熊 秀,劉 凱

(西安愛邦雷電與電磁環(huán)境實驗室,西安 710077)

0 引言

新軍事斗爭準備對武器裝備全天候執(zhí)行作戰(zhàn)任務的能力提出了更高的要求,當前,雷電作為強電磁/惡劣氣候環(huán)境的典型代表,是影響全天候作戰(zhàn)能力的主要制約因素。但與常規(guī)EMC和溫濕度、淋雨等氣候環(huán)境方面的研究相比,地面武器裝備系統(tǒng)雷電防護研究尚處于起步階段,重視程度與危害程度相比嚴重不足。

為了提高軍用車輛的防雷能力及全天候作戰(zhàn)能力,已經有一些文獻對各種車輛的雷擊危害及防雷設計進行了研究,其中包括通信車[1-3]、野戰(zhàn)指揮車[4]、航天系統(tǒng)特種車輛[5-7]等,對于試驗方法的研究仍比較欠缺,文獻[8]對移動車輛的流體接地進行了試驗驗證,但還沒有統(tǒng)一明確的方法對車輛雷電防護設計的效果及性能進行驗證。而試驗是摸清裝備防雷性能底數(shù),進行設計優(yōu)化和驗證的重要手段,明確適用的試驗方法,有利于推動軍用車輛的防雷研究及性能提升。

1 現(xiàn)行標準及試驗方法

現(xiàn)行有效的地面車輛雷電防護可參考的國軍標見表1。

表1 地面車輛雷電防護可參考的國軍標Table 1 GJB standards for ground vehicle lightning protection

表1中所列的GJB 5080、GJB 6784、GJB 7581、GJB 8007等標準由于源自IEC標準,重點在設計實現(xiàn)上,沒有提供明確的雷電波形及試驗考核方法。對于間接效應防護,只有針對SPD的試驗方法,不能覆蓋設備、分系統(tǒng)及整車的間接效應防護能力驗證。例如,GJB 8007中“4.4.6 質量要求”中規(guī)定:“車輛的雷電防護裝置試驗應參照GJB 3567進行全尺寸部件附著點試驗、結構直接效應試驗、電暈和流光的直接效應試驗,參照GB/T 18802.21-2004進行電氣入口端浪涌電流試驗……”,這樣的規(guī)定不夠完善,執(zhí)行起來有些困難。

GJB 8848中規(guī)定了地面系統(tǒng)的雷電試驗方法,包括直接效應試驗和間接效應試驗,見表2。

表2 地面系統(tǒng)雷電試驗方法適用性Table 2 Applicability of lightning test methods for ground systems

軍用裝備的雷電試驗研究經常還會參考以下航空領域的標準:

1)SAE ARP 5416A 飛機雷電試驗方法[18];

2)RTCA/DO-160 G機載設備環(huán)境條件和試驗程序[19]。

另外,對于設備級的間接效應試驗,還可參考MIL-STD-461G[20]中的CS117試驗方法。

針對地面車輛沒有明確試驗標準的現(xiàn)狀,本研究在GJB 8848地面系統(tǒng)雷電試驗方法的基礎上,參考飛機雷電試驗標準及方法,基于地面車輛的特點,整理了適用的雷電試驗方法,包括直接效應試驗方法和間接效應試驗方法。

2 雷電直接效應試驗方法

2.1 縮比模型分區(qū)試驗

筆者參考ARP5416中的飛機模型的附著點試驗方法及國外此類試驗經驗[21],用于確定車輛遭遇雷擊時可能的附著點位置,并基于試驗結果進行雷擊區(qū)域劃分。盡管縮比模型尖端處的局部曲率半徑和局部電場強度與全尺寸裝備上的不一樣,但各尖端在模型上與在全尺寸裝備上的相對尺寸是相似的,因此縮比模型測試結果能可靠地預測了裝備上產生雷電先導的位置。本試驗一般針對尺寸較大,外形結構復雜的車,一般小型車輛或者外形規(guī)則平整的車開展本試驗的必要性不大。

