李秋良, 司曉亮, 李志寶, 段澤民*

(1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院, 合肥 230009; 2.飛機(jī)雷電防護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031;3.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230031)

據(jù)統(tǒng)計(jì),一架固定航線的飛機(jī),平均每年會(huì)遭遇一次雷擊,雷擊對(duì)飛機(jī)的飛行安全會(huì)產(chǎn)生巨大威脅[1-2]。由于飛機(jī)的安全越來(lái)越依賴電子設(shè)備,而復(fù)合材料的大量應(yīng)用使得飛機(jī)電磁屏蔽效能降低,導(dǎo)致飛機(jī)更容易遭雷擊損壞[3-4]。機(jī)載天線罩作為飛機(jī)的護(hù)目鏡,以保護(hù)飛機(jī)內(nèi)部脆弱的天線不受惡劣環(huán)境的影響。在設(shè)計(jì)天線罩時(shí),主要考慮的是機(jī)械強(qiáng)度、熱應(yīng)力、重量以及雷達(dá)電磁波的傳輸性能,這些因素與高介電強(qiáng)度和雷擊防護(hù)能力不完全兼容。因此,雷電分流條被設(shè)計(jì)出來(lái)用于天線罩的雷電防護(hù),而雷電分流條的設(shè)計(jì)在滿足防雷需求的同時(shí)還要對(duì)天線性能影響較小[5]。常用的雷電分流條有金屬分流條、紐扣式分流條等。

國(guó)外對(duì)機(jī)載天線罩雷電防護(hù)做了大量研究,文獻(xiàn)[6]研究了金屬分流條和紐扣式分流條對(duì)不同天線罩壁試樣性能的影響,采用不同的高壓波形和具有代表性的大電流脈沖對(duì)防雷措施的有效性進(jìn)行了測(cè)試;文獻(xiàn)[7]建立天線罩內(nèi)放電發(fā)展過(guò)程的機(jī)制模型,揭示了在使用金屬和紐扣分流條防護(hù)時(shí),天線罩模型中放電形成的特點(diǎn);文獻(xiàn)[8]探討了利用三維建模來(lái)探索雷電防護(hù)方案的有效性。中國(guó)在天線罩雷電防護(hù)方面也開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[9]比較不同分流條的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)不同類型金屬分流條進(jìn)行了雷電防護(hù)設(shè)計(jì)試驗(yàn);文獻(xiàn)[10]利用經(jīng)驗(yàn)公式和路徑比較兩種方法來(lái)設(shè)計(jì)布局分流條,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性;文獻(xiàn)[11]對(duì)Z11直升機(jī)天線罩進(jìn)行雷電仿真,通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化分流條結(jié)構(gòu)和幾何尺寸來(lái)提高天線罩系統(tǒng)的防雷效果;文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)仿真方法探究了飛機(jī)天線罩的相對(duì)介電常數(shù)、分流條長(zhǎng)度和數(shù)量對(duì)罩體感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要針對(duì)傳統(tǒng)分流條開(kāi)展飛機(jī)天線罩的雷電防護(hù)研究,有關(guān)金屬氧化物分流條在飛機(jī)表面布局方法的研究報(bào)道較少,缺少金屬氧化物分流條雷電防護(hù)的指導(dǎo)性原則和方法。

現(xiàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[14-15]中規(guī)定的雷電波形以及天線罩雷電防護(hù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),首先,對(duì)金屬氧化物分流條的擊穿電壓開(kāi)展試驗(yàn)研究;然后,對(duì)某型機(jī)載天線罩進(jìn)行雷電附著試驗(yàn),研究分流條布局對(duì)天線罩雷電防護(hù)的影響;最后,基于有限元軟件靜電場(chǎng)仿真建模,比較不同布局下天線周圍的感應(yīng)電場(chǎng),分析其雷電防護(hù)效果,驗(yàn)證了試驗(yàn)的有效性。研究結(jié)果對(duì)天線罩雷電防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 雷電分流條

金屬分流條通常應(yīng)用于商用飛機(jī)的雷達(dá)罩,能夠有效地屏蔽天線外部電場(chǎng),同時(shí)降低了天線上流注-先導(dǎo)轉(zhuǎn)換的概率。但是金屬分流條相對(duì)較重,對(duì)天線透波影響較大。紐扣式分流條對(duì)天線透波影響較小,但是擊穿特性和透波特性受金屬片段幾何形狀的影響較大。金屬氧化物分流條重量最輕,對(duì)天線透波影響最小。因此,對(duì)重量和天線透波有較高要求的防雷系統(tǒng),可選金屬氧化物分流條,其實(shí)物如圖1所示。

