基于粒子群算法的火箭抗雷電加固設(shè)計

周紜加,趙 民,付繼偉,龍中權(quán)

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076； 2.中國運載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

1 引言

雷電是自然界中一種常見的大氣放電現(xiàn)象，每天發(fā)生約800萬次。運載火箭在飛行的過程中不可避免的會遭遇到雷電環(huán)境，從而對火箭的航行安全性造成影響，嚴重者可導致飛行任務的失敗[1]。根據(jù)雷電對火箭的損傷模式一般將雷電對火箭等航天器的影響分為直接效應和間接效應[2]。直接效應包括雷電電弧附著對火箭所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸變，間接效應則主要是由伴隨雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖(lightning electromagnetic pulse,LEMP)耦合對箭內(nèi)一些敏感的電子電氣設(shè)備所產(chǎn)生的破壞性影響。間接效應雖不直接對火箭產(chǎn)生損傷，但卻可對其內(nèi)部電氣線路造成擾動或損壞，因此雷電間接效應也是飛行器雷電防護的重要內(nèi)容。在適航性認證的牽引下，我國飛機等航空器的雷電防護工作較為成熟[3]，但針對火箭等航天器的雷電防護工作尚在起步階段。目前，已經(jīng)有一些文獻對飛行器雷電間接效應的防護方法進行了梳理[4-8]，主要包括屏蔽、搭接、濾波、接地、電路端口防護與電纜防護等方法，但以上文獻所提出的一些飛行器的雷電防護方法無疑會導致火箭起飛質(zhì)量的增加從而造成火箭射程、可靠性、機動性等總體參數(shù)的變化，這在相關(guān)文獻中鮮有提及。因此，如何在滿足火箭抗雷電電磁脈沖加固指標的基礎(chǔ)上控制其質(zhì)量增量最小是目前飛行器的雷電防護工作中亟需解決的一個問題。

本文中首先梳理目前火箭對雷電間接效應的一些共性的防護方法，然后以典型箭上電氣設(shè)備為例，采用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)得到了滿足不同防護指標下的火箭最小加固質(zhì)量增量設(shè)計方法，可以為箭上電氣系統(tǒng)抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 加固設(shè)計方法

按照火箭電氣系統(tǒng)的特點，相對于一般電氣系統(tǒng)，其加固設(shè)計具有如下特點：

首先，在系統(tǒng)級電氣設(shè)計上盡量避免容易被干擾的接口形式。盡可能選擇合理的電氣接口形式和飛行時序邏輯，以免電磁脈沖干擾；

其次，火箭普遍采用浮地設(shè)計，在雷電防護過程中需要特別考慮。

在此基礎(chǔ)上綜合選用各種通用加固手段，包括如下：

1) 屏蔽電子設(shè)備單機殼體應為良好屏蔽體，殼體材料應采用導電性能優(yōu)良的鋁或鋁合金材料。特別對電子單機殼體的孔縫應采用導電布、導電橡膠、金屬絲網(wǎng)等導電襯墊加強屏蔽。

2) 接地不論電氣電子設(shè)備的電路與設(shè)備殼體是浮地或接地方式，其外殼應采用金屬線搭接到運載火箭的金屬殼體上，以泄放電纜和殼體上的干擾電流。外殼也可搭接到大面積的金屬隔板上，金屬隔板與運載火箭的金屬殼體也應良好搭接。

3) 電路端口防護。應在電氣電子設(shè)備電路的最前端進行雷電防護，避免強干擾進入電路內(nèi)部。在電源電路端口，采用瞬態(tài)抑制器是有效的雷電防護方法。常用的瞬態(tài)抑制器包括：壓敏電阻、氣體放電管、瞬態(tài)抑制二極管、半導體放電管等。

4) 電纜防護。電源線和信號線電纜應設(shè)計為屏蔽層電纜，電纜屏蔽層與電纜連接器的金屬部分與應設(shè)計為360°可靠電連接，電纜連接器與設(shè)備殼體也應保證可靠的電連接，連接部位不應有絕緣漆。