試驗件為精確縮比模型,最大尺寸不小于1 m,且外表面應為導電表面(金屬或金屬涂層),即使實際車輛的某些表面是由非導電材料制成的,在模型上也都處理為導電表面。這樣處理的主要是因為嚴格按照實際材料來加工縮比模型的成本太高,且對分區(qū)結果影響不大。如果試驗件有多種可能影響到雷電附著的狀態(tài)(比如發(fā)射架豎起),應在試驗件上能夠體現(xiàn)。

典型試驗布置見圖1。

圖1 縮比模型分區(qū)試驗布置Fig.1 Scaled model zoning test setup

由于地面車輛遭遇的放電為云地放電,放電電極使用棒電極,不需要使用平板電極。試驗放電位置要覆蓋所有可能的雷電先導方向,通常通過調整電極位置實現(xiàn)。

本試驗使用的波形為快速上升的電壓波形,圖2為GJB 1389A中規(guī)定的電壓波形,其中的左圖即為本試驗使用的波形,該波形在GJB 3567[16]中為電壓波形A。

圖2 GJB 1389A中規(guī)定的電壓波形

試驗中通過延時曝光拍照的方式記錄放電電弧路徑,從多個方位的照片上可以準確辨識出電弧的附著點位置。根據(jù)試驗得到的所有附著位置可確定LPZ0A、LPZ0B區(qū)域,車輛內部區(qū)域可確定為LPZ1,如有需要,可進一步劃分LPZ2區(qū)等。

2.2 高電壓附著試驗

參考ARP5416中初始先導附著試驗方法,用于確定全尺寸部件或設備的雷擊附著位置及可能的擊穿路徑[22],通常適用于可能遭受直接雷擊且沒有避雷針防護的設備(如位置較高的雷達天線罩、帶玻璃鋼罩的桿天線、鞭狀天線、凸出的任務裝置等)。

典型試驗布置見圖3。

圖3 高電壓附著試驗布置Fig.3 High voltage attachment test setup

試驗件應為全尺寸產品或典型樣件。同縮比模型分區(qū)試驗一樣,放電電極使用棒電極,不需要使用平板電極。試驗放電位置要覆蓋所有可能的雷電先導方向。試驗波形為電壓波形A。

試驗中通過延時曝光拍照的方式記錄放電電弧路徑,從多個方位的照片上可以辨識出電弧的附著點位置及絕緣擊穿位置。

2.3 大電流試驗

大電流試驗可視作雷電電流物理損傷試驗,在飛機的雷電試驗標準中,大電流試驗分為電弧引入試驗和電流傳導試驗兩種,電弧引入試驗適用于可能遭受雷電直接附著的結構和設備(如避雷針),電流傳導試驗適用于不會被雷電附著,但需要傳導雷電流的結構和設備(如引下線、匯流條)。

電弧引入試驗典型試驗布置見圖4,電流傳導典型布置見圖5,兩種方式的區(qū)別在于電弧引入試驗放電電極與放電位置有一定間隙,而電流傳導試驗中電流輸出是直接連接到試驗件放電位置。

圖4 電弧引入試驗布置Fig.4 Arc entry test setup

圖5 電流傳導試驗布置Fig.5 Conducted current test setup

電流注入位置為有代表性的雷電附著點。圖 為GJB 1389A中規(guī)定的雷電流分量,地面車輛與飛機不同,不存在只承受部分分量的區(qū)域,因此電流試驗時施加A、B、C、D分量,且應連續(xù)施加,以模擬真實的嚴重雷擊情況。

