飛機(jī)線路雷電感應(yīng)仿真分析

黃軍玲

（西南交通大學(xué)，四川 成都 610000）

0 引言

雷電對(duì)飛機(jī)的危害分直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，直接效應(yīng)可導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生熔融、擊穿和結(jié)構(gòu)變形等物理畸變，而間接效應(yīng)則會(huì)使飛機(jī)電性能失效或損壞，導(dǎo)致飛機(jī)的極限損失。

民用飛機(jī)為取得適航證必須開(kāi)展整機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)試驗(yàn)，但是開(kāi)展整機(jī)試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力，且易受干擾，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不夠精確。[1]近幾年隨著電磁計(jì)算方法與電磁仿真軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷提高，3D電磁仿真軟件在對(duì)整機(jī)和設(shè)備進(jìn)行電磁精確計(jì)算方面發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。在國(guó)外，有學(xué)者利用各種數(shù)值算法對(duì)雷電間接效應(yīng)進(jìn)行仿真分析。國(guó)內(nèi)對(duì)飛機(jī)雷擊間接效應(yīng)的研究主要集中在飛機(jī)雷擊附著點(diǎn)及雷擊附著區(qū)域的劃分上。[2]因此，開(kāi)展飛機(jī)線路雷電感應(yīng)仿真分析研究非常有必要。

文章采用CST MS工作室的TLM（傳輸線矩陣法）求解器對(duì)西門(mén)諾爾PA44型飛機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。根據(jù)ARP5416A飛機(jī)雷擊測(cè)試方法的要求，采用A分量來(lái)模擬雷擊環(huán)境。建立飛機(jī)的3D模型，在模型中設(shè)置兩個(gè)機(jī)箱、一根普通單線以及一根同軸線，設(shè)置飛機(jī)特定孔縫，分析特定雷擊路徑擊中飛機(jī)時(shí)機(jī)身表面電流分布以及通過(guò)孔縫耦合后內(nèi)部電纜的耦合情況。

1 西門(mén)諾爾PA44型飛機(jī)建模

1.1 飛機(jī)建模及參數(shù)設(shè)置

飛機(jī)模型長(zhǎng)8.41米，翼展11.75米，高2.59米，因暫不考慮飛機(jī)窗戶上的屏蔽金屬網(wǎng)，機(jī)艙內(nèi)的甲板以及甲板上的座椅等這些結(jié)構(gòu)對(duì)電磁兼容的影響，故建模時(shí)將這些內(nèi)容省略掉，模型如圖1所示。

若要將飛機(jī)上許多細(xì)小的縫隙全部構(gòu)建出來(lái)，工程量太龐大，因此，建模時(shí)利用軟件“精簡(jiǎn)化模型”模塊對(duì)模型中的部件進(jìn)行“精簡(jiǎn)置換”，大大提高了仿真速度和精度。故在其縫隙置換設(shè)置中，在飛機(jī)的門(mén)與機(jī)身處設(shè)置寬0.006m，深0.002m的縫隙。另外，飛機(jī)窗戶需要進(jìn)行屏蔽金屬網(wǎng)的設(shè)置，以免雷擊信號(hào)直接進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部，造成仿真失敗。模型設(shè)置中使用100格/英寸的金屬網(wǎng)，其方格寬度為0.205mm，孔的深度為0.001mm。如圖1所示。

圖1 飛機(jī)模型

1.2 飛機(jī)機(jī)箱和線路的添加

建模過(guò)程中，為模擬飛機(jī)遭受雷擊時(shí)內(nèi)部線路所受到的影響，在飛機(jī)機(jī)頭合適部位及機(jī)身后部各設(shè)置一個(gè)0.8m×0.4m×0.3m的金屬機(jī)箱，并設(shè)置一根單線和一根同軸電纜連接兩個(gè)機(jī)箱。

1.3 仿真設(shè)置

1.3.1 激勵(lì)源設(shè)置

飛機(jī)閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)可采用大電流脈沖注入方法，將電流分量直接注入雷電附著點(diǎn)。為模擬脈沖電流注入試驗(yàn)條件，仿真中通過(guò)兩段從飛機(jī)附著點(diǎn)和分離點(diǎn)延伸出來(lái)的理想導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真中雷電流注入方式有多條路徑可供選擇，文章將雷擊路徑設(shè)置為從飛機(jī)機(jī)頭進(jìn)入，從飛機(jī)機(jī)尾擊出，如圖1所示。

SAEARP5412和ARP5416標(biāo)準(zhǔn)給出的機(jī)載電子電氣系統(tǒng)閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)波形主要以電流分量A為主，低空飛行的飛機(jī)會(huì)受到此類(lèi)波形的影響，[3]下面以電流波形A為例進(jìn)行分析，其表達(dá)式為I（t）=I0，波形如圖 2 所示。

圖2 雷擊的電流信號(hào)

1.3.2 網(wǎng)格及邊界設(shè)置

CST仿真中網(wǎng)格的設(shè)置決定了仿真的質(zhì)量與速度。文章選擇自適應(yīng)網(wǎng)格加密，程序會(huì)進(jìn)行網(wǎng)格加密迭代，并通過(guò)內(nèi)置的專(zhuān)家系統(tǒng)，自動(dòng)判斷最佳的網(wǎng)格疏密，達(dá)到設(shè)定的精度后終止計(jì)算，從而得到速度和精度的統(tǒng)一。文章主要研究飛機(jī)在空中遭受雷擊時(shí)的情形，選擇吸收?qǐng)鲎鳛檫吔?，即飛機(jī)仿真的輻射等不會(huì)經(jīng)過(guò)邊界的其他作用后再次對(duì)飛機(jī)仿真產(chǎn)生干擾，則將維度設(shè)置為擴(kuò)展30%。

