飛行器雷電附著仿真研究

沈威+白焱

摘要：飛機(jī)的雷電直接效應(yīng)對飛行安全構(gòu)成危害，在飛機(jī)設(shè)計時必須要充分考慮到這些危害。以某航空器為研究對象，對雷云起電、發(fā)展機(jī)理、飛行中航空器的帶電機(jī)理以及雷電先導(dǎo)初始附著機(jī)制等進(jìn)行研究，建立飛機(jī)的等比3D模型， 再借助CST EM工作室對飛機(jī)進(jìn)行雷擊仿真，初步分析雷擊時純金屬飛機(jī)機(jī)身表面電流分布，進(jìn)一步理論劃分航空器雷電附著區(qū)域?？蔀轱w機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計以及試驗提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：雷電直接效應(yīng)；危害機(jī)理；CST仿真；雷電防護(hù)

飛機(jī)在飛行過程中遭受雷擊事件，在國內(nèi)外時有發(fā)生。雷擊經(jīng)常會給飛機(jī)造成嚴(yán)重的損失，尤為嚴(yán)重的是雷擊會擊穿飛機(jī)的油箱從而引起飛機(jī)的爆炸。飛機(jī)在遭受雷擊之后，雷電會產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，形成電磁場、光輻射、沖擊波和電弧，這些現(xiàn)象都嚴(yán)重威脅著飛機(jī)的安全。

本文利用CST電磁仿真軟件的EM工作室對某飛行器模型進(jìn)行雷電附著點(diǎn)仿真研究，并討論了飛行器飛行姿態(tài)對飛行器雷電分區(qū)的影響。

1 雷電的損傷機(jī)理

雷電對飛機(jī)的危害可分為物理效應(yīng)和電磁效應(yīng)。物理效應(yīng)指的是在雷擊前階段，飛機(jī)周圍高電場的引發(fā)是來自飛機(jī)尖端部位的電子流，如果電子流經(jīng)過含有易燃油氣混合物存在的燃油口，就有可能發(fā)生點(diǎn)燃現(xiàn)象，如果火苗竄入油箱，就可能會導(dǎo)致猛烈的燃油爆炸。雷電對燃油系統(tǒng)的危害最大。僅0.2毫焦耳能量的電火花，便足以點(diǎn)燃一定濃度比例的燃油蒸汽從而引起爆炸。在雷電的高峰值電流階段，會在幾微秒內(nèi)傳送大量能量，將導(dǎo)致物質(zhì)材料汽化，并會造成結(jié)構(gòu)性破壞。雷電電流流經(jīng)飛機(jī)時，會在搭接不良的結(jié)構(gòu)交接部位出現(xiàn)打火現(xiàn)象。附著到整體油箱外殼上的雷電也會在油箱上燒出孔洞，或者使表面發(fā)熱以致點(diǎn)燃存在的易燃?xì)怏w。在雷擊的恒定電流階段，會給飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的燃燒和腐蝕性破壞。如果在雷電電弧存在的整個時間內(nèi)，雷電通道停止于飛機(jī)的某一點(diǎn)上，會在飛機(jī)的蒙皮上形成直徑幾厘米的孔洞。

電磁效應(yīng)指的是由電流或者電壓使機(jī)載設(shè)備遭受破壞或失常，即使這些電流或電壓可能是由于雷電電弧直接附著到一個外部的電氣裝置上引起的。如果雷電將其防護(hù)玻璃損壞或燒穿其金屬罩并接觸到燈泡的燈絲，則電流將進(jìn)入導(dǎo)線，從燈泡流至電源匯流條。這種瞬時電流將導(dǎo)線燒毀或汽化，或者擊穿絕緣物，會破壞其他電氣設(shè)備。即使雷電不直接接觸導(dǎo)線，也會在飛機(jī)的周圍建立起變化的電磁場，電磁場能夠透過金屬蒙皮，或者直接穿透諸如接縫、孔洞或其它非金屬部位。由于場隨時間變化，因此會在飛機(jī)內(nèi)部的電路中感應(yīng)出瞬時電壓和電流。當(dāng)雷電電流流經(jīng)飛機(jī)構(gòu)架上的高阻抗部位時，也會產(chǎn)生比較大的電壓和電流。