圖1 金屬氧化物分流條Fig.1 Metal oxide diverter strip

金屬氧化物分流條相對(duì)于金屬分流條電磁波透明、重量輕、空氣動(dòng)力阻力小、能承受重復(fù)雷擊以及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。在正常情況下,金屬氧化物顆粒間存在微小間隙,使分流條處于絕緣狀態(tài);當(dāng)在雷電環(huán)境下時(shí),由于雷電高壓電場(chǎng)的作用,金屬氧化物顆粒之間的小距離形成一系列的火花間隙;當(dāng)電壓達(dá)到一定值后,將整個(gè)間隙電離,從而將顆粒上方的空氣變成等離子體,雷電的電壓很大,可以將分流條上的間隙全部電離,形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的等離子體區(qū)域;在雷電的作用下,這些等離子體區(qū)域繼續(xù)發(fā)展,相互連接,最后在分流條上方形成一條明亮的等離子體弧道。由于該通道具有很高的導(dǎo)電性,進(jìn)而可以導(dǎo)走雷電能量,通過(guò)引下線連接到金屬機(jī)身釋放,使雷達(dá)和天線罩得到保護(hù)。分流條導(dǎo)走雷電能量后,其自身特性基本不變,可承受多次雷電沖擊。安裝示意圖如圖2所示。

圖2 金屬氧化物分流條安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of metal oxide diverter strip installation

1.2 金屬氧化物分流條擊穿電壓

為獲得金屬氧化物分流條的擊穿特性,對(duì)不同長(zhǎng)度分流條進(jìn)行擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)采用雷電壓A波和D波其電壓波形如圖3所示。

圖3 電壓波形Fig.3 Voltage waveform

試驗(yàn)布置如圖4所示,對(duì)不同長(zhǎng)度分流條進(jìn)行擊穿試驗(yàn),給高壓電極加上電壓,按2 kV為梯度逐漸加壓,直到分流條擊穿,取該值為擊穿電壓。不同電壓波形下分流條擊穿電壓隨長(zhǎng)度變化如圖5所示,金屬氧化物分流條擊穿電壓與電壓變化率成正比,雷電壓A波擊穿電壓大于D波。長(zhǎng)度在20～100 cm區(qū)間內(nèi),A、D波平均擊穿電壓分別為0.46、0.42 kV/cm;在100～200 cm區(qū)間內(nèi),A、D波平均擊穿電壓分別為0.17、0.14 kV/cm;圖6為不同波形電壓擊穿圖。

圖4 高壓擊穿試驗(yàn)設(shè)置方案Fig.4 Setting scheme of high voltage breakdown test

圖5 金屬氧化物分流條擊穿電壓隨長(zhǎng)度變化Fig.5 Breakdown voltage of metal oxide diverter strip varies with length

圖6 分流條擊穿前與擊穿時(shí)Fig.6 Before and during breakdown of diverter strip

2 天線罩雷電防護(hù)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

基于某型飛機(jī)天線罩雷電防護(hù),該天線罩位于飛機(jī)機(jī)頭,屬于雷電1A區(qū)。

目前國(guó)際上關(guān)于飛機(jī)雷電附著點(diǎn)的研究主要是飛機(jī)雷電標(biāo)準(zhǔn)中的雷電壓波形A和D,按照SAE ARP5416標(biāo)準(zhǔn),對(duì)天線罩進(jìn)行全尺寸雷電附著試驗(yàn)。根據(jù)沖擊電壓回路的相關(guān)電路原理,建立了雷電壓波形A和D的雷電試驗(yàn)環(huán)境。對(duì)某型飛機(jī)天線罩進(jìn)行了雷電壓試驗(yàn),圖7為構(gòu)建的雷電壓附著試驗(yàn)平臺(tái)原理示意圖。

圖7 雷電壓試驗(yàn)平臺(tái)原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of lightning voltage test platform

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在安裝分流條之前,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)其數(shù)量進(jìn)行確認(rèn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,分流條最大間距滿足關(guān)系式

(1)

式(1)中:Dmax為分流條的最大間隔;T為天線罩厚度;k為表面光滑系數(shù),一般取1;S為安全因子。試驗(yàn)天線罩參數(shù)選取為:T=8 mm,S=1.12,k=1,由式(1)得Dmax=343.45 mm。

