王甜甜，劉 凱，何相勇，杜鳴心，狄瑋嵐

（西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司，西安，710075）

0 引言

雷電是一種高電壓和大電流的自然放電現(xiàn)象，在地球的大氣層中，平均每天發(fā)生約800萬(wàn)次。雷電造成的危害主要可以分為直接效應(yīng)（物理效應(yīng)）以及間接效應(yīng)（電磁效應(yīng)），其中直接效應(yīng)可導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生熔融、擊穿和變形等物理畸變，而間接效應(yīng)則會(huì)使設(shè)備電性能失效或損壞，導(dǎo)致設(shè)備的極限損失。

目前中國(guó)已經(jīng)開展了不少有關(guān)雷電間接效應(yīng)對(duì)設(shè)備影響的研究［1-4］，趙濤寧等［5］通過(guò)開展試驗(yàn)深入研究了雷電間接效應(yīng)下雷電與飛行器相互作用的耦合機(jī)理。

復(fù)合材料因輕質(zhì)、易加工以及良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)，吸引越來(lái)越多的艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用復(fù)合材料代替金屬材料以滿足服役需求［6-8］，復(fù)合材料艙體在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用［9-10］，但復(fù)合材料用于艙體降低雷電相關(guān)防護(hù)的效果，特別是關(guān)于復(fù)合材料艙體直接雷擊下的內(nèi)部響應(yīng)及其線纜感應(yīng)方面的研究卻是鮮見。本文采用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究直接雷擊對(duì)艙體內(nèi)部電磁環(huán)境的影響，及其引起的內(nèi)部線纜感應(yīng)，這對(duì)于研究雷電作用對(duì)復(fù)合材料艙體的影響機(jī)理，優(yōu)化艙體設(shè)計(jì)，改善雷電防護(hù)性能具有重要意義。

1 雷電對(duì)于艙體的作用模式

對(duì)于地面裝備的艙體來(lái)說(shuō)，參照SAE ARP5416A《飛機(jī)雷電試驗(yàn)方法》［11］，雷電先導(dǎo)附著的位置一般為艙室頂部或者頂部安裝凸出位置，因而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件中未對(duì)雷電電壓附著試驗(yàn)提出要求?？蓞⒄盏孛娼ㄖ锓览追绞竭x取典型附著點(diǎn)進(jìn)行考核。附著點(diǎn)以外的艙體將作為雷電傳導(dǎo)的介質(zhì)，艙段雷電附著與傳導(dǎo)如圖1所示。雷電流將按照低阻抗路徑主動(dòng)選擇泄放途徑，進(jìn)而可對(duì)艙體壁板造成局部熔穿、燒蝕、接頭和部件損傷等影響。

圖1 艙段雷電附著與傳導(dǎo)示意Fig.1 Schematic of lightning attachment and conduction in a compartment

注入的雷電流經(jīng)過(guò)艙體可分為3 個(gè)路徑（見圖2）：

圖2 艙段雷電電流回路分析示意Fig.2 Schematic of lightning current loop analysis of the cabin section

a）外部回路：指包括外部艙體/殼體、外部線纜、外部車體等實(shí)際通路以及復(fù)合材料不導(dǎo)電引發(fā)的空氣擊穿閃絡(luò)等特殊通路。

b）殼體結(jié)構(gòu)回路：指設(shè)備艙體/殼體自身作為電流通路。

c）內(nèi)部電子集總回路：指由注入端開始的內(nèi)部所有電子線路（包括一部分支撐結(jié)構(gòu)、底座等非電結(jié)構(gòu)）形成的回路。

對(duì)于內(nèi)部電子集成回路而言，它的響應(yīng)包含了3個(gè)部分：自身通路形成的電流及其電磁場(chǎng)；外部回路形成的電磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)殼體結(jié)構(gòu)屏蔽效應(yīng)之后，感應(yīng)在內(nèi)部電子線路上形成的電流；殼體結(jié)構(gòu)作為電流通路，其電流集膚效應(yīng)、局部曲率、孔縫等效應(yīng)形成的感應(yīng)電流。

