉積快速攀升至400 J左右，但電弧放電階段負(fù)載的能量沉積則差異較大。在18 kV（970 J儲(chǔ)能）情況下能量沉積從392.8 J增加到592.3 J (在20 μs時(shí)刻)，僅增加了約200 J；但在25 kV（1870 J儲(chǔ)能）的情況下，能量沉積從435.9 J增至826.7 J，提升了近400 J。

圖2 鋁板試樣棒-板放電特性：a)電壓電流(b)電功率和能量沉積Fig.2 Characteristics of rod-plate discharges: a) Voltage and current; b) Electric power and energy deposition

圖3 給出了25 kV條件下時(shí)空分辨的放電高速圖像。為減小電爆炸過(guò)程脈沖強(qiáng)光輻射對(duì)成像的影響，采用不透光遮蔽物遮擋部分等離子體輻射，誘導(dǎo)放電的金屬絲與遮蔽物一側(cè)平齊，見(jiàn)圖中初始狀態(tài)。放電一開(kāi)始，誘導(dǎo)金屬絲與鋁板之間的接觸點(diǎn)（小間隙）率先擊穿，而后主放電回路導(dǎo)通，金屬絲被加熱發(fā)生電爆炸，電弧等離子體通道建立，見(jiàn)圖中第1幀和第2幀。放電通道建立后，由于金屬蒸汽/等離子體內(nèi)部已有大量能量沉積，具有極高的溫度和壓力，加上后續(xù)電流注入加熱，通道不斷膨脹。而電弧等離子體的亮度高于背光光源，因此很難在放電早期拍出理想的背光圖像，但背光光源的存在提供了一定的環(huán)境亮度，對(duì)捕捉?jīng)_擊波的軌跡有所幫助。從圖中第2到4幀可以看出，早期放電通道膨脹速率在2～3 km/s，沖擊波波陣面被放電通道不斷加速。

圖3 25 kV充電電壓/1870 J儲(chǔ)能下鋁板試樣棒-板放電時(shí)空分辨圖像（幀率260,000 fps，曝光時(shí)間1.57 μs）Fig.3 Spatial-temporal resolved images of rod-plate discharge under 25 kV charging voltage (1870 J stored energy). The camera worked with 260,000 fps and 1.57 μs exposure time per frame

然而，隨著等離子體通道膨脹，電導(dǎo)率將不斷下降，能量沉積降低，當(dāng)放電通道膨脹速率不再增加時(shí)，沖擊波波陣面與放電通道脫離，見(jiàn)圖第5幀?？梢钥闯觯瑳_擊波由從初始的圓柱狀逐漸向球狀演化，在此過(guò)程中電弧等離子體通道密度降低、邊界處不穩(wěn)定性不斷發(fā)展，如第6幀至第19幀。總體而言，這種2 cm左右長(zhǎng)的電弧在形貌上由于（磁）流體不穩(wěn)定性的發(fā)展變得更加不均勻，可以預(yù)見(jiàn)對(duì)于真實(shí)雷電，由于通道更長(zhǎng)，環(huán)境流動(dòng)更加復(fù)雜，放電等離子體的時(shí)空特征將更為豐富。

值得注意的是，從10 μs開(kāi)始，等離子體-鋁板接觸部分（弧根處）的面積基本不再增加，其直徑在5 cm左右，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這一數(shù)值和電流密度相關(guān)，在18 kV更低放電能量情況下，接觸部分直徑下降到3 cm左右。然而，在弧根外周部分，出現(xiàn)了不規(guī)則的亮條紋（疑似等離子體薄層），如第6幀所標(biāo)識(shí)。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，亮條紋區(qū)域的面積不斷擴(kuò)展。在Sonehara等人的紋影照片中，對(duì)于復(fù)合材料有類似情形（下節(jié)討論），對(duì)于鋁板（20.42 kA電流）并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)到類似結(jié)果[22]。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，隨著放電電流的增加，亮條紋的強(qiáng)度不斷增加，因此Sonehara等人的結(jié)果可能是由于放電電流過(guò)小導(dǎo)致的。

關(guān)于理想導(dǎo)體表面的類等離子體薄層，推測(cè)其形成機(jī)制可能為：①傳熱或電場(chǎng)作用下主放電通道等離子體的擴(kuò)散；②鋁板表面集膚效應(yīng)導(dǎo)致的相變和電離。在以往棒-板結(jié)構(gòu)的研究中，即使考慮了傳熱、流動(dòng)等因素，電弧彌散形貌以鐘形為主[34]，沒(méi)有出現(xiàn)貼近金屬板表面的等離子體薄層。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，放電周期為17.8 μs（等效頻率56.2 kHz），理想情況下鋁集膚深度ds：