(1)根據(jù)上述最大間距進(jìn)行初步設(shè)計(jì),在天線罩表面安裝6根金屬氧化物分流條,分流條長(zhǎng)度為250 mm,寬度為13 mm,在天線罩底部用螺栓固定,使分流條與集流環(huán)連接,通過(guò)搭鐵線使集流環(huán)與機(jī)體連接,為導(dǎo)走雷電流提供低電阻通道。

根據(jù)GJB 3567—99標(biāo)準(zhǔn),對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行雷電附著試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)天線罩穿孔,如圖8所示。此次試驗(yàn)結(jié)果不滿足防護(hù)要求,試驗(yàn)終止。經(jīng)過(guò)分析,出現(xiàn)穿孔的原因是因?yàn)榉至鳁l不能完全覆蓋天線,無(wú)法給天線罩提供充分的保護(hù)。

圖8 天線罩在正極性D波下穿孔Fig.8 The radome perforates in positive D wave

(2)在第一次的基礎(chǔ)上對(duì)分流條布局進(jìn)行改進(jìn),增加分流條長(zhǎng)度至300 mm,寬度不變。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)改進(jìn)布局后的樣件進(jìn)行第二次試驗(yàn)。從試驗(yàn)中可觀察到雷電全部附著在分流條上,對(duì)天線罩進(jìn)行檢查,并未發(fā)現(xiàn)穿孔或分層,滿足雷電防護(hù)要求。為了更好地驗(yàn)證防雷系統(tǒng)的可靠性,還需考慮天線偏轉(zhuǎn)對(duì)分流條布局的影響。

(3)在第二次改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,以圓盤(pán)天線中心建立空間坐標(biāo)系,如圖9所示,選定水平面為基準(zhǔn),沿角度φ方向調(diào)整天線偏轉(zhuǎn)角,d1為天線距罩壁的最大距離,d2為天線距罩壁的最小距離;旋轉(zhuǎn)天線,使其偏轉(zhuǎn)到離罩壁最近的位置,根據(jù)試驗(yàn)要求,對(duì)天線罩進(jìn)行第三次試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,依然在天線罩罩壁上出現(xiàn)了穿孔,試驗(yàn)終止。

圖9 對(duì)天線建立空間坐標(biāo)系Fig.9 Establish a spatial coordinate system for the antenna

經(jīng)過(guò)分析,造成天線罩穿孔的主要原因是:天線的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致分流條不能完全地遮蔽運(yùn)動(dòng)的天線;天線的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致天線與罩壁的間隙變小,使得天線罩擊穿強(qiáng)度下降。針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)分流條的布局進(jìn)行優(yōu)化。

將分流條1#和4#延長(zhǎng)至天線罩頂部相對(duì)接,優(yōu)化后的試驗(yàn)布局和分區(qū)如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的布局和天線罩試驗(yàn)分區(qū)Fig.10 Optimized layout and radome test partition

確定好最后的布局,按照試驗(yàn)大綱要求對(duì)天線罩進(jìn)行第四次雷電附著試驗(yàn)。對(duì)于天線罩和天線的各種狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中,雷電全部都附著在分流條上面,天線罩上面沒(méi)有出現(xiàn)穿孔或結(jié)構(gòu)分層,試驗(yàn)結(jié)果符合天線罩雷電防護(hù)要求。圖11為典型的試驗(yàn)放電圖。

圖11 雷電附著天線罩試驗(yàn)圖Fig.11 Test diagram of lightning attachment radome

3 仿真研究

3.1 有限元模型

雷電附著試驗(yàn)處于低頻狀態(tài),試驗(yàn)設(shè)備的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng),內(nèi)部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合非常弱,將其看作電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)[16]。

參照文獻(xiàn)[14-15]試驗(yàn)要求,利用有限元仿真軟件建立天線罩仿真模型,搭建棒-板電極放電模型,模擬飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)的雷電環(huán)境,文獻(xiàn)[12-13]基于雷電對(duì)天線罩機(jī)理,通過(guò)大量試驗(yàn)和仿真,得到天線罩內(nèi)部天線起暈閾值。在較復(fù)雜的模型中,電暈場(chǎng)幾乎是恒定的,正極性下約為5 kV/cm,負(fù)極性下約為7.5 kV/cm。本仿真基于正極性電極模型,以金屬圓盤(pán)代替天線,當(dāng)內(nèi)部天線周圍的電場(chǎng)小于 5 kV/cm(0.5 MV/m)時(shí),分流條達(dá)到防護(hù)要求。

