復材設備艙段雷電間接效應仿真與試驗評估

王甜甜，劉 凱，何相勇，杜鳴心，狄瑋嵐

（西安愛邦電磁技術有限責任公司，西安，710075）

0 引言

雷電是一種高電壓和大電流的自然放電現象，在地球的大氣層中，平均每天發生約800萬次。雷電造成的危害主要可以分為直接效應（物理效應）以及間接效應（電磁效應），其中直接效應可導致設備發生熔融、擊穿和變形等物理畸變，而間接效應則會使設備電性能失效或損壞，導致設備的極限損失。

目前中國已經開展了不少有關雷電間接效應對設備影響的研究［1-4］，趙濤寧等［5］通過開展試驗深入研究了雷電間接效應下雷電與飛行器相互作用的耦合機理。

復合材料因輕質、易加工以及良好的力學性能等特點，吸引越來越多的艙體結構設計選用復合材料代替金屬材料以滿足服役需求［6-8］，復合材料艙體在導彈武器系統中廣泛應用［9-10］，但復合材料用于艙體降低雷電相關防護的效果，特別是關于復合材料艙體直接雷擊下的內部響應及其線纜感應方面的研究卻是鮮見。本文采用仿真與試驗相結合的方法，研究直接雷擊對艙體內部電磁環境的影響，及其引起的內部線纜感應，這對于研究雷電作用對復合材料艙體的影響機理，優化艙體設計，改善雷電防護性能具有重要意義。

1 雷電對于艙體的作用模式

對于地面裝備的艙體來說，參照SAE ARP5416A《飛機雷電試驗方法》［11］，雷電先導附著的位置一般為艙室頂部或者頂部安裝凸出位置，因而在相關標準文件中未對雷電電壓附著試驗提出要求?？蓞⒄盏孛娼ㄖ锓览追绞竭x取典型附著點進行考核。附著點以外的艙體將作為雷電傳導的介質，艙段雷電附著與傳導如圖1所示。雷電流將按照低阻抗路徑主動選擇泄放途徑，進而可對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示意Fig.1 Schematic of lightning attachment and conduction in a compartment

注入的雷電流經過艙體可分為3 個路徑（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、外部車體等實際通路以及復合材料不導電引發的空氣擊穿閃絡等特殊通路。

b）殼體結構回路：指設備艙體/殼體自身作為電流通路。

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

對于內部電子集成回路而言，它的響應包含了3個部分：自身通路形成的電流及其電磁場；外部回路形成的電磁場，經過殼體結構屏蔽效應之后，感應在內部電子線路上形成的電流；殼體結構作為電流通路，其電流集膚效應、局部曲率、孔縫等效應形成的感應電流。

2 艙體雷電作用仿真

2.1 艙體建模

本文研究對象為某復材設備艙段的簡化模型，艙體結構如圖3所示。

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

該設備艙主體框架結構為鋁合金材料，艙體表面采用復合材料。艙體表面表面位置開5個孔，線纜設置如表1 所示，內部電磁場監測點如表2 所示，監測點位置如圖4所示，電纜終端阻抗設置為50 Ω。

表1 線纜設置Tab.1 Cable setup

表2 艙內線纜設置信息Tab.2 The information of cabin cable setup

圖4 監測點位置Fig.4 Position of monitoring points

2.2 艙體仿真設置

根據艙體的接入情況，設定從艙體一側中心位置進入雷電流，從另一側底端擊出。

雷電輸入是大電流脈沖信號，美國SAE學會公布的飛行器一系列雷電試驗波形成為國際公認的標準雷電波形，取SAE ERP5414A［12］電流分量A，峰值電流達到200 kA。其函數表達式為

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

模擬真實情況，將邊界條件設為開放邊界。A分量波形信號如圖5所示。

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

2.3 艙體仿真結果及分析

2.3.1 艙體的表面電流分布

圖6 是相同雷電流路徑時，不同雷電流幅值下，在6.4 μs 時刻艙體表面電流密度分布情況。當雷電流幅值分別為2 kA、4 kA、6 kA時，復合材料艙體表面電流密度分布規律相似。

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

續圖6

如圖6所示的復合材料艙體上產生的電流主要集中分布于艙體的金屬框架，其中，雷擊注入點以及擊出點處框架上的電流密度最大，其它位置次之，復合材料艙體表面電流密度比較小，且不同雷電流幅值下，復合材料艙體表面電流分布規律一致，由此說明，表面電流密度分布與電流幅值大小無關。

2.3.2 艙體內部瞬態磁場分布

通過對不同雷電流幅值下的艙體雷電電磁環境進行仿真計算，得到了相應的仿真結果，圖7、圖8 分別為雷電流幅值2 kA、4 kA、6 kA時的截面電場強度分布云圖及監測點磁場強度仿真結果。

圖7 不同幅值截面電場強度分布Fig.7 Electric field strength distribution contour of cross section with different amplitudes

圖8 不同幅值監測點磁場強度波形Fig.8 Waveforms of magnetic field strength at different amplitude monitoring points

續圖8

通過對上述磁場強度分布結果進行對比分析，可以看出，不同雷電流幅值下，艙體周圍電場分布差別不大，在金屬框架結構曲率半徑較小處電場強度較大，在雷擊環境下，艙體附近的電場可以看成是艙體表面電流產生的近場電磁環境，而近場的分布與艙體表面電荷的分布有著緊密的聯系。因此，艙體表面比較凸出的結構處容易聚集大量的電荷，從而造成尖端附近的電場環境比較惡劣。