2 雷擊附著點(diǎn)試驗設(shè)計

2.1仿真模型的建立

雷電附著點(diǎn)仿真模型示意圖如圖所示，采用高壓電極模擬雷電通道的先導(dǎo)，其上加載3000kV的電壓，飛行器模型放置其中，并根據(jù)不同姿態(tài)調(diào)整模型位置，為的是研究不同的飛行姿態(tài)時雷電的附著點(diǎn)情況。飛行器飛越雷擊區(qū)域時，機(jī)身結(jié)構(gòu)會改變周圍的電場分布。飛行器表面某些區(qū)域電場強(qiáng)度加強(qiáng)，并伴隨著放電現(xiàn)象的發(fā)生，則該區(qū)域即為雷電初始附著區(qū)域。雷電初始附著區(qū)域?qū)⒂衫纂娤葘?dǎo)靠近至目標(biāo)一定距離后決定，此時，雷電先導(dǎo)電荷產(chǎn)生的電場貢獻(xiàn)較大，先導(dǎo)頭部電流產(chǎn)生的輻射場相對較小，可以采用靜電場效應(yīng)模擬飛行器觸發(fā)雷擊前的瞬態(tài)過程。由于自然雷電放電中階躍先導(dǎo)的速度約為800km/m，而飛機(jī)的飛行速度約為0.8km/m，因此，速度的影響可以忽略。

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，程序會進(jìn)行網(wǎng)格加密迭代，并通過內(nèi)置的專家系統(tǒng)，自動判斷最什的網(wǎng)格疏密，達(dá)到設(shè)定的精度后終止計算，從而得到速度和精度的統(tǒng)一。考慮實(shí)際情況，背景材料設(shè)為Normal（空氣/真空），并在模型各個方向擴(kuò)充一定的距離。邊界條件設(shè)為電邊界，即等效于理想導(dǎo)體，電場垂直于邊界表面，磁場平行于邊界表面。

2.2試驗中飛行器雷擊方位模擬

綜合該飛行器的實(shí)際飛行情況和雷電發(fā)生的空間方位不確定性和隨機(jī)性，試驗中確定模型的姿態(tài)為平飛、上仰30°、俯沖30°，橫滾30°四種。

3 仿真結(jié)果及分析

分別對四種飛行狀態(tài)下的飛行器進(jìn)行仿真求解，為了能更好的對比觀察航空器的表面電場，把飛行器統(tǒng)一調(diào)整到相同的飛行姿態(tài)。

試驗中，整個求解區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行剖分。其中飛行器模型、棒電極采用精細(xì)網(wǎng)格、空氣區(qū)域采用粗網(wǎng)格，這樣即可確保飛行器表面電場強(qiáng)度計算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還可以提高求解效率。采用的電極為棒電極，其上加載3000kV的電壓，飛行器模型放置其中，并根據(jù)不同姿態(tài)調(diào)整模型位置。棒電極與模型最小距離應(yīng)代表50m的打擊距離按模型的縮比系數(shù)進(jìn)行縮比。同時，模型上任何位置到地面的距離要大于模型的最大尺寸。飛行器飛越雷擊區(qū)域時，機(jī)身結(jié)構(gòu)會改變其周圍的電場分布，飛行器表面某些區(qū)域電場強(qiáng)度加強(qiáng)。

根據(jù)仿真結(jié)果，飛行器的初始雷擊附著點(diǎn)分布于各處突起部位，分別為：機(jī)頭、翼尖、水平尾翼尖端、機(jī)翼上安裝的吊艙以及其他明顯的突出物。這為該飛行器的雷電分區(qū)提供了有力的參考依據(jù)，也為飛行器的防護(hù)設(shè)計提供了有利的參考依據(jù)。

4 結(jié)論

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，用仿真軟件CST對飛機(jī)雷電間接效應(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，仿真結(jié)果基本符合相關(guān)理論成果由此可見，該力法可以對飛機(jī)雷電間接效應(yīng)測試進(jìn)行有效地模擬，為飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計提供實(shí)驗力法和設(shè)計依據(jù)，具有重要的工程意義。

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