式中，ω為角頻率，μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率。因此，大部分放電電流集中在深度為ds的薄層內(nèi)。一方面，放電電流的增加使得鋁板表面電流密度不斷增加，當(dāng)電流密度作用積分足夠高時(shí)[35]，可以引發(fā)局部金屬相變和電離，產(chǎn)生等離子體；另一方面，由于金屬板四周接地，電流從結(jié)束點(diǎn)注入，分散流向邊緣接地點(diǎn)，表面電流密度經(jīng)歷了從高到低的過(guò)程，因而亮條紋的發(fā)展也呈現(xiàn)由內(nèi)向外的趨勢(shì)。

需要指出，集膚效應(yīng)是電導(dǎo)率σ的函數(shù)，而鋁電阻率擁有正的溫度系數(shù)，隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，σ不斷下降，ds增加，會(huì)在一定程度上緩和受熱相變（爆炸）的激烈程度；另一方面，在相變發(fā)生之前，由于鋁板微觀電阻率的不均勻性，電流焦耳熱效應(yīng)會(huì)在某些部分集中，誘導(dǎo)等離子體先行產(chǎn)生，如第8幀中表面亮紋外側(cè)的亮點(diǎn)，這種電流不均勻的加熱效應(yīng)被稱為“電-熱”不穩(wěn)定性[36]。

圖4給出了某次放電實(shí)驗(yàn)后典型的鋁板燒蝕結(jié)果（俯視圖）。可以看出，燒蝕明顯分成了三個(gè)區(qū)域，從上述分析可知，其中黑色區(qū)域（Region-I）為電弧直接接觸區(qū)域，其外周（Region-II）為表面亮紋發(fā)展區(qū)域，最外側(cè)（Region-III）為電熱不穩(wěn)定性影響區(qū)域。

圖4 雷擊鋁板損傷結(jié)果（12.9 kV）Fig.4 Al-plate after the lightning strike (at 12.9 kV)

圖5 給出了不同電壓/儲(chǔ)能等級(jí)下，放電通道和沖擊波波陣面邊界時(shí)空軌跡的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，同時(shí)也給出了表面亮紋的傳播軌跡?？梢钥闯?，隨著放電能量的提升，放電通道的膨脹速率有顯著提升，但遵循相同的模式，膨脹速率在10 μs后明顯減緩。對(duì)于激波而言，除早期差異外，10 μs后基本保持在1 km/s的速率量級(jí)。表面亮紋（淺層金屬相變）則呈現(xiàn)出明顯差異，放電能量越高，電流密度越大，亮紋區(qū)域越大。

圖5 雷擊鋁板動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí)空特性Fig.5 Spatial-temporal characteristics of dynamics in the processing of lightning strike on Al-plate

2.2 涂層表面放電演化過(guò)程

在25 kV（1870 J）的條件下開(kāi)展涂層板放電實(shí)驗(yàn)，其放電特性如圖6所示，相同條件下的鋁板放電情況作為比較。

圖6 涂層板試樣棒-板放電特性：a)電壓電流；b)電功率和能量沉積Fig.6 Characteristics of coated plate discharges

與鋁板不同，涂層板由包含毫米厚的導(dǎo)電涂層（金屬基導(dǎo)電涂料涂層）、厘米厚的絕緣基板和剛性板支撐構(gòu)成。放電時(shí)導(dǎo)電涂層四周接地，與鋁板布局類似。從圖7(a)可以看出，鋁板和涂層板在放電特性上并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異，特別是電爆炸發(fā)生后，放電遵循相似的RLC振蕩衰減模式，且放電周期基本一致。由于導(dǎo)電涂層電阻率高于金屬，因此負(fù)載電阻相較于鋁板的情況更大，峰值電流由43.7 kA降至41.0 kA。而0～5 μs電爆炸過(guò)程中電壓波形變化提供了更多涂層板參與放電的細(xì)節(jié)，與鋁板相比，涂層板放電的電壓峰值更寬、且呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，這與涂層參與電爆炸過(guò)程有關(guān)。在電功率和能量沉積方面，電爆炸過(guò)程的能量沉積差異不大，但隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，涂層的高電阻率得以吸收更多能量并驅(qū)動(dòng)部分涂層相變，沉積能量由826.7 J增加至1029.4 J。

圖7 25kV充電電壓/1870 J儲(chǔ)能下鋁板（上）和涂層板（下）棒-板放電時(shí)空分辨圖像（幀率260,000 fps，曝光時(shí)間1.57 μs）Fig.7 Spatial-temporal resolved images of rod-plate discharge of Al-plate (upper) and coated-plate (lower) under 25 kV charging voltage (1870 J stored energy). The camera worked with 260,000 fps and 1.57 μs exposure time per frame