2 艙體雷電作用仿真

2.1 艙體建模

本文研究對(duì)象為某復(fù)材設(shè)備艙段的簡(jiǎn)化模型，艙體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 艙體模型及線纜布局Fig.3 Layout of cabin model and cable layout

該設(shè)備艙主體框架結(jié)構(gòu)為鋁合金材料，艙體表面采用復(fù)合材料。艙體表面表面位置開5個(gè)孔，線纜設(shè)置如表1 所示，內(nèi)部電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表2 所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示，電纜終端阻抗設(shè)置為50 Ω。

表1 線纜設(shè)置Tab.1 Cable setup

表2 艙內(nèi)線纜設(shè)置信息Tab.2 The information of cabin cable setup

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 Position of monitoring points

2.2 艙體仿真設(shè)置

根據(jù)艙體的接入情況，設(shè)定從艙體一側(cè)中心位置進(jìn)入雷電流，從另一側(cè)底端擊出。

雷電輸入是大電流脈沖信號(hào)，美國(guó)SAE學(xué)會(huì)公布的飛行器一系列雷電試驗(yàn)波形成為國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形，取SAE ERP5414A［12］電流分量A，峰值電流達(dá)到200 kA。其函數(shù)表達(dá)式為

式中I0=218 810 A，α=11 354 s-1，β=647 265 s-1。

模擬真實(shí)情況，將邊界條件設(shè)為開放邊界。A分量波形信號(hào)如圖5所示。

圖5 A分量波形信號(hào)Fig.5 Waveform signal of component A

2.3 艙體仿真結(jié)果及分析

2.3.1 艙體的表面電流分布

圖6 是相同雷電流路徑時(shí)，不同雷電流幅值下，在6.4 μs 時(shí)刻艙體表面電流密度分布情況。當(dāng)雷電流幅值分別為2 kA、4 kA、6 kA時(shí)，復(fù)合材料艙體表面電流密度分布規(guī)律相似。

圖6 不同幅值艙體表面電流密度分布Fig.6 Current density distribution on the surface of the capsule with different amplitudes

續(xù)圖6

如圖6所示的復(fù)合材料艙體上產(chǎn)生的電流主要集中分布于艙體的金屬框架，其中，雷擊注入點(diǎn)以及擊出點(diǎn)處框架上的電流密度最大，其它位置次之，復(fù)合材料艙體表面電流密度比較小，且不同雷電流幅值下，復(fù)合材料艙體表面電流分布規(guī)律一致，由此說(shuō)明，表面電流密度分布與電流幅值大小無(wú)關(guān)。

2.3.2 艙體內(nèi)部瞬態(tài)磁場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)不同雷電流幅值下的艙體雷電電磁環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了相應(yīng)的仿真結(jié)果，圖7、圖8 分別為雷電流幅值2 kA、4 kA、6 kA時(shí)的截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖及監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果。

圖7 不同幅值截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.7 Electric field strength distribution contour of cross section with different amplitudes

圖8 不同幅值監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度波形Fig.8 Waveforms of magnetic field strength at different amplitude monitoring points

續(xù)圖8

通過(guò)對(duì)上述磁場(chǎng)強(qiáng)度分布結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，不同雷電流幅值下，艙體周圍電場(chǎng)分布差別不大，在金屬框架結(jié)構(gòu)曲率半徑較小處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，在雷擊環(huán)境下，艙體附近的電場(chǎng)可以看成是艙體表面電流產(chǎn)生的近場(chǎng)電磁環(huán)境，而近場(chǎng)的分布與艙體表面電荷的分布有著緊密的聯(lián)系。因此，艙體表面比較凸出的結(jié)構(gòu)處容易聚集大量的電荷，從而造成尖端附近的電場(chǎng)環(huán)境比較惡劣。

