飛機燃油箱閃電間接效應安全性仿真研究

李連桂

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

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飛機燃油箱閃電間接效應安全性仿真研究

李連桂

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 210016)

為了定量分析閃電通過油量指示系統(tǒng)(FQIS)的線纜耦合到燃油箱的能量是否達到安全闕值，建立了FQIS線纜的等效模型，并以4種常見的電流路徑對某大型客機進行了大電流注入的建模仿真。仿真分析得到不同路徑的艙內(nèi)外電磁環(huán)境和線纜感應電流，并且與最小點燃條件相比較。仿真結(jié)果表明，閃電以機頭注入，右機翼流出或機尾流出這兩種方式注入時，線纜的峰值電流>0.125 A，有可能引起燃油箱產(chǎn)生火花；閃電以左機翼或右機翼注入，機尾流出這兩種方式注入時，線纜的峰值電流?0.125 A，不可能引燃油箱。

燃油箱；線纜耦合；最小點燃條件；油量指示系統(tǒng)

在飛機上采用碳纖維復合材料來代替金屬合金材料已經(jīng)成為一種趨勢。這在提高飛機的耐用性和燃油效率的同時，也在較大程度上降低了對外部電磁環(huán)境的屏蔽效能。閃電除了能對飛機產(chǎn)生像熱效應和機械效應這種直接損毀之后，還能產(chǎn)生高強的瞬態(tài)電磁場，因而在飛機內(nèi)部線纜上感應出瞬態(tài)的大電流脈沖，從而對飛機部的重要設備尤其是燃油箱產(chǎn)生重大威脅。1976年，一架波音747飛機在被閃電擊中后墜毀。事后的調(diào)查報告表明，閃電引起的火花導致噴油器處的油蒸汽點燃極有可能是此次事故的原因。

針對日益增加的閃電間接效應對飛機燃油箱安全的威脅，中國民航管理局、美國聯(lián)邦航空管理局和歐洲航空管理局頒布的適航規(guī)章中給出了關于燃油箱點燃防護的要求(CCAR25.981、FAR25.981、CS25.981)。但是進行整機大電流脈沖實驗往往耗費大、成本高、測試周期長，而且受到各種試驗環(huán)境的影響較大，因而較難得到一次全面客觀的實驗數(shù)據(jù)[1]。隨著計算機能力的提升和電磁數(shù)值仿真技術的完善，通過仿真的方式對飛機的閃電間接效應進行預估成為一種越來越受歡迎的方式。例如Maurizio使用VAM-LIFE對C27-J運輸機的閃電間接效應進行了仿真[2]；Marc Meyer等使用EADS IW工具討論了復合材料(CFRP)飛機的仿真問題[3]；國內(nèi)基于TLM法對飛機內(nèi)外部電磁場和內(nèi)部線纜的感應電流的研究也比較多[4-7]；宿志國等基于FEKO分析了飛機閃電間接效應的問題[8]。然而國內(nèi)外關于油箱閃電間接效應安全性的仿真研究比較匱乏。目前國內(nèi)大型客機的研制和試驗正在進行中，為了完善大型客機燃油箱的安全性設計與評估手段，開展閃電對大型客機燃油箱系統(tǒng)危害性的數(shù)學建模與仿真計算方法的研究工作具有重要的意義。

本文利用基于時域傳輸線矩陣法(TLM)的CST Cable工作室進行全機的數(shù)值仿真計算。以4種注入方式注入SAE-ARP5412定義的A類電流波形，建模并進行仿真計算，分析閃電電流流經(jīng)飛機時，線纜感應的最大電流值，并與最小的點燃條件相比較。該方法可以有效的模擬閃電擊中飛機時的閃電間接效應，進而分析了閃電對飛機燃油箱安全性影響。這對燃油箱的結(jié)構(gòu)設計和安放位置起到了參考性作用。

1 基本原理及仿真模型的建立

1.1 基本原理

閃電與飛機的電磁相互作用是一個非常復雜的問題。整個過程可以分為外部交互、外部耦合到內(nèi)部、內(nèi)部交互3個部分。其中外部交互主要包括閃電電流在機體表面的分布和外部電磁場的分布；外部耦合到內(nèi)部指的是電磁能量通過如圖1電阻、磁場和電場3種耦合方式耦合到機艙內(nèi)；內(nèi)部交互指的內(nèi)部電磁場的分布、內(nèi)部電磁場耦合到線纜上的電壓電流[9]。