圖7 給出了25 kV條件下時(shí)空分辨的放電高速圖像，同時(shí)也給出了相近階段鋁板的情況作為比較。從第1幀電爆炸起始時(shí)刻可以看出，電流上升過(guò)程中鋁板由于電熱不穩(wěn)定性產(chǎn)生了局部亮斑點(diǎn)，而涂層則圍繞接觸點(diǎn)產(chǎn)生了相當(dāng)大范圍的明亮區(qū)域。在隨后的幾幀中，鋁板表面以誘導(dǎo)絲的電爆炸為主，而涂層板則同時(shí)存在誘導(dǎo)絲的電爆炸和接觸點(diǎn)附近的涂層電爆炸。在第6幀中可以明顯看出，鋁板表面弧根部分直徑穩(wěn)定在5.5 cm，而涂層板由于臨近涂層電爆炸的關(guān)系，弧根部分直徑增至8.2 cm并隨著放電發(fā)展不斷增加。此外，在電爆炸范圍以外相當(dāng)大的區(qū)域范圍，都可以觀察到涂層板的表面亮紋，在亮紋部分區(qū)域，可以觀察到由電-熱不穩(wěn)定性發(fā)展導(dǎo)致的局部微爆炸。因此，相比于理想金屬版，由于導(dǎo)電涂層厚度薄、電阻大，在脈沖電流注入時(shí)，電流不易分散（厚度有限）、電能容易沉積（電阻大），更容易誘發(fā)薄層的電爆炸現(xiàn)象，這也解釋了圖6(a)中涂層板電壓峰的異?，F(xiàn)象，即誘導(dǎo)金屬絲和近接觸點(diǎn)涂層的串聯(lián)“電爆炸”。

有關(guān)涂層板電爆炸的沖擊波過(guò)程觀測(cè)則揭示了其更多的物理細(xì)節(jié)，圖8給出了沖擊波軌跡圖像（來(lái)源于圖7中涂層板高速圖片的第9幀），以及沖擊波演化過(guò)程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。不難看出，涂層板在接收脈沖電流注入時(shí)，在一定范圍內(nèi)發(fā)生了電爆炸，導(dǎo)致爆炸產(chǎn)物向上向外膨脹產(chǎn)生了沖擊波2，沖擊波2與誘導(dǎo)金屬絲產(chǎn)生的沖擊波1相互作用，使得流場(chǎng)變得更加復(fù)雜。圖8(b)(c)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出了等離子體和沖擊波特征演化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。類似的情況在Sonehara等人對(duì)于復(fù)合材料試樣的紋影照片也有所體現(xiàn)[22]。實(shí)際上，無(wú)論是復(fù)合材料還是導(dǎo)電涂層，相比于金屬都具有更高的電阻率，且由于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的原因容易在局部產(chǎn)生熱量堆積，最終難以避免導(dǎo)致電爆炸的發(fā)生。因而，其優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)該是提供電流分散通道、避免熱量積聚。

圖8 涂層板試樣棒-板沖擊波行為Fig.8 Shock waves of coated plate discharge

2.3 涂層表面放電的多角度觀測(cè)（間接方式）

為了更為直接地觀測(cè)脈沖電流作用下導(dǎo)電涂層的行為特征，同時(shí)從頂部和側(cè)面對(duì)涂層電爆炸過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)中采用間接方式布局負(fù)載，降低金屬絲瞬態(tài)強(qiáng)光造成的影響。在23.5 kV（1657 J）的儲(chǔ)能下進(jìn)行試驗(yàn)，典型結(jié)果如圖9所示，可以看出，在放電開(kāi)始的前5 μs以內(nèi)，誘導(dǎo)金屬絲首先發(fā)生了電爆炸，如圖9(c)中的第1幀。隨后大量電流注入涂層板中，涂層板發(fā)生局部相變引發(fā)電爆炸，如圖9(b)中第一幀和圖9(c)中第3幀，表現(xiàn)為光輻射強(qiáng)度的躍升，如圖9(a)所示，同時(shí)載流區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的亮紋。在俯視圖9(b)中的2-3幀，可以看到金屬絲電爆炸后的殘留蒸汽被涂層爆炸等離子體向外驅(qū)動(dòng)的陰影圖像，金屬蒸汽發(fā)展出了明顯的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性[37]。隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，脈沖電流注入對(duì)放電通道周圍的涂層加熱的累積效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，更大范圍的涂層受熱相變，等離子體范圍不斷擴(kuò)展至約10 cm左右，如圖9的第12幀。此后，隨著振蕩電流不斷衰減，注入能量不足以補(bǔ)償?shù)入x子體傳熱傳質(zhì)造成的能量損失，等離子體電離率下降，轉(zhuǎn)變?yōu)闊g產(chǎn)物蒸汽。從形貌上看，等離子體衰減過(guò)程可持續(xù)數(shù)百μs，在100 μs左右放電結(jié)束時(shí)，放電產(chǎn)物中仍有相當(dāng)顯著的等離子體輻射，在這個(gè)過(guò)程中等離子體持續(xù)造成的傳熱傳質(zhì)損傷仍然需要考慮。

