一種水面艦艇避雷針設(shè)計(jì)方案

王 萌，宋 鑫

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

一種水面艦艇避雷針設(shè)計(jì)方案

王 萌，宋 鑫

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

提出一種適用于水面艦艇的避雷針設(shè)計(jì)方案，在盡量不影響桅頂天線正常工作的情況下，實(shí)現(xiàn)與桅頂天線一體化設(shè)計(jì)，具有體積小、重量輕、便于工程實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，可在水面艦艇防雷電設(shè)計(jì)工作中推廣應(yīng)用。

水面艦艇；避雷針；一體化設(shè)計(jì)

0 引 言

在海洋環(huán)境下，雷電對(duì)水面艦艇的人員以及設(shè)備的安全性構(gòu)成重大威脅，近幾年已經(jīng)發(fā)生過多起雷擊事件，造成一定的損失,因此避雷針的設(shè)計(jì)也引起越來越高的重視。目前市場(chǎng)上商用的避雷針產(chǎn)品已經(jīng)比較普及，但是在水面艦艇上，由于空間有限，并且設(shè)備眾多，導(dǎo)致無法直接采用成熟的避雷針產(chǎn)品，需要根據(jù)每一型艦的特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

我國(guó)新研制的驅(qū)逐艦，設(shè)備集成化程度高，艦面天線眾多，小桅上密集分布大量天線，桅頂天線體積大、重量重，桅頂不具備單獨(dú)安裝避雷針成熟產(chǎn)品的技術(shù)條件；同時(shí)，由于水面艦艇所處的環(huán)境條件，對(duì)避雷針的防風(fēng)、振動(dòng)、疲勞壽命等技術(shù)特點(diǎn)提出了更高的要求，因此，作者開展一體化、集成化設(shè)計(jì)，形成避雷針與天線一體化設(shè)計(jì)方案，節(jié)約空間，減輕重量，并且非常便于安裝，是一種工程應(yīng)用中較理想的避雷針設(shè)計(jì)方案。

1 避雷針設(shè)計(jì)高度與防護(hù)范圍評(píng)估

根據(jù)GJB 4000-2000 (艦船通用規(guī)范)[1]，單根避雷針保護(hù)范圍確定方法如下：

(1)

(2)

式中：rx為hx高度保護(hù)半徑；h為高度；ha=h-hx為避雷針有效高度。

式中rx和hx是已知量，根據(jù)rx和hx可以得出避雷針的高度h。

根據(jù)桅頂天線的半徑，并綜合考慮艦上保護(hù)范圍，設(shè)計(jì)避雷針有效高度h=2.15 m。

2 避雷針對(duì)桅頂天線方向圖的影響

避雷針對(duì)桅頂天線影響可參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)[2]:

1)沒有裝避雷針天線方位精度:有天線自身引起的15 Hz最大方位誤差不應(yīng)超過8°，而135 Hz最大方位誤差不應(yīng)超過1.5°，并且在0°-360°水平全方位范圍內(nèi)，以及在2°-10°的仰角范圍內(nèi)均應(yīng)滿足以上2個(gè)要求。

2)對(duì)裝避雷針天線方位精度:由避雷針引起的135 Hz最大方位誤差在任何區(qū)域內(nèi)都不超過1.5°，同時(shí)由所有因素造成的總誤差最大不超過3°；由避雷針引起的15 Hz最大方位誤差不超過2°，同時(shí)由所有因素造成的總誤差最大不超過10°。

為了滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要通過仿真分析避雷針對(duì)桅頂天線方向圖的影響，以避免因?yàn)榧友b避雷針而導(dǎo)致桅頂天線出現(xiàn)不可接受的性能下降。避雷針設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 避雷針設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 The protection area of single lightning rod

從圖1可看出，rx反映避雷針與天線的距離，通過式(1)和式(2)可以看出，rx與避雷針高度h成正比，因此為了降低避雷針高度，應(yīng)盡可能地減小rx。圖2是避雷針到天線距離分別為0.1 m和0.3 m時(shí)天線的歸一化增益值與天線在無避雷針時(shí)的歸一化增益值的比較結(jié)果圖。

