复材设备舱段雷电间接效应仿真与试验评估

王甜甜，刘 凯，何相勇，杜鸣心，狄玮岚

（西安爱邦电磁技术有限责任公司，西安，710075）

0 引言

雷电是一种高电压和大电流的自然放电现象，在地球的大气层中，平均每天发生约800万次。雷电造成的危害主要可以分为直接效应（物理效应）以及间接效应（电磁效应），其中直接效应可导致设备发生熔融、击穿和变形等物理畸变，而间接效应则会使设备电性能失效或损坏，导致设备的极限损失。

目前中国已经开展了不少有关雷电间接效应对设备影响的研究［1-4］，赵涛宁等［5］通过开展试验深入研究了雷电间接效应下雷电与飞行器相互作用的耦合机理。

复合材料因轻质、易加工以及良好的力学性能等特点，吸引越来越多的舱体结构设计选用复合材料代替金属材料以满足服役需求［6-8］，复合材料舱体在导弹武器系统中广泛应用［9-10］，但复合材料用于舱体降低雷电相关防护的效果，特别是关于复合材料舱体直接雷击下的内部响应及其线缆感应方面的研究却是鲜见。本文采用仿真与试验相结合的方法，研究直接雷击对舱体内部电磁环境的影响，及其引起的内部线缆感应，这对于研究雷电作用对复合材料舱体的影响机理，优化舱体设计，改善雷电防护性能具有重要意义。

1 雷电对于舱体的作用模式

对于地面装备的舱体来说，参照SAE ARP5416A《飞机雷电试验方法》［11］，雷电先导附着的位置一般为舱室顶部或者顶部安装凸出位置，因而在相关标准文件中未对雷电电压附着试验提出要求。可参照地面建筑物防雷方式选取典型附着点进行考核。附着点以外的舱体将作为雷电传导的介质，舱段雷电附着与传导如图1所示。雷电流将按照低阻抗路径主动选择泄放途径，进而可对舱体壁板造成局部熔穿、烧蚀、接头和部件损伤等影响。

图1 舱段雷电附着与传导示意Fig.1 Schematic of lightning attachment and conduction in a compartment

注入的雷电流经过舱体可分为3 个路径（见图2）：

图2 舱段雷电电流回路分析示意Fig.2 Schematic of lightning current loop analysis of the cabin section

a）外部回路：指包括外部舱体/壳体、外部线缆、外部车体等实际通路以及复合材料不导电引发的空气击穿闪络等特殊通路。

b）壳体结构回路：指设备舱体/壳体自身作为电流通路。

c）内部电子集总回路：指由注入端开始的内部所有电子线路（包括一部分支撑结构、底座等非电结构）形成的回路。

对于内部电子集成回路而言，它的响应包含了3个部分：自身通路形成的电流及其电磁场；外部回路形成的电磁场，经过壳体结构屏蔽效应之后，感应在内部电子线路上形成的电流；壳体结构作为电流通路，其电流集肤效应、局部曲率、孔缝等效应形成的感应电流。

2 舱体雷电作用仿真

2.1 舱体建模

本文研究对象为某复材设备舱段的简化模型，舱体结构如图3所示。

图3 舱体模型及线缆布局Fig.3 Layout of cabin model and cable layout

该设备舱主体框架结构为铝合金材料，舱体表面采用复合材料。舱体表面表面位置开5个孔，线缆设置如表1 所示，内部电磁场监测点如表2 所示，监测点位置如图4所示，电缆终端阻抗设置为50 Ω。

表1 线缆设置Tab.1 Cable setup

表2 舱内线缆设置信息Tab.2 The information of cabin cable setup

图4 监测点位置Fig.4 Position of monitoring points

2.2 舱体仿真设置

根据舱体的接入情况，设定从舱体一侧中心位置进入雷电流，从另一侧底端击出。

雷电输入是大电流脉冲信号，美国SAE学会公布的飞行器一系列雷电试验波形成为国际公认的标准雷电波形，取SAE ERP5414A［12］电流分量A，峰值电流达到200 kA。其函数表达式为