由圖7可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布與表面電流密度規(guī)律一致，距離雷電注入點(diǎn)和擊出點(diǎn)附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，其次，隨著傳輸距離的越來(lái)越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸衰減。通過(guò)仿真計(jì)算得到，雷電流幅值為2 kA 時(shí)，艙體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值接近175 A/m；雷電流幅值為4 kA 時(shí)，艙體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值將近346 A/m；雷電流幅值為6 kA 時(shí)，艙體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值將近521 A/m，不同雷電流幅值下艙體內(nèi)部空間磁場(chǎng)強(qiáng)度與雷電注入點(diǎn)的電流幅值呈現(xiàn)正相關(guān)。

2.3.3 艙體內(nèi)部電纜耦合情況分析

艙體遭遇雷擊時(shí)，雷電電磁場(chǎng)脈沖不僅會(huì)沖擊艙體，在艙體內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的電磁環(huán)境，與此同時(shí)，線纜也會(huì)耦合電磁能量，在內(nèi)部產(chǎn)生瞬態(tài)高電壓和大電流干擾甚至損壞與線纜相連的電子設(shè)備。圖9為在相同雷電流注入方式下，不同雷電流幅值1～6號(hào)線纜感應(yīng)電流分布曲線。

圖9 不同雷電流幅值1～6號(hào)線纜感應(yīng)電流分布曲線Fig.9 Distribution curve of induced current in cable No.1～6 with different lightning current amplitude

綜合圖9不同雷電流幅值下各典型位置線纜的感應(yīng)電流分布曲線，可以看出，雷電流的幅值越大，作用在線纜上的感應(yīng)電流越大，且呈線性增長(zhǎng)。處于艙體中心5號(hào)線纜感應(yīng)電流最小，電磁環(huán)境最好。這是由于對(duì)于復(fù)合材料艙，雷電流更多集中于艙體框架，由于電磁場(chǎng)的疊加效應(yīng)，艙內(nèi)的電磁場(chǎng)分布必然存在較大的不均勻性，處于中心處的電磁場(chǎng)由于電磁場(chǎng)的疊加，此處場(chǎng)強(qiáng)反而更小。

由于對(duì)艙體模型做了簡(jiǎn)化，將艙體表面結(jié)構(gòu)理想搭接，且表面無(wú)縫隙，僅有若干個(gè)直徑為2 mm的孔，仿真得到的線纜耦合電流比實(shí)際情況要小很多。這是由于實(shí)際情況中艙體的孔縫難以避免，對(duì)艙內(nèi)線纜影響將更加劇烈。因此，對(duì)于雷電間接效應(yīng)的防護(hù)，應(yīng)盡量避免艙體孔縫等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并對(duì)關(guān)鍵部位采取加入屏蔽隔板的措施增強(qiáng)電磁屏蔽效能。

3 艙體雷電直接效應(yīng)下的間接響應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程

當(dāng)艙體遭受雷擊時(shí)，瞬間流過(guò)艙體外殼的雷電流會(huì)形成交變感應(yīng)電磁場(chǎng)，并通過(guò)電磁場(chǎng)耦合作用在開口環(huán)路中感應(yīng)高電壓，進(jìn)而在閉合環(huán)路中產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。

直接雷擊引起的間接效應(yīng)試驗(yàn)主要考核殼體有雷電流流過(guò)的試驗(yàn)件，其目的是考核內(nèi)部感應(yīng)量值。直接雷擊引起的間接效應(yīng)試驗(yàn)（見圖10）注入電流采用傳導(dǎo)注入方式，將雷電流從艙體外部凸出或尖端表面注入，同時(shí)監(jiān)測(cè)艙體內(nèi)部裝置或端口的感應(yīng)電流/感應(yīng)電壓，同時(shí)檢查試驗(yàn)件的功能和狀態(tài)的考核方法，用絕緣支撐將試驗(yàn)件撐起，大電流測(cè)試系統(tǒng)輸出端連接艙體頂部尖端，大電流測(cè)試系統(tǒng)回線端連接艙體底部。