1.3.3 探針設(shè)置

如圖1所示，在飛機(jī)的表面和內(nèi)部遍布探針，主要用于對(duì)飛機(jī)各點(diǎn)的狀態(tài)的監(jiān)控。每個(gè)探針均有電場(chǎng)和磁場(chǎng)在三個(gè)方向的分量，它們可以探測(cè)飛機(jī)在時(shí)域或頻域求解所得的電流、電壓量。

1.4 啟動(dòng)仿真

仿真啟用CST MS時(shí)域全波電磁仿真，采用傳輸線矩陣算法（TLM算法）。啟動(dòng)算法時(shí)，該軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)仿真內(nèi)容進(jìn)行離散化處理，以此來(lái)減少仿真的時(shí)間。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 飛機(jī)金屬蒙皮屏蔽效果

雷電擊中飛機(jī)后會(huì)在飛機(jī)表面形成強(qiáng)大的震蕩電流，同時(shí)也會(huì)在飛機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場(chǎng)，西門(mén)諾爾PA44型飛機(jī)蒙皮采用鋁合金，它有著很好的屏蔽效果。如圖3所示為飛機(jī)蒙皮與機(jī)箱感應(yīng)電場(chǎng)的頻域圖，由圖可以看出，機(jī)箱上感應(yīng)電場(chǎng)相對(duì)于飛機(jī)表面蒙皮感應(yīng)電場(chǎng)大約有70dB的衰減。

圖3 飛機(jī)蒙皮與機(jī)箱的感應(yīng)電場(chǎng)

如圖 4 所示為雷擊過(guò)程中 75ns、225ns、750ns、1.5μs四個(gè)時(shí)刻的飛機(jī)表面電流分布圖。從圖中可以看出，在雷擊作用下，飛機(jī)機(jī)翼前后緣、水平尾翼、垂直尾翼和發(fā)動(dòng)機(jī)上會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電場(chǎng)，這些地方就有可能成為雷擊附著點(diǎn)。

2.3 單線與同軸線的感應(yīng)電流

遭受雷擊后，會(huì)在飛機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，飛機(jī)的各個(gè)線路上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。單線與同軸線對(duì)于這些感應(yīng)場(chǎng)會(huì)有不同的表現(xiàn)，由于單線沒(méi)有外屏蔽層，所以其對(duì)于導(dǎo)線外的電場(chǎng)感應(yīng)非常敏感，會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流。而對(duì)于同軸線而言，因其內(nèi)部導(dǎo)體外有一層屏蔽網(wǎng)，能夠很好地屏蔽掉外部電場(chǎng)，所以同軸線內(nèi)部導(dǎo)體受外部電場(chǎng)影響較小。如圖5所示，在雷擊作用下單線的瞬態(tài)沖擊電流最高可達(dá)200μA，同軸線上的瞬間沖擊電流最高只有約0.5μA。

單線與同軸線的感應(yīng)電流頻譜對(duì)比如圖6所示，在0~30MHz的頻段上，單線上的感應(yīng)電流要比同軸線上的高出60dB，由此可見(jiàn)相對(duì)

圖4 飛機(jī)四個(gè)時(shí)刻的表面電流分布

圖5單線與同軸線上的感應(yīng)電流對(duì)比

2.2 飛機(jī)表面電流分布

單線而言，同軸線具有非常好的屏蔽性能。因此，單線在飛機(jī)上主要用于遠(yuǎn)離雷電流通道區(qū)域及雷擊不敏感設(shè)備的連接和電流傳輸，例如，照明設(shè)備電路。同軸線一般只用于飛機(jī)上重要敏感設(shè)備的信號(hào)傳輸，如導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖6 單線與同軸線的感應(yīng)電流頻譜對(duì)比

3 結(jié)論

數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)飛機(jī)閃電間接效應(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)鍵在于如何建立合理的模型及如何設(shè)置正確的仿真參數(shù)，使得仿真環(huán)境能更真實(shí)地反映實(shí)際情況。本文依據(jù)SAEARP5412和ARP5416等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，用基于傳輸線矩陣法的仿真軟件CST對(duì)西門(mén)諾爾PA44型飛機(jī)閃電間接效應(yīng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析了在特定雷擊路徑下，飛機(jī)表面電流分布情況以及內(nèi)部特定線路的耦合情況，仿真結(jié)果基本符合相關(guān)理論成果。由此可見(jiàn)，該方法可以對(duì)飛機(jī)閃電間接效應(yīng)測(cè)試進(jìn)行有效地模擬，為飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)依據(jù)，具有重要的工程意義。

［1］陳奇平，方金鵬，王萬(wàn)富.整機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)試驗(yàn)的若干技術(shù)探討[J].微波學(xué)報(bào)，2012，8：305-308.

［2］溫浩，侯新宇，王宏.飛機(jī)模型雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32(7)：90-92．

［3］SAE.ARP5412B(R)Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].Warrendale,PA：Society of Automotive Engineers，2013.