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

模拟真实情况，将边界条件设为开放边界。A分量波形信号如图5所示。

图5 A分量波形信号Fig.5 Waveform signal of component A

2.3 舱体仿真结果及分析

2.3.1 舱体的表面电流分布

图6 是相同雷电流路径时，不同雷电流幅值下，在6.4 μs 时刻舱体表面电流密度分布情况。当雷电流幅值分别为2 kA、4 kA、6 kA时，复合材料舱体表面电流密度分布规律相似。

图6 不同幅值舱体表面电流密度分布Fig.6 Current density distribution on the surface of the capsule with different amplitudes

续图6

如图6所示的复合材料舱体上产生的电流主要集中分布于舱体的金属框架，其中，雷击注入点以及击出点处框架上的电流密度最大，其它位置次之，复合材料舱体表面电流密度比较小，且不同雷电流幅值下，复合材料舱体表面电流分布规律一致，由此说明，表面电流密度分布与电流幅值大小无关。

2.3.2 舱体内部瞬态磁场分布

通过对不同雷电流幅值下的舱体雷电电磁环境进行仿真计算，得到了相应的仿真结果，图7、图8 分别为雷电流幅值2 kA、4 kA、6 kA时的截面电场强度分布云图及监测点磁场强度仿真结果。

图7 不同幅值截面电场强度分布Fig.7 Electric field strength distribution contour of cross section with different amplitudes

图8 不同幅值监测点磁场强度波形Fig.8 Waveforms of magnetic field strength at different amplitude monitoring points

续图8

通过对上述磁场强度分布结果进行对比分析，可以看出，不同雷电流幅值下，舱体周围电场分布差别不大，在金属框架结构曲率半径较小处电场强度较大，在雷击环境下，舱体附近的电场可以看成是舱体表面电流产生的近场电磁环境，而近场的分布与舱体表面电荷的分布有着紧密的联系。因此，舱体表面比较凸出的结构处容易聚集大量的电荷，从而造成尖端附近的电场环境比较恶劣。

由图7可知，磁场强度的分布与表面电流密度规律一致，距离雷电注入点和击出点附近的磁场强度最大，其次，随着传输距离的越来越远，磁场强度逐渐衰减。通过仿真计算得到，雷电流幅值为2 kA 时，舱体内磁场强度最大值接近175 A/m；雷电流幅值为4 kA 时，舱体内磁场强度最大值将近346 A/m；雷电流幅值为6 kA 时，舱体内磁场强度最大值将近521 A/m，不同雷电流幅值下舱体内部空间磁场强度与雷电注入点的电流幅值呈现正相关。

2.3.3 舱体内部电缆耦合情况分析

舱体遭遇雷击时，雷电电磁场脉冲不仅会冲击舱体，在舱体内部产生复杂的电磁环境，与此同时，线缆也会耦合电磁能量，在内部产生瞬态高电压和大电流干扰甚至损坏与线缆相连的电子设备。图9为在相同雷电流注入方式下，不同雷电流幅值1～6号线缆感应电流分布曲线。

图9 不同雷电流幅值1～6号线缆感应电流分布曲线Fig.9 Distribution curve of induced current in cable No.1～6 with different lightning current amplitude

综合图9不同雷电流幅值下各典型位置线缆的感应电流分布曲线，可以看出，雷电流的幅值越大，作用在线缆上的感应电流越大，且呈线性增长。处于舱体中心5号线缆感应电流最小，电磁环境最好。这是由于对于复合材料舱，雷电流更多集中于舱体框架，由于电磁场的叠加效应，舱内的电磁场分布必然存在较大的不均匀性，处于中心处的电磁场由于电磁场的叠加，此处场强反而更小。

由于对舱体模型做了简化，将舱体表面结构理想搭接，且表面无缝隙，仅有若干个直径为2 mm的孔，仿真得到的线缆耦合电流比实际情况要小很多。这是由于实际情况中舱体的孔缝难以避免，对舱内线缆影响将更加剧烈。因此，对于雷电间接效应的防护，应尽量避免舱体孔缝等结构出现，并对关键部位采取加入屏蔽隔板的措施增强电磁屏蔽效能。