本文仿真模型構(gòu)建與試驗(yàn)件相同,有效模擬天線罩實(shí)際情況。天線罩高度H=430 mm,天線高度h=200 mm,底部開(kāi)口半徑R=330 mm,厚度T=8 mm;為了更好地測(cè)量?jī)?nèi)部天線電場(chǎng),天線用圓盤(pán)天線,直徑d=150 mm,如圖12所示。高壓棒電極施加2 MV的電壓,板電極設(shè)為接地。

圖12 天線和天線罩外形尺寸Fig.12 External dimensions of antenna and radome

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 分流條長(zhǎng)度對(duì)天線的感應(yīng)電場(chǎng)的影響規(guī)律

為研究金屬氧化物分流條長(zhǎng)度對(duì)天線周圍感應(yīng)電場(chǎng)的影響,先固定分流條的數(shù)量,天線罩外面鋪設(shè)6根分流條,天線無(wú)偏轉(zhuǎn)。定義其電場(chǎng)變化率α為長(zhǎng)度增加前后峰值電場(chǎng)差值與變化前電場(chǎng)峰值之比。根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)變化率公式計(jì)算的數(shù)值仿真結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)部天線邊緣電場(chǎng)隨分流條長(zhǎng)度變化的規(guī)律

從表1中可以得出,當(dāng)分流條長(zhǎng)度增加,內(nèi)部天線邊緣的峰值電場(chǎng)逐漸遞減,這一趨勢(shì)與先前仿真相吻合[9-10]。當(dāng)分流條從200 mm增加到300 mm時(shí),內(nèi)部天線邊緣電場(chǎng)的變化率逐漸增加,尤其在250～300 mm時(shí)變化率達(dá)到最大,為15.8%,并且電場(chǎng)由0.57 MV/m下降至0.48 MV/m,基本上滿足天線罩的雷電防護(hù)指標(biāo)和要求;當(dāng)分流條從 350 mm 增加到500 mm時(shí),內(nèi)部天線邊緣電場(chǎng)下降趨于平緩,這是由于天線固定,分流條高于天線,抑制天線起暈,與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖13為4個(gè)不同長(zhǎng)度分流條的場(chǎng)強(qiáng)值對(duì)比圖,從上到下依次是:250、300、350、400 mm。從中可以看出,分流條長(zhǎng)度增加到300 mm以后,內(nèi)部天線邊緣電場(chǎng)變化比較小,最后趨于穩(wěn)定數(shù)值。圖14為不同長(zhǎng)度分流條雷電防護(hù)仿真圖形x-y平面截面圖。

圖13 不同長(zhǎng)度分流條防護(hù)時(shí)天線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.13 Electric field intensity around the antenna when the diverter strips of different lengths are protected

圖14 不同長(zhǎng)度分流條防護(hù)時(shí)天線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度3D圖Fig.14 3D diagram of electric field intensity around antenna with different length diverter strip protection

3.2.2 不同數(shù)量分流條對(duì)天線罩的防護(hù)效果

為探究不同數(shù)量的分流條對(duì)天線罩內(nèi)部天線周圍電場(chǎng)的影響,在天線罩上分別鋪設(shè)0、2、4、6、8、10根長(zhǎng)度為300 mm的金屬氧化物分流條,然后進(jìn)行仿真結(jié)果分析。其分析數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同數(shù)量時(shí)天線周圍場(chǎng)強(qiáng)的變化情況

從表2中數(shù)據(jù)可以看出,在沒(méi)有分流條保護(hù)時(shí),天線周圍電場(chǎng)高達(dá)1.35 MV/m;隨著鋪設(shè)分流條數(shù)量的增加,天線周圍的場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低;當(dāng)鋪設(shè)2、4根分流條時(shí),天線周圍電場(chǎng)遠(yuǎn)大于0.5 MV/m,沒(méi)有達(dá)到防護(hù)效果;當(dāng)分流條增加到6根時(shí),內(nèi)部天線周圍電場(chǎng)從1.35 MV/m下降到0.48 MV/m,下降了64.4%,滿足雷電防護(hù)要求。

根據(jù)上述設(shè)計(jì),可以算出分流條的最大間隔是Dmax=345.58 mm;由式(1)得Dmax=343.45 mm,仿真計(jì)算的最大間隔與經(jīng)驗(yàn)公式得出的最大間隔相差0.6%,基本上滿足要求。