圖10 艙體直接雷擊引起的間接試驗(yàn)Fig.10 Indirect tests due to direct lightning strikes on the hull

根據(jù)一般艙室內(nèi)典型線纜放置位置，試驗(yàn)選用放置中心軸線位置、沿艙體頂部左側(cè)位置、沿艙體底部左側(cè)位置、沿艙體頂部到底部位置4 種典型布置方式，如表3所列。根據(jù)線纜的屏蔽狀態(tài)、長(zhǎng)短及芯線類型，可分為短單芯不帶屏蔽、短單芯帶屏蔽、短多芯帶屏蔽、長(zhǎng)單芯不帶屏蔽、長(zhǎng)單芯帶屏蔽、長(zhǎng)多芯帶屏蔽6 類，如表4 所列。注入電流幅值為2 kA、4 kA、6 kA，以此驗(yàn)證耦合量值的線性度。

表3 艙體內(nèi)部線纜位置與注入電流幅值Tab.3 Cable location and injected current amplitude inside the chamber

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

根據(jù)對(duì)同一參數(shù)的復(fù)合材料艙在雷擊電流下，艙內(nèi)外線纜感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，以及艙內(nèi)電磁場(chǎng)的分布，將線纜感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流的最大值以及探頭處電磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行匯總對(duì)比，可以得出線纜在同一個(gè)位置、同一個(gè)輸入幅值下測(cè)量結(jié)果一致性良好；表5所列為1 m長(zhǎng)線纜試驗(yàn)與仿真所獲得的感應(yīng)電壓與電流值，可以得出不同輸入幅值與感應(yīng)幅值呈線性，表6所列為艙內(nèi)中心試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比。

表5 直接雷擊引起的艙體內(nèi)部同軸線線纜耦合量值Tab.5 Value of coaxial cable coupling inside the compartment due to direct lightning strikes

表6 直接雷擊引起的艙體內(nèi)部電磁場(chǎng)分布量值Tab.6 Magnitude of electromagnetic field distribution inside the cabin caused by a direct lightning strike

由上述仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

a）對(duì)于金屬框架/復(fù)合材料表面的艙體，雷電流主要集中分布于艙體的金屬框架，艙體表面電流密度比較??；且不同雷電流幅值下，復(fù)合材料艙體表面電流分布規(guī)律一致，表面電流密度分布與電流幅值大小無(wú)關(guān)。

b）艙體各部位的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨雷電流幅值增大，近似呈線性增長(zhǎng)，艙體上各部位磁場(chǎng)強(qiáng)度與艙體表面電流分布情況一致，從線纜的感應(yīng)幅值看，線纜的敷設(shè)應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離艙壁。

c）雷擊時(shí)線纜上的感應(yīng)電流峰值隨雷電流幅值增大呈線性增大；復(fù)合材料艙在相同大小雷擊電流的情況下，艙體中心的線纜感應(yīng)電流小于其它處的線纜，艙體中心電磁環(huán)境最好。

d）雷擊時(shí)線纜上的感應(yīng)電流峰值隨雷電流幅值增大，呈線性增大；復(fù)合材料艙在相同大小雷擊電流的情況下，艙體中心的線纜感應(yīng)電流小于其它處的線纜，艙體中心電磁環(huán)境最好。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)艙體雷電間接效應(yīng)的測(cè)試有著非常重要的工程價(jià)值。應(yīng)用數(shù)值仿真軟件的關(guān)鍵在于建立合理的模型及設(shè)置正確的仿真參數(shù)，使得仿真過(guò)程能更真實(shí)地逼近實(shí)際情況。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，用基于傳輸線矩陣法的仿真軟件CST對(duì)典型艙體的雷電間接效應(yīng)進(jìn)行研究，采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，建立可信的工程模型。通過(guò)試驗(yàn)與仿真探索，推動(dòng)艙體防護(hù)技術(shù)和裝備質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)雷電試驗(yàn)在裝備領(lǐng)域的認(rèn)知與工程提升。