圖1 耦合機制

傳輸線矩陣法(TLM)是Huygens傳播原理與計算機結(jié)合的產(chǎn)物，在1970年首次由P. B. Johns和R. L. Beurle提出后，經(jīng)過多年的不斷改進，功能從二維拓展到三維，從拓展型結(jié)點拓展到凝縮型結(jié)點，逐漸成為了一種重要的三維時域電磁數(shù)值仿真算法。TLM算法不但可以通過時間和空間的迭代運算，求得傳輸線網(wǎng)絡上的電壓和電流，而且還可以通過傳輸線方程與Maxwell方程組中個相應變量之間的類比關系來計算介質(zhì)中的電磁場分布[10-11]。

二維TLM法由并聯(lián)連接的傳輸線網(wǎng)格組成，脈沖源從4個具有相同特性阻抗的分支入射到一個節(jié)點上，先散射再入射到相鄰節(jié)點上,可以推導出散射公式

k+l[V]r=[S]k[V]i

(1)

k+l[V]i=[C]k+l[V]r

(2)

式中，[S]是結(jié)點的脈沖散射矩陣；[C]是網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的連接矩陣，下標k和k+1表示離散時間間隔[12]。

CST線纜工作室可以實現(xiàn)線纜、場和電路的聯(lián)合仿真。其中場的仿真在微波工作室中進行，線纜的仿真在線纜工作室中進行，電路的仿真在電路工作室中進行。聯(lián)合仿真還能將線纜和場的相互耦合考慮進入，因而更加精確。

1.2 激勵及仿真設置

根據(jù)SAE-ARP5412標準給出的閃電的標準波形[13]，閃電由A、B、C、D、H等多種波形組成。本文選用峰值最大的A波形作為注入波形。該波形的雙指數(shù)形式數(shù)學表達式為

I(T)=i0(e-αt-e-βt)

(3)

式中，I0=218 810 A；α=11 354 s-1(88.075 μs)；β=647 256 s-1(1.545 μs)。

由于閃電的能量主要集中在10 MHz以下[6]，所以對閃電間接效應的仿真最高頻率設置為30 MHz即可。為滿足飛機上的各個點的電流波形都能完整的通過，仿真時間設置為200 μs。

常見的閃電的附著點和分離點為機頭、翼尖、發(fā)動機和垂尾等突出位置[4]。閃電電流從附著點注入，然后在分離點與導體相連。通過設置開放邊界，使得分離點和注入點都與邊界線連接，避免了因靜電場引起的靜電效應[4]。如圖2所示，本文主要分析比較3種電流注入分離路徑：路徑A為機頭入，尾翼出；路徑B為機頭入，右機翼出；路徑C為右機翼入，尾翼出;路徑D為左機翼入，尾翼出。

圖2 雷電流注入點和分離點

1.3 仿真模型

以某型號客機為例，客機總長33.4 m，翼展26.8 m。機艙可以分為駕駛艙、前設備艙、客艙、貨艙、后設備艙5部分。飛機機殼整體設置為導電率3.54E+7的鋁材，舷窗和駕駛舷窗設置為相對介電常數(shù)4.4、損耗正切角0.03的玻璃材質(zhì)，地板、椅子設置相對介電常數(shù)3.14、損耗正切角0.035的復合材料。

如圖3所示，中央翼油箱安裝在客艙地板正下方，處于機翼與機體的結(jié)構(gòu)支點處。一組油料量探頭分布于油箱中，實時監(jiān)控著燃油的密度和體積。油量探頭引線在開口側(cè)從后梁固定隔框穿出中央翼油箱，并通過線纜將信息反饋到控制臺。 “Amphenol D3”和與之配套的“Amphenol M127” 是油量探頭與外界線纜之間的連接結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)如圖4所示，插針1、插針2和插針3分別連接同軸線纜、單導線和單導線，對應燃油探頭的HI Z、LO Z和LO Z COMP[14]。

本文設置了一種線纜模型來等效駕駛艙到燃油箱的這段導線。它是由RG58的同軸線、兩根單線和屏蔽層構(gòu)成。為了簡化分析，將與FQIS連接的燃油箱等效為電阻。等效電阻可以用文獻[15]的方法得到。本例中HIZ電阻取60.9 Ω，LOZ電阻取183.3 Ω，LOZ COMP電阻取54.7 Ω[15]。

圖3 FQIS與中央翼油箱的連接示意圖

圖4 連接件結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果與分析

射頻源通過與油量探頭連接的射頻電纜耦合到中央翼油箱中，從而產(chǎn)生的電弧、火花或者過熱都有可能會導致油箱著火。雷延生等根據(jù)FAA發(fā)布的燃油箱點燃防護的要求分析得到了最小的點燃條件為，線纜的峰值電流不得>0.125 A[16]。下面主要分析4種路徑下，艙內(nèi)外的電磁環(huán)境和耦合到燃油箱的電流值，并根據(jù)最小點燃條件判斷燃油箱產(chǎn)生火花的可能性。