試驗時,應使流過試驗件的電流滿足圖6的要求,試驗后通過目視方法檢查損傷情況,如有必要,可通過無損探傷或剩余強度測試等方法確認損傷程度。

圖6 GJB 1389A中規(guī)定的電流分量Fig.6 Current components in GJB 1389A

圖7 整車雷電間接效應試驗布置(直接雷擊)Fig.7 Lightning indirect effect test setup of vehicle

3 雷電間接效應試驗方法

3.1 整車雷電間接效應試驗

GJB 8848中提供的脈沖注入等級(即間接效應試驗等級)包括A、B、C、D共4類,其電平與RTCA/DO-160G中的機載設備間接效應試驗等級2～等級5接近,這些電平來源于飛機的測試數(shù)據(jù)[23-24]。地面車輛在雷擊時的實際感應瞬態(tài)電平與飛機明顯是有較大差別的,因此要做到合理有效的防護,首先應該實際測量不同車輛的雷電感應瞬態(tài)電平。

整車雷電間接效應試驗方法是在實驗室內模擬雷電流通道(可分為車輛遭遇直接雷擊或者鄰近雷擊),測量車載設備電纜及端口上的感應電平,測得的感應電平既可以作為車載設備雷電防護設計的依據(jù),也可以與車載設備的防護能力進行比較,評估其防護能力是否滿足要求。

本試驗的試驗件應為完整狀態(tài)的車輛,或至少包含典型的設備及電纜。

在飛機的整機間接效應試驗中,為了機身電流分布盡量接近空中遭雷擊時的狀態(tài),需要架設同軸回線以避免接地回線對機身電流分布的影響[25-26]。而地面車輛本身就是在地面,不需要架設同軸接地回線,但考慮到不同接地位置對電纜感應的影響,應該在多種接地狀態(tài)下進行測試,以獲得最大的感應電平。

為了不對車輛和設備造成損傷,試驗施加的電流分量A(地面設備不包含分量H),幅值一般為1 kA～10 kA,測得的數(shù)據(jù)進行線性外推以獲得全幅值下的感應電平。

需要測量的典型信號包括:芯線與屏蔽層開路電壓、芯線短路電流、屏蔽層電流等。正式測量前,應確認測量系統(tǒng)和環(huán)境的背景噪聲,尤其是雷電流放電對測量系統(tǒng)的影響。

國外有些實驗室也開展過全幅值的整機雷電試驗[26-27],但由于對試驗件損傷較大、試驗成本高且有替代方法[28]等原因,標準并不推薦。小型車輛相對飛機而言尺寸較小,如果需要對整車進行雷電綜合效應的考核,也可以考慮對整車施加全幅值雷電流。

3.2 直接效應引起的間接效應測量

適用于LPZ0A、LPZ0B區(qū)域的設備,以確定因雷擊而在設備內部電路及線纜上感應的電壓與電流。本試驗方法跟“4.1 整車雷電間接效應試驗”類似,只是針對的對象不同。

試驗布置分兩種情況,圖8(a)適用于LPZ0B區(qū)域雷電流不流過自身的的外部安裝設備,圖8(b)適用于LPZ0A區(qū)域流過雷電流的外部安裝設備。

圖8 直接效應引起的間接效應測量試驗Fig.8 Indirect effect caused by direct strike measurement test setup

試驗施加的波形為電流分量A,幅值通常不超過50 kA。本試驗也可結合電弧引入試驗和電流傳導試驗來完成。

3.3 雷電脈沖電磁場效應試驗

雷電未擊中車輛而是落在附近時,雷電脈沖電磁場對車輛也會產生間接效應影響[29],雷電脈沖電磁場效應試驗就是為了驗證這些效應。GJB 1389A中給出了10 m處鄰近雷擊的電磁場,見表3。GJB 8848中給出了10 m外的雷電電磁場,見表4。GJB 8848也規(guī)定了脈沖電磁場試驗方法,脈沖電場效應試驗和脈沖磁場效應試驗是分開進行的,分別見圖9和圖10。綜合GJB 1389A和GJB 8848給出的方法與電磁場數(shù)據(jù),在實際應用中發(fā)現(xiàn)存在以下缺陷:

圖9 脈沖磁場效應試驗Fig.9 Impulse magnetic field effect test

圖10 脈沖電場效應試驗Fig.10 Impulse electric field effect test

表3 來自鄰近雷擊(云對地)的電磁場Table 3 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG)

