淺談飛機(jī)防雷的基本原理

何敬宇

摘 要：雷擊給飛機(jī)飛行帶來(lái)了極大的危害，如何科學(xué)有效地減少雷擊，就成為了研究者的重要課題。本文通過(guò)對(duì)雷擊的危害、飛機(jī)防雷的原理展開(kāi)分析，通過(guò)對(duì)防雷措施的探究，為其安全飛行提供了重要的建議。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)防雷；基本原理；安全措施

中圖分類號(hào)：X954 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.雷擊給飛行帶來(lái)的危害

1.1飛機(jī)設(shè)備被雷擊壞

由于雷電可以形成高壓電，當(dāng)雷電擊中飛機(jī)后，雷電到達(dá)飛機(jī)的機(jī)頭部分時(shí)，較高的電壓會(huì)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)造成破壞，同時(shí)雷達(dá)也會(huì)被雷電擊出許多個(gè)小孔，從而破壞雷達(dá)的正常工作，而雷電所形成的強(qiáng)大電磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)飛機(jī)內(nèi)部的電子設(shè)備造成嚴(yán)重傷害。

1.2電磁場(chǎng)干擾

雷電可產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，如飛機(jī)在飛行中遭遇這種情況時(shí)，電磁場(chǎng)可以破壞飛機(jī)中的電子設(shè)備以及飛機(jī)內(nèi)的通信設(shè)備，使飛機(jī)不能及時(shí)地同地面進(jìn)行聯(lián)系，飛機(jī)的飛行受到干擾，加大了飛機(jī)在飛行中的危險(xiǎn)系數(shù)。

2.飛機(jī)防雷原理

2.1法拉第籠原理

從物理上講法拉第籠是指一個(gè)密封的金屬腔體，它是根據(jù)靜電平衡原理利用金屬空腔隔離靜電影響采用的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)后來(lái)被我們稱為法拉第籠圓筒。法拉第籠對(duì)雷電產(chǎn)生的電磁有屏蔽作用，可以使處于在法拉第籠內(nèi)的物體或人員免于受到雷電產(chǎn)生的電磁波的危害，從而保證了飛機(jī)內(nèi)人員的人身生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，基于嵌入式處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（防雷系統(tǒng)）雙處理器機(jī)載導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，著重于數(shù)字機(jī)載導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，數(shù)字信號(hào)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件算法，為防雷系統(tǒng)提供了整體方案。同時(shí)采用消除飛機(jī)航向控制中的噪聲干擾和信號(hào)延遲問(wèn)題的差分方法。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

防雷控制系統(tǒng)（PCS）是飛機(jī)上可以進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）、可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統(tǒng)（DCS）的設(shè)備，可以收集和傳輸在制造過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)。PCS可以是相對(duì)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目，其可以具有接收輸入的傳感器（通常稱為主換能器），處理輸入的控制器以及處理輸出的接收器。更復(fù)雜的PCS設(shè)備本身可以是機(jī)器人，并執(zhí)行許多任務(wù)。 PCS設(shè)備可以通過(guò)稱為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的中間件軟件與飛機(jī)資源規(guī)劃（ERP）應(yīng)用程序進(jìn)行通信。

防雷控制系統(tǒng)主要包括被控過(guò)程（或?qū)ο螅?、用于飛行過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的檢測(cè)與變送儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、報(bào)警、保護(hù)和連鎖等其他部件。其中，重點(diǎn)在于傳感器。0級(jí)包含現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，例如流量和溫度傳感器以及最終控制元件，例如控制閥。1級(jí)包含工業(yè)化輸入/輸出（I / O）模塊及其相關(guān)的分布式電子處理器。 2級(jí)包含監(jiān)控計(jì)算機(jī)，其將來(lái)自系統(tǒng)上處理器節(jié)點(diǎn)的信息整理并提供操作員控制屏幕。3級(jí)是防雷控制控制水平，不直接控制過(guò)程，而是關(guān)注監(jiān)控目標(biāo)。4級(jí)是防雷控制調(diào)度水平。

2.3 運(yùn)行方式

防雷控制可以使用反饋，也可以是開(kāi)環(huán)的?？刂埔部梢允沁B續(xù)的（汽車巡航控制）或引起一系列離散事件，例如草坪噴灑器上的定時(shí)器（開(kāi)/關(guān)）或電梯上的控制（邏輯順序）。溫度傳感器如果溫度低于設(shè)定值，則打開(kāi)熱源，并在達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)閉熱源。沒(méi)有測(cè)量設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量溫度之間的差異（例如沒(méi)有誤差測(cè)量），并且沒(méi)有調(diào)整除了全部或沒(méi)有添加熱量的速率?？删幊踢壿嬁刂破骰騊LC的常用控制裝置用于讀取一組數(shù)字和模擬輸入，應(yīng)用一組邏輯語(yǔ)句，并生成一組模擬和數(shù)字輸出。例如，如果使用可調(diào)節(jié)的閥門(mén)將液位保持在水箱中，則邏輯聲明將將深度設(shè)定值下的等效壓力與傳感器的壓力讀數(shù)相比低于正常低液位，并確定是否需要更多或更少的閥門(mén)開(kāi)度保持水平不變。然后，PLC輸出將計(jì)算閥位置的增量變化量。更大更復(fù)雜的系統(tǒng)可以由分布式控制系統(tǒng)（DCS）或SCADA等防雷控制系統(tǒng)控制。