圖2 增益歸一化比較Fig.2 The protection area of double same height lightning rods

天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。所謂輻射參量包括輻射的功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化，在通常情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)定，并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)[3]，方向圖是天線的一個(gè)重要指標(biāo)。通過圖2可以看出，當(dāng)L=0.1 m時(shí)，在部分角度增益下降較大，會(huì)影響通信距離；當(dāng)L=0.3 m時(shí)，天線在各個(gè)角度的增益下降比較均衡，對(duì)天線性能的影響比較小，工程應(yīng)用中可以接受。

3 避雷針結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

通過上面分析計(jì)算，可以得出避雷針的高度、防護(hù)范圍等基本參數(shù)，但是艦載避雷針應(yīng)滿足艦艇環(huán)境條件要求，其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)需要通過仿真分析加以確定。

避雷針安裝于船最高處，對(duì)避雷針結(jié)果強(qiáng)度影響最大的就是海面風(fēng)，避雷針應(yīng)滿足的風(fēng)速計(jì)算公式如下：

(3)

式中：Uz為Z高度處的風(fēng)速；Z為高度；U10為距海平面10 m處的風(fēng)速值。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)，12級(jí)風(fēng)海平面10 m處的風(fēng)速值[4]52 m/s,因此艦艇的環(huán)境條件要求可計(jì)算得出

UZ≈70 m/s。

避雷針材質(zhì)參數(shù)如下：

1)玻璃鋼材料。彈性模量20.9 GPa；泊松率0.34；密度2.0。

2)銅棒材料。彈性模量110 GPa；泊松率0.34；密度8.39。

通過仿真分析，可以得出避雷針的桿變形如圖3所示。

圖3 避雷針形變圖Fig.3 The protection area of double different height lightning rods

通過圖2可以看出，避雷針與天線的距離設(shè)計(jì)為0.3 m，通過圖3可以看出，在最大風(fēng)速情況下，避雷針最大形變不超過0.3 m的設(shè)計(jì)距離，因此不會(huì)出現(xiàn)惡劣天氣下，避雷針碰觸桅頂天線的情況，可以確保避雷針和桅頂天線的物理安全。

4 引下線與接地裝置

完整的避雷針設(shè)計(jì)方案包含接閃器、引下線和接地裝置。

按照國(guó)軍標(biāo)要求，引下線為2根截面積70 mm2的銅線，外面包裹絕緣材料。引下線與避雷針在支撐桿內(nèi)部穿行，并與避雷針連接。引下線另一端通過天線安裝座以及安裝架，并由安裝架實(shí)施固定。安裝時(shí)，安裝架與小桅內(nèi)部的2根引下線焊接、固定，然后避雷針與天線一起安裝于小桅頂端。

艦艇的主船體應(yīng)設(shè)置2個(gè)接地柱，分別與2根引下線牢靠焊接，并在焊接點(diǎn)進(jìn)行防腐工藝處理。雷電接地柱應(yīng)與其他接地裝置遠(yuǎn)離，并且應(yīng)嚴(yán)格避免引下線與其他電纜交叉放置，防止出現(xiàn)感應(yīng)電流。

5 結(jié) 語

本文作者通過深入研究提出一種艦用避雷針與桅頂天線的一體化設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，分析避雷針的。

[1] 艦船通用規(guī)范 3組 電力系統(tǒng)[S].GJB 4000-2000(3).

[2] Antenna Group Tacan[S].MIL-A-29505 OE-273(V)/Urn.

[3] 魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].

[4] 艦船通用規(guī)范(總冊(cè))[S].GJB 4000-2000(3).

The lightening rod and the antenna incoprate project for surface warship

WANG Meng,SONG Xin

(China Ship Development and Research Institute，Beijing 100192,China)

This paper presents a suitable lightning rod for surface warship, as much as possible without affecting the masthead antenna work. The lightning rod is integrated designed with masthead, with small size, light weight, convenient construction. This program suitable to use in surface warship.

surface warship;lightening rod;incoprate project

2014-02-24;

2014-03-06

王萌(1980-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姶偶嫒荩纂姺雷o(hù)。

TM862

A

1672-7649(2014)12-0170-02

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.039