圖9 23.5 kV充電電壓/1657 J儲(chǔ)能下涂層板棒-板放電特性：a）放電電流和光強(qiáng)-時(shí)間曲線；b）俯視視角時(shí)空分辨圖像（幀率160,000 fps，曝光時(shí)間0.70 μs）；c）側(cè)視視角時(shí)空分辨圖像（幀率260,000 fps，曝光時(shí)間1.82 μs）Fig. 9 Rod-plate discharge of coated-plate under 23.5 kV charging voltage (1657 J stored energy): a) discharge current and light intensity as a function of time; b) Spatial-temporal resolved images with end view (160,000 fps and 0.70 μs exposure time per frame); c) Spatial-temporal resolved images with side view (260,000 fps and 1.82 μs exposure time per frame)

2.4 雷擊過(guò)程主要損傷機(jī)制討論

通過(guò)搭建棒-板放電系統(tǒng)對(duì)雷擊過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室物理模擬，并進(jìn)行了放電過(guò)程參數(shù)分析和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的可視化，得到了雷擊損傷過(guò)程的物理細(xì)節(jié)：

1）電磁暫態(tài)過(guò)程：雷擊目標(biāo)物后，會(huì)伴隨放電回路參數(shù)的劇烈變化，放電通道經(jīng)歷短暫的非平衡過(guò)程。在這個(gè)階段中，接觸點(diǎn)附近的電位會(huì)發(fā)生急劇變化（電場(chǎng)），同時(shí)主放電電流發(fā)生劇烈波動(dòng)（磁場(chǎng)），對(duì)設(shè)備造成電磁干擾，其強(qiáng)度正比于電磁參數(shù)的變化速率。

2）電流注入過(guò)程：電流注入的直接后果是接觸點(diǎn)的熱損傷，這點(diǎn)已被充分研究。但從本研究的研究結(jié)果來(lái)看，高頻的雷電流分量會(huì)引發(fā)集膚效應(yīng)，造成接觸點(diǎn)以外的表層損傷（相變甚至誘發(fā)電爆炸），而且這種淺層高密度載流會(huì)誘發(fā)較大范圍的電-熱不穩(wěn)定性，使局部過(guò)熱發(fā)生相變。即使電導(dǎo)率較高的金屬鋁板，在面對(duì)高頻脈沖電流時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生淺層的表面電爆炸。對(duì)于導(dǎo)電涂層或復(fù)合材料而言，由于電導(dǎo)率高且呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，表面受熱相變甚至電爆炸的現(xiàn)象更加顯著。除此之外，需要更多關(guān)注等離子體消散過(guò)程，由于雷電放電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，等離子體和熱蒸汽在殼體表面駐留時(shí)間要遠(yuǎn)高于放電時(shí)間，而這段時(shí)間的傳熱以往研究提及較少，需要進(jìn)一步研究。

3）激波過(guò)程：除主放電的電弧激波之外，表面電爆炸引發(fā)的激波也需要考慮。不同來(lái)源激波的疊加不僅增加了表面流動(dòng)的復(fù)雜性，也會(huì)給殼體中激波的傳播造成影響。

3 結(jié)論

本文搭建了用于模擬雷擊導(dǎo)電體過(guò)程的脈沖放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于直接和間接方式開(kāi)展了脈沖放電對(duì)鋁板和導(dǎo)電材料涂層板的損傷試驗(yàn)。對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行了較為精細(xì)的光-電聯(lián)合診斷，得到了放電過(guò)程的電物理參數(shù)特性以及微秒分辨的動(dòng)力學(xué)過(guò)程可視化結(jié)果，揭示了載流導(dǎo)電體表面等離子體時(shí)空演化過(guò)程的物理細(xì)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖放電模擬的雷電流高頻分量（如A波和D波）存在集膚效應(yīng)導(dǎo)致的額外損傷機(jī)制——表面導(dǎo)電載流薄層電爆炸，解釋了不同電流下涂層板燒蝕范圍差異性的原因，并首次觀測(cè)到了電-熱不穩(wěn)定性機(jī)制所致載流薄層表面的明亮斑點(diǎn)/亮紋。此外，發(fā)現(xiàn)等離子體駐留時(shí)間遠(yuǎn)高于放電時(shí)間，造成的傳熱傳質(zhì)影響不應(yīng)被忽視。明確了激波產(chǎn)生的來(lái)源為主放電通道的膨脹和載流薄層電爆炸。在防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，從材料和結(jié)構(gòu)上避免電流在薄層聚集，同時(shí)在熱-力效應(yīng)考核上注重等離子體駐留和激波疊加效應(yīng)的影響。