2.1 艙內(nèi)外電磁環(huán)境

為具體分析飛機遭受雷擊時外部電磁場和內(nèi)部各艙室的耦合場，在飛機的機頭、機身、機尾、駕駛艙、前設備艙、客艙、貨艙和后設備艙都設置了監(jiān)測點。探測點的坐標依次為(0,0,0)、(0,12.4,2.08)、(0,29.5,1.6)、(0,2.06,0.63)、(0,2.06,-1.07)、(0,14.56,0.7)、(0,14.56,1.27)和(0,27.56,0.73)。探測點坐標都是與機頭探測點的相對值，單位m。表1為不同路徑下各探測點的電場強度和磁場強度的最大值。通過對比發(fā)現(xiàn)：不同路徑下電場分布差別不大，磁場和表面電流分布與路徑相關。由于金屬機身的屏蔽作用，機身、機頭、機尾等外部電磁場遠大于內(nèi)部耦合場；與路徑A和路徑B相比，路徑C和路徑D的電流是從機翼注入，機尾流出的，所以機頭、前設備艙和駕駛艙的磁場強度遠小于前者；路徑B條件下機尾的磁場強度小于路徑A和路徑C。

表1 各位置電場強度和磁場強度

2.2 線纜耦合電流

圖5為FQIS內(nèi)的同軸線纜的內(nèi)芯和外皮電流。由圖5可知，屏蔽層的電流遠大于內(nèi)芯的電流，這說明電纜屏蔽層可以較大程度上屏蔽來自外界的電磁干擾。路徑C和路徑D的HIZ屏蔽層電流和內(nèi)芯電流都小于路徑A和路徑B的電流。這是由于路徑C和路徑D的電流通道都是由機翼到尾翼的，因此輻射場對駕駛艙到貨艙線纜的耦合較小。 LOZ、LOZ COMP、總屏蔽層的電流隨時間變化趨勢與HIZ屏蔽層、HIZ相同。表2為LOZ、LOZ COMP、總屏蔽層、HIZ屏蔽層、HIZ的最大耦合電流。由表2可知，路徑C和D下的LOZ、LOZ COMP、HIZ的耦合電流值都遠小于最低點火條件。路徑A和B下的LOZ的耦合電流小于最低點火條件，LOZ COMP和HIZ的耦合電流大于最低點火條件。所以對于以鋁材作為機殼材料的飛機，如果雷電流以路徑A和路徑B注入，燃油箱有產(chǎn)生火花的可能性。

圖5 FQIS等效線纜內(nèi)的同軸線纜的內(nèi)芯和外皮電流

端接負載電流峰值/A值/Ω路徑A路徑B路徑C路徑DHIZ(P12)60.90.390.390.0080.01HIZ屏蔽層(P11)077781.681.98LOZ(P8)183.30.120.120.00250.00305LOZCOMP(P9)54.70.480.480.01030.0123總屏蔽層(P10)0127612874451.7

3 結(jié)束語

本文建立了雷擊時飛機艙內(nèi)電磁環(huán)境的計算模型，并對FQIS的結(jié)構(gòu)進行了簡化等效；文中分析了閃電以4種路徑流經(jīng)機體時的飛機外部電磁場和內(nèi)部各艙室的電磁環(huán)境；得到了不同路徑下線纜耦合到燃油箱的電流，并與燃油箱點火條件做了比較。仿真結(jié)果表明：雷電流以路徑A和路徑B注入，燃油箱有產(chǎn)生火花的可能性；雷電流如果以路徑C和路徑D注入，燃油箱不會有產(chǎn)生點火的危險。

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Simulation on Lightning Indirect Effect of Fuel Tank Safety

LI Liangui

(School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

In order to quantitatively analyze whether the lightning energy coupled to the fuel tank by the oil quantity indicating system (FQIS) cable reach the energy security threshold, an equivalent model of FQIS cable is established and a simulation of large current injection were carried out on a large passenger aircraft with four common current paths. The internal and external electromagnetic environment and the current in the cable of four common current paths is given by the simulation and compared with the minimum ignition condition. The peak of the current through the cable is more than 0.125 A in the way that the current is injected in the nose and out in the tail or out in the wing, which may cause the ignition. The peak of the current through the cable is far less than 0.125 A in the way that the current is injected in the wings and out in the tail, which could not cause the ignition.

fuel tank;cable coupling;minimum ignition condition;oil quantity indicating system

2017- 11- 01

李連桂(1991-),男，碩士研究生。研究方向：大型飛機燃油箱閃電間接效應仿真。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.039

TN821

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1007-7820(2017)08-142-05