飞行器雷电附着仿真研究

沈威+白焱

摘要：飞机的雷电直接效应对飞行安全构成危害，在飞机设计时必须要充分考虑到这些危害。以某航空器为研究对象，对雷云起电、发展机理、飞行中航空器的带电机理以及雷电先导初始附着机制等进行研究，建立飞机的等比3D模型， 再借助CST EM工作室对飞机进行雷击仿真，初步分析雷击时纯金属飞机机身表面电流分布，进一步理论划分航空器雷电附着区域。可为飞机雷电防护设计以及试验提供参考依据。

关键词：雷电直接效应；危害机理；CST仿真；雷电防护

飞机在飞行过程中遭受雷击事件，在国内外时有发生。雷击经常会给飞机造成严重的损失，尤为严重的是雷击会击穿飞机的油箱从而引起飞机的爆炸。飞机在遭受雷击之后，雷电会产生强大的电流，形成电磁场、光辐射、冲击波和电弧，这些现象都严重威胁着飞机的安全。

本文利用CST电磁仿真软件的EM工作室对某飞行器模型进行雷电附着点仿真研究，并讨论了飞行器飞行姿态对飞行器雷电分区的影响。

1 雷电的损伤机理

雷电对飞机的危害可分为物理效应和电磁效应。物理效应指的是在雷击前阶段，飞机周围高电场的引发是来自飞机尖端部位的电子流，如果电子流经过含有易燃油气混合物存在的燃油口，就有可能发生点燃现象，如果火苗窜入油箱，就可能会导致猛烈的燃油爆炸。雷电对燃油系统的危害最大。仅0.2毫焦耳能量的电火花，便足以点燃一定浓度比例的燃油蒸汽从而引起爆炸。在雷电的高峰值电流阶段，会在几微秒内传送大量能量，将导致物质材料汽化，并会造成结构性破坏。雷电电流流经飞机时，会在搭接不良的结构交接部位出现打火现象。附着到整体油箱外壳上的雷电也会在油箱上烧出孔洞，或者使表面发热以致点燃存在的易燃气体。在雷击的恒定电流阶段，会给飞机结构带来严重的燃烧和腐蚀性破坏。如果在雷电电弧存在的整个时间内，雷电通道停止于飞机的某一点上，会在飞机的蒙皮上形成直径几厘米的孔洞。

电磁效应指的是由电流或者电压使机载设备遭受破坏或失常，即使这些电流或电压可能是由于雷电电弧直接附着到一个外部的电气装置上引起的。如果雷电将其防护玻璃损坏或烧穿其金属罩并接触到灯泡的灯丝，则电流将进入导线，从灯泡流至电源汇流条。这种瞬时电流将导线烧毁或汽化，或者击穿绝缘物，会破坏其他电气设备。即使雷电不直接接触导线，也会在飞机的周围建立起变化的电磁场，电磁场能够透过金属蒙皮，或者直接穿透诸如接缝、孔洞或其它非金属部位。由于場随时间变化，因此会在飞机内部的电路中感应出瞬时电压和电流。当雷电电流流经飞机构架上的高阻抗部位时，也会产生比较大的电压和电流。

2 雷击附着点试验设计

2.1仿真模型的建立

雷电附着点仿真模型示意图如图所示，采用高压电极模拟雷电通道的先导，其上加载3000kV的电压，飞行器模型放置其中，并根据不同姿态调整模型位置，为的是研究不同的飞行姿态时雷电的附着点情况。飞行器飞越雷击区域时，机身结构会改变周围的电场分布。飞行器表面某些区域电场强度加强，并伴随着放电现象的发生，则该区域即为雷电初始附着区域。雷电初始附着区域将由雷电先导靠近至目标一定距离后决定，此时，雷电先导电荷产生的电场贡献较大，先导头部电流产生的辐射场相对较小，可以采用静电场效应模拟飞行器触发雷击前的瞬态过程。由于自然雷电放电中阶跃先导的速度约为800km/m，而飞机的飞行速度约为0.8km/m，因此，速度的影响可以忽略。

CST仿真中网格的设置决定了仿真的质量与速度。文章选择自适应网格加密，程序会进行网格加密迭代，并通过内置的专家系统，自动判断最什的网格疏密，达到设定的精度后终止计算，从而得到速度和精度的统一。考虑实际情况，背景材料设为Normal（空气/真空），并在模型各个方向扩充一定的距离。边界条件设为电边界，即等效于理想导体，电场垂直于边界表面，磁场平行于边界表面。

2.2试验中飞行器雷击方位模拟

综合该飞行器的实际飞行情况和雷电发生的空间方位不确定性和随机性，试验中确定模型的姿态为平飞、上仰30°、俯冲30°，横滚30°四种。

3 仿真结果及分析

分别对四种飞行状态下的飞行器进行仿真求解，为了能更好的对比观察航空器的表面电场，把飞行器统一调整到相同的飞行姿态。

试验中，整个求解区域采用四面体网格进行剖分。其中飞行器模型、棒电极采用精细网格、空气区域采用粗网格，这样即可确保飞行器表面电场强度计算数据的准确性，还可以提高求解效率。采用的电极为棒电极，其上加载3000kV的电压，飞行器模型放置其中，并根据不同姿态调整模型位置。棒电极与模型最小距离应代表50m的打击距离按模型的缩比系数进行缩比。同时，模型上任何位置到地面的距离要大于模型的最大尺寸。飞行器飞越雷击区域时，机身结构会改变其周围的电场分布，飞行器表面某些区域电场强度加强。

根据仿真结果，飞行器的初始雷击附着点分布于各处突起部位，分别为：机头、翼尖、水平尾翼尖端、机翼上安装的吊舱以及其他明显的突出物。这为该飞行器的雷电分区提供了有力的参考依据，也为飞行器的防护设计提供了有利的参考依据。

4 结论

应用数值仿真软件的关键在于如何建立合理的模型及如何设置正确的仿真参数，使得仿真环境能更真实地反映实际情况。本文依据SAEARP5412和ARP5416等标准的相关规定，用仿真软件CST对飞机雷电间接效应进行研究，重点分析了在特定雷击路径下，飞机表面电流分布情况，仿真结果基本符合相关理论成果由此可见，该力法可以对飞机雷电间接效应测试进行有效地模拟，为飞机雷电防护设计提供实验力法和设计依据，具有重要的工程意义。

参考文献：

[1]温浩，侯新宇，王宏.飞机模型雷击附着点试验研究[J].高电压技术，2006；32（7）：90-92

[2]王天顺.飞机雷电防护[J].飞行设计，2001（4）：48-52.

[3]温浩，王宏.飞机模型雷击试验分析研究[J].高压电器，2011，04：104-107.

[4]滕向如，刘光斌，余志勇，赵玉龙，庄信武.航空器雷电附着区划分研究[J].微波学报，2014，04：14-19.

[5]郭勇.飞行器雷电直接、间接效应试验研究[D].电子科技大学，2007.

[6]王天顺，雷虹，李锋等.飞机雷电防护设计与鉴定试验[J].飞机设计，2009，29（5）：6-11

[7]仇国平.飞机雷电防护[J].环境技术，1985（2）：73-75.

[8]熊秀，骆立峰.飞机雷电直接效应综述[J].飞机设计，2011，（4）：65-67.

[9]Stahmann J R. Triggered natural lightning near an F-00 aircraft[A].Proceedings of Lightning and Static Electricity Conference [C] . Miami USA，1968. 123-134

[10] United States Department of Defense. SESAE-ARP5146 Aircraft lightning test methods[S]，2005endprint