表4 來自鄰近雷擊(云對地)的電磁場(R>10 m)Table 4 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG, R>10 m)

1)沒有給出10 m以內的電磁場數(shù)據(jù)。

2)脈沖磁場試驗中磁場環(huán)和脈沖電場試驗中平板電極的尺寸限制,無法對較大尺寸的試驗件開展試驗。

3)脈沖磁場和脈沖電場分開試驗與真實情況不一致,導致產生的效應與實際不符。

4)GJB 8848中規(guī)定的脈沖電場強度是雷電通道產生的,脈沖電場試驗中,平板電極無論是否產生擊穿,都不能產生3 000 kV/m左右的電場。

基于上述原因,建議采用如圖11所示的試驗方法,電流發(fā)生器產生雷電流波形流過導體以模擬雷電通道,產生脈沖電磁場,將被試車輛放置于通道附近(距離可根據(jù)實際情況來確定),監(jiān)測雷擊發(fā)生時及發(fā)生后車載系統(tǒng)或設備的狀態(tài)。該試驗方法可以彌補上述4條缺陷,盡管地面及場地會影響電磁場分布,仍然可以更好地達到驗證雷電脈沖電磁場對車輛產生的效應的目的。

圖11 建議的脈沖電磁場試驗布置Fig.11 Proposed electromagnetic field effect test setup

試驗中應監(jiān)測雷電流在車輛位置產生的脈沖電場和脈沖磁場強度,車載系統(tǒng)和設備應正常工作,通過對系統(tǒng)和設備的監(jiān)測以及試驗后的性能檢查來判斷是否造成干擾或損傷。

3.4 雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗

雷電脈沖電磁場效應試驗和雷電感應瞬態(tài)敏感度試驗都是考核驗證被試件的間接效應防護能力,不同之處在于前者是以場的方式施加干擾,而后者是以端口注入或線纜耦合的方式施加干擾。

GJB 8848中規(guī)定的耦合注入方法為對地注入法,見圖12,將瞬態(tài)脈沖信號注入到殼體與地之間,這種方法的好處是可以將瞬態(tài)信號同時施加到多根互連電纜上,達到同時考核系統(tǒng)內多個設備的目的,但存在的缺陷是:

圖12 GJB 8848中規(guī)定的耦合注入方法Fig.12 Ground injection method in GJB 8848

1)由于各電纜及設備的阻抗不同,導致各電纜上的瞬態(tài)信號電平可能有較大差別,出現(xiàn)考核強度不一致的情況[30]。

2)由于瞬態(tài)電流分流到多根電纜,相當于發(fā)生器的輸出負載大大增加,對于高等級(類別C、D)試驗,現(xiàn)有設備無法滿足要求。

基于上述原因,對于高等級試驗,可以按照RTCA/DO-160或者MIL-STD-461G中CS117的電纜束耦合注入方法進行試驗,試驗布置見圖13,瞬態(tài)信號施加到單根電纜束上。試驗中車載系統(tǒng)和設備應正常工作,通過對系統(tǒng)和設備的監(jiān)測以及試驗后的性能檢查來判斷是否造成干擾或損傷。另外,對于非常重要的設備,應考慮按照RTCA/DO-160中的插針注入方法進行試驗。

圖13 電纜束耦合注入法Fig.13 Bundle injection test setup

4 結論

上述試驗方法包括了軍用地面車輛可能用到的各種直接效應及間接效應試驗方法,融合了當前國內外主流標準,這些方法在其他領域的裝備研究中有應用,方法的可行性已經過驗證,但應用于軍用地面車輛時不能簡單照搬。研究了試驗方法對軍用地面車輛的適用性,基于軍用地面車輛的特點及試驗經驗提出了改進方法?？捎糜诟鞣N軍用車輛的試驗研究與考核鑒定,也可供后續(xù)的標準編制參考。