3.防雷措施

飛機(jī)防雷可分為兩部分，一部份是飛機(jī)在飛行中的防雷，另一部分是飛機(jī)在地面停泊狀態(tài)下的防雷。因?yàn)轱w機(jī)在飛行中是沒(méi)辦法接觸到地面的，所以飛機(jī)上無(wú)法安裝避雷針，但飛機(jī)上也有自己專門(mén)的防雷裝置。這種防雷裝置叫做“防雷斷路控制器”，它安裝在飛機(jī)尾翼，它是像刷子一樣排列在飛機(jī)的尾翼上。防雷控制斷路器可以在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行防雷控制電流的檢測(cè)與判斷，從而進(jìn)行動(dòng)作來(lái)保護(hù)電路。主要有電壓和電流兩種類型，其中最主要是用于三相制電路中的中線，這樣可以防止防雷控制導(dǎo)致的人身觸電事故，在直接接觸和間接接觸兩種不同的情形下需要進(jìn)行不同的防雷控制保護(hù)器選擇。在人觸電時(shí)，零線對(duì)地的電壓將不是0，可以是單相電壓或者線電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出保護(hù)值，因此防雷控制保護(hù)器進(jìn)行動(dòng)作，讓開(kāi)關(guān)跳閘，切斷電路，從而保障了人身的安全。電流型則主要用來(lái)保護(hù)變壓器周圍的人身安全，在人觸電時(shí)，可以產(chǎn)生零序電流，使得電流被防雷控制保護(hù)器檢測(cè)到，從而斷開(kāi)電路，保護(hù)人身安全。VigiDPN系統(tǒng)可以進(jìn)行電流的動(dòng)作保護(hù)，將相線和中性線同時(shí)進(jìn)行切斷，在電流過(guò)載等情況下，給人以直接的保護(hù)。對(duì)于這種情況，也可以采用不間斷電源（UPS）、無(wú)功功率補(bǔ)償器（SVG）等設(shè)備可以有效地減輕電壓波動(dòng)對(duì)于設(shè)備帶來(lái)的影響，起到平波的作用，同時(shí)也減輕了對(duì)于線路的損耗，是相對(duì)科學(xué)有效的辦法。在防雷控制時(shí)，可以對(duì)于零線火線同時(shí)進(jìn)行保護(hù)，就算是線路接反，也可以及時(shí)地切斷。防雷措施可以做到在飛機(jī)的飛行過(guò)程中進(jìn)行小批量的操作，主要工作原理類似于流水線操作，可以減少資源的冗余與浪費(fèi)的情況，讓設(shè)備損失減到最低。

飛機(jī)的機(jī)載雷達(dá)可以有一定的防雷作用，可以使得機(jī)組人員有選擇性地從低空雷達(dá)中接收預(yù)定的信號(hào)源，其中至少一個(gè)機(jī)組人員被提供有用于發(fā)起信號(hào)傳輸?shù)难b置，用于通過(guò)相同的信號(hào)導(dǎo)體將信號(hào)傳輸返回到系統(tǒng)的控制設(shè)備，借助這樣的裝置，機(jī)組人員能夠在中心站接收信號(hào)源，并且裝置用于使機(jī)組人員向至少一個(gè)其他機(jī)組人員發(fā)起信號(hào)傳輸，與其他程序傳送的方式相同，都需要通過(guò)中央站。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被安排用于傳送多個(gè)低空雷達(dá)信號(hào)作為對(duì)應(yīng)的信號(hào)高速線路上的調(diào)制高頻載波，其中信號(hào)選擇被布置為在信號(hào)交換中，通過(guò)每個(gè)機(jī)組人員站的信號(hào)分配線來(lái)進(jìn)行選擇性連接，信號(hào)高速線路被提供用于發(fā)起低空雷達(dá)信號(hào)傳輸?shù)难b置，提供用于將信號(hào)傳輸與信號(hào)交換的裝置，電纜將低空雷達(dá)信號(hào)提供給機(jī)組人員。防雷系統(tǒng)信號(hào)作為調(diào)制部分，被放置于將防雷系統(tǒng)信號(hào)從信號(hào)交換分配給機(jī)組人員臺(tái)的頻率帶之外的載波信號(hào)，在中心站處提供頻率轉(zhuǎn)換裝置，用于將機(jī)組人員發(fā)起的防雷系統(tǒng)信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換為所使用的頻帶。將來(lái)自程序交換機(jī)的防雷系統(tǒng)信號(hào)傳輸，此系統(tǒng)的其他機(jī)組人員能夠用高頻信號(hào)以簡(jiǎn)單的方式從信號(hào)高速線路導(dǎo)出信號(hào)。保證飛機(jī)的操作設(shè)備在遭受雷擊時(shí)不受到損害，只有這樣才可以提高飛機(jī)的飛行安全，讓飛機(jī)內(nèi)的人員的人身安全得到保證。

結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)防雷技術(shù)發(fā)展迅速，因其易用性、穩(wěn)定性、快捷性受到廣大工程人員和通信人員的歡迎。我國(guó)各層次的開(kāi)發(fā)研究人員正不斷地改善當(dāng)前飛機(jī)防雷技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，為了充分利用防雷系統(tǒng)的價(jià)值，在當(dāng)前社會(huì)生活中，各方面應(yīng)用人員應(yīng)加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)與探究，在合理的體系中力求飛機(jī)防雷價(jià)值的利用最大化。

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