3 舱体雷电直接效应下的间接响应试验过程

当舱体遭受雷击时，瞬间流过舱体外壳的雷电流会形成交变感应电磁场，并通过电磁场耦合作用在开口环路中感应高电压，进而在闭合环路中产生较大的感应电流。

直接雷击引起的间接效应试验主要考核壳体有雷电流流过的试验件，其目的是考核内部感应量值。直接雷击引起的间接效应试验（见图10）注入电流采用传导注入方式，将雷电流从舱体外部凸出或尖端表面注入，同时监测舱体内部装置或端口的感应电流/感应电压，同时检查试验件的功能和状态的考核方法，用绝缘支撑将试验件撑起，大电流测试系统输出端连接舱体顶部尖端，大电流测试系统回线端连接舱体底部。

图10 舱体直接雷击引起的间接试验Fig.10 Indirect tests due to direct lightning strikes on the hull

根据一般舱室内典型线缆放置位置，试验选用放置中心轴线位置、沿舱体顶部左侧位置、沿舱体底部左侧位置、沿舱体顶部到底部位置4 种典型布置方式，如表3所列。根据线缆的屏蔽状态、长短及芯线类型，可分为短单芯不带屏蔽、短单芯带屏蔽、短多芯带屏蔽、长单芯不带屏蔽、长单芯带屏蔽、长多芯带屏蔽6 类，如表4 所列。注入电流幅值为2 kA、4 kA、6 kA，以此验证耦合量值的线性度。

表3 舱体内部线缆位置与注入电流幅值Tab.3 Cable location and injected current amplitude inside the chamber

4 试验与仿真结果分析

根据对同一参数的复合材料舱在雷击电流下，舱内外线缆感应电压和感应电流，以及舱内电磁场的分布，将线缆感应电压和感应电流的最大值以及探头处电磁场强度进行汇总对比，可以得出线缆在同一个位置、同一个输入幅值下测量结果一致性良好；表5所列为1 m长线缆试验与仿真所获得的感应电压与电流值，可以得出不同输入幅值与感应幅值呈线性，表6所列为舱内中心试验与仿真结果对比。

表5 直接雷击引起的舱体内部同轴线线缆耦合量值Tab.5 Value of coaxial cable coupling inside the compartment due to direct lightning strikes

表6 直接雷击引起的舱体内部电磁场分布量值Tab.6 Magnitude of electromagnetic field distribution inside the cabin caused by a direct lightning strike

由上述仿真和试验数据可知：

a）对于金属框架/复合材料表面的舱体，雷电流主要集中分布于舱体的金属框架，舱体表面电流密度比较小；且不同雷电流幅值下，复合材料舱体表面电流分布规律一致，表面电流密度分布与电流幅值大小无关。

b）舱体各部位的磁场强度随雷电流幅值增大，近似呈线性增长，舱体上各部位磁场强度与舱体表面电流分布情况一致，从线缆的感应幅值看，线缆的敷设应当尽可能远离舱壁。

c）雷击时线缆上的感应电流峰值随雷电流幅值增大呈线性增大；复合材料舱在相同大小雷击电流的情况下，舱体中心的线缆感应电流小于其它处的线缆，舱体中心电磁环境最好。

d）雷击时线缆上的感应电流峰值随雷电流幅值增大，呈线性增大；复合材料舱在相同大小雷击电流的情况下，舱体中心的线缆感应电流小于其它处的线缆，舱体中心电磁环境最好。

5 结束语

数值仿真技术对舱体雷电间接效应的测试有着非常重要的工程价值。应用数值仿真软件的关键在于建立合理的模型及设置正确的仿真参数，使得仿真过程能更真实地逼近实际情况。依据相关规定，用基于传输线矩阵法的仿真软件CST对典型舱体的雷电间接效应进行研究，采用试验与仿真相结合的方法，建立可信的工程模型。通过试验与仿真探索，推动舱体防护技术和装备质量发展，进而推动雷电试验在装备领域的认知与工程提升。