由圖7可知，磁場強度的分布與表面電流密度規律一致，距離雷電注入點和擊出點附近的磁場強度最大，其次，隨著傳輸距離的越來越遠，磁場強度逐漸衰減。通過仿真計算得到，雷電流幅值為2 kA 時，艙體內磁場強度最大值接近175 A/m；雷電流幅值為4 kA 時，艙體內磁場強度最大值將近346 A/m；雷電流幅值為6 kA 時，艙體內磁場強度最大值將近521 A/m，不同雷電流幅值下艙體內部空間磁場強度與雷電注入點的電流幅值呈現正相關。

2.3.3 艙體內部電纜耦合情況分析

艙體遭遇雷擊時，雷電電磁場脈沖不僅會沖擊艙體，在艙體內部產生復雜的電磁環境，與此同時，線纜也會耦合電磁能量，在內部產生瞬態高電壓和大電流干擾甚至損壞與線纜相連的電子設備。圖9為在相同雷電流注入方式下，不同雷電流幅值1～6號線纜感應電流分布曲線。

圖9 不同雷電流幅值1～6號線纜感應電流分布曲線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電流越大，且呈線性增長。處于艙體中心5號線纜感應電流最小，電磁環境最好。這是由于對于復合材料艙，雷電流更多集中于艙體框架，由于電磁場的疊加效應，艙內的電磁場分布必然存在較大的不均勻性，處于中心處的電磁場由于電磁場的疊加，此處場強反而更小。

由于對艙體模型做了簡化，將艙體表面結構理想搭接，且表面無縫隙，僅有若干個直徑為2 mm的孔，仿真得到的線纜耦合電流比實際情況要小很多。這是由于實際情況中艙體的孔縫難以避免，對艙內線纜影響將更加劇烈。因此，對于雷電間接效應的防護，應盡量避免艙體孔縫等結構出現，并對關鍵部位采取加入屏蔽隔板的措施增強電磁屏蔽效能。

3 艙體雷電直接效應下的間接響應試驗過程

當艙體遭受雷擊時，瞬間流過艙體外殼的雷電流會形成交變感應電磁場，并通過電磁場耦合作用在開口環路中感應高電壓，進而在閉合環路中產生較大的感應電流。

直接雷擊引起的間接效應試驗主要考核殼體有雷電流流過的試驗件，其目的是考核內部感應量值。直接雷擊引起的間接效應試驗（見圖10）注入電流采用傳導注入方式，將雷電流從艙體外部凸出或尖端表面注入，同時監測艙體內部裝置或端口的感應電流/感應電壓，同時檢查試驗件的功能和狀態的考核方法，用絕緣支撐將試驗件撐起，大電流測試系統輸出端連接艙體頂部尖端，大電流測試系統回線端連接艙體底部。

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

根據一般艙室內典型線纜放置位置，試驗選用放置中心軸線位置、沿艙體頂部左側位置、沿艙體底部左側位置、沿艙體頂部到底部位置4 種典型布置方式，如表3所列。根據線纜的屏蔽狀態、長短及芯線類型，可分為短單芯不帶屏蔽、短單芯帶屏蔽、短多芯帶屏蔽、長單芯不帶屏蔽、長單芯帶屏蔽、長多芯帶屏蔽6 類，如表4 所列。注入電流幅值為2 kA、4 kA、6 kA，以此驗證耦合量值的線性度。

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

4 試驗與仿真結果分析

根據對同一參數的復合材料艙在雷擊電流下，艙內外線纜感應電壓和感應電流，以及艙內電磁場的分布，將線纜感應電壓和感應電流的最大值以及探頭處電磁場強度進行匯總對比，可以得出線纜在同一個位置、同一個輸入幅值下測量結果一致性良好；表5所列為1 m長線纜試驗與仿真所獲得的感應電壓與電流值，可以得出不同輸入幅值與感應幅值呈線性，表6所列為艙內中心試驗與仿真結果對比。

表5 直接雷擊引起的艙體內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部電磁場分布量值Tab.6 Magnitude of electromagnetic field distribution inside the cabin caused by a direct lightning strike

由上述仿真和試驗數據可知：

a）對于金屬框架/復合材料表面的艙體，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，復合材料艙體表面電流分布規律一致，表面電流密度分布與電流幅值大小無關。

b）艙體各部位的磁場強度隨雷電流幅值增大，近似呈線性增長，艙體上各部位磁場強度與艙體表面電流分布情況一致，從線纜的感應幅值看，線纜的敷設應當盡可能遠離艙壁。

c）雷擊時線纜上的感應電流峰值隨雷電流幅值增大呈線性增大；復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電流小于其它處的線纜，艙體中心電磁環境最好。

d）雷擊時線纜上的感應電流峰值隨雷電流幅值增大，呈線性增大；復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電流小于其它處的線纜，艙體中心電磁環境最好。

5 結束語

數值仿真技術對艙體雷電間接效應的測試有著非常重要的工程價值。應用數值仿真軟件的關鍵在于建立合理的模型及設置正確的仿真參數，使得仿真過程能更真實地逼近實際情況。依據相關規定，用基于傳輸線矩陣法的仿真軟件CST對典型艙體的雷電間接效應進行研究，采用試驗與仿真相結合的方法，建立可信的工程模型。通過試驗與仿真探索，推動艙體防護技術和裝備質量發展，進而推動雷電試驗在裝備領域的認知與工程提升。