圖15為金屬氧化物分流條數(shù)量為2、4、6、8根時(shí)天線周圍場(chǎng)強(qiáng)變化曲線圖。圖16為不同數(shù)量金屬氧化物分流條仿真模型的x-z平面電場(chǎng)分布圖。

圖15 不同數(shù)量金屬氧化物分流條時(shí)天線周圍場(chǎng)強(qiáng)變化情況Fig.15 Variation of the field intensity around the antenna with different number of metal oxide diverter strips

圖16 不同數(shù)量金屬氧化物分流條電場(chǎng)分布情況Fig.16 Electric field distribution of metal oxide diverter strips in different quantities

3.2.3 天線的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)雷電感應(yīng)電場(chǎng)的變化規(guī)律

為了研究飛機(jī)在飛行時(shí)雷達(dá)天線偏轉(zhuǎn)對(duì)天線周圍電場(chǎng)的影響,金屬氧化物分流條取6根,長(zhǎng)度為300 mm,按圖9的坐標(biāo)系統(tǒng)沿φ方向的偏轉(zhuǎn)角分別取0°、3°、6°、9°、12°、15°進(jìn)行仿真分析。通過(guò)軟件后處理,得出天線峰值場(chǎng)強(qiáng)如表3所示,偏轉(zhuǎn)后的場(chǎng)強(qiáng)峰值都超過(guò)了閾值場(chǎng)強(qiáng);天線周圍電場(chǎng)隨偏轉(zhuǎn)角變化的變化規(guī)律如圖17所示,隨著偏轉(zhuǎn)角增大,天線周圍峰值場(chǎng)強(qiáng)也隨之增大,且都超過(guò)閾值場(chǎng)強(qiáng),不符合雷電防護(hù)要求。

表3 不同天線偏轉(zhuǎn)角天線周圍場(chǎng)強(qiáng)的變化情況

圖17 優(yōu)化前天線周圍電場(chǎng)隨天線偏轉(zhuǎn)的變化規(guī)律Fig.17 Variation of electric field around the optimized antenna with antenna deflection

根據(jù)上述分析結(jié)論,采用優(yōu)化措施保證天線罩的防雷性能可靠性。將1#和4#分流條延長(zhǎng)到天線罩頂端,得出優(yōu)化后的峰值場(chǎng)強(qiáng)如表3所示,全部都小于0.5 MV/m,符合雷電防護(hù)要求,圖18反映了優(yōu)化后天線周圍電場(chǎng)隨偏轉(zhuǎn)角變化的變化規(guī)律,優(yōu)化后的電場(chǎng)分布如圖19所示。

圖18 優(yōu)化后天線周圍電場(chǎng)隨天線偏轉(zhuǎn)的變化規(guī)律Fig.18 Variation of the electric field around the antenna with the deflection of the antenna after optimization

圖19 優(yōu)化后隨天線偏轉(zhuǎn)時(shí)天線周圍的電場(chǎng)分布Fig.19 The electric field distribution around the antenna when the antenna is deflected after optimization

4 結(jié)論

本文分析了金屬氧化物分流條的結(jié)構(gòu)和原理,采用高壓擊穿試驗(yàn)研究金屬氧化物分流條的耐壓特性。根據(jù)試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比,研究金屬氧化物分流條布局對(duì)防雷效果的影響,并得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)外部電壓大于金屬氧化物分流條的擊穿電壓時(shí),金屬氧化物分流條金屬顆粒間的空氣間隙迅速電離,形成等離子體通道導(dǎo)走大電流;金屬氧化物分流條擊穿電壓與電壓變化率成正比,雷電壓A波擊穿電壓大于雷電壓D波。

(2)天線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度隨金屬氧化物分流條長(zhǎng)度和數(shù)量的增加逐漸遞減,按經(jīng)驗(yàn)公式安裝6根300 mm的金屬氧化物分流條,天線罩內(nèi)天線周圍電場(chǎng)下降了64.4%。

(3)天線的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致分流條不能完全地遮蔽運(yùn)動(dòng)的天線,而且天線的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致天線與罩壁的間隙變小,使得天線罩擊穿強(qiáng)度下降。通過(guò)優(yōu)化分流條布局使天線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度由無(wú)防護(hù)時(shí)的 1.35 MV/m 降到起暈閾值0.5 MV/m以下,滿足雷電防護(hù)的要求。

為進(jìn)一步驗(yàn)證分流條布局的可行性,接下來(lái)將結(jié)合試驗(yàn)與仿真研究該布局對(duì)天線罩透波特性的影響。