3 加固設(shè)計模型

3.1 耦合途徑

一個箭內(nèi)典型電氣設(shè)備受雷電電磁脈沖干擾的示意圖如圖1所示[9]。

圖1 箭內(nèi)典型電氣設(shè)備受LEMP影響示意圖

雷電擊中火箭時，主要通過以下幾種方式對箭內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生影響：

1) 雷電電磁脈沖通過箭上脫插插座直接耦合進入線纜芯線，再通過電纜芯線傳導進入箭內(nèi)電氣設(shè)備。

2) 雷電流掃掠箭體時，通過箭上搭接線傳導進入電纜屏蔽層，再通過電纜屏蔽層耦合到電纜芯線上，從而傳導進入箭內(nèi)電氣設(shè)備。

3) 雷電電磁脈沖直接穿過敏感電氣設(shè)備的殼體，對敏感設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾。

4) 雷電電磁脈沖穿過敏感設(shè)備殼體上的門、通風窗、進線孔等孔洞或縫隙，對敏感設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾。

根據(jù)以上4種干擾的形式將影響方式1、2稱為傳導干擾，3、4稱為輻射干擾。下面將針對上述2種不同的干擾形式分別建立火箭的加固設(shè)計模型。

3.2 加固設(shè)計模型

3.2.1傳導干擾的加固設(shè)計模型

1) 對脫插的加固設(shè)計

箭上脫插的主要作用是連接內(nèi)部電路與地面設(shè)備，當火箭起飛、尾罩分離后，一級尾段上的箭上脫插直接暴露于空中。當雷電擊中火箭并掃掠箭體時，可在脫插上產(chǎn)生一定幅值的感應電流，抑制箭上脫插上感應電流的較好方法是在脫插后增加濾波電路，但這無疑將造成火箭設(shè)計時質(zhì)量的大幅增加，因此不考慮對火箭上的脫插做加固設(shè)計，其感應電流和加固質(zhì)量為：

(1)

2) 對電纜的加固設(shè)計

對電纜加裝屏蔽層可以有效地防止其芯線內(nèi)產(chǎn)生過大的感應電流，屏蔽層的形式一般有銅絲纏繞、銅箔縱向包裹、銅箔螺旋纏繞等，另外對屏蔽要求特別高的場合，還可以采用雙層屏蔽的方式，來確保電纜芯線上不產(chǎn)生過大的感應電流[10]。不同的加固方式會帶來不同程度的質(zhì)量增加，可以用表達式來描述線纜質(zhì)量增量與其加固方式的關(guān)系：

(2)

式(2)中：B表示電纜的不同屏蔽方式，常用的電纜屏蔽形式如表1所示；Lcable表示電纜的長度；ki表示對單位長度的電纜進行加固所帶來的質(zhì)量增量，是一個可隨電纜類型與加固方式調(diào)整的常數(shù)。

表1 電纜的不同屏蔽方式Table 1 Different shielding methods of cables

不同的加固方式會產(chǎn)生不同的屏蔽效果，不同的屏蔽效果決定了箭上電纜中會產(chǎn)生不同幅值的感應電流[11]，記電纜中產(chǎn)生的感應電流為I2，其與加固方式的對應關(guān)系可由仿真或試驗數(shù)據(jù)得到。

3) 對電路端口的加固設(shè)計

若對設(shè)備端口不做任何加固措施，則雷電電磁脈沖與箭上脫插或電纜產(chǎn)生電磁耦合所在電纜芯線上產(chǎn)生浪涌電流極易直接流入箭內(nèi)電氣設(shè)備，從而對其造成損壞。因此必須在箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備的端口進行電路防護。

常用的電路端口瞬態(tài)抑制器包括金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistors,MOV)、氣體放電管(gas discharge tube,GDT)、瞬態(tài)電壓抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)、半導體放電管(thyristor surge suppressor,TSS)等[12-14]。由于壓敏電阻與氣體放電管響應速度較慢，常用市電防雷，不滿足箭內(nèi)敏感設(shè)備的防雷需求，因此考慮在箭內(nèi)敏感設(shè)備端口采用TVS與TSS作為端口電流浪涌抑制器件。本文中以在電路端口使用TSS為例建立箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計模型。TSS是一種根據(jù)晶閘管的開關(guān)原理制作的過壓保護器件，一般將TSS直接跨接在被保護電路兩端，當TSS外加電壓達到其轉(zhuǎn)折電壓VS時TSS轉(zhuǎn)入完全導通狀態(tài)，此時其兩端電壓被箝位在一個較低的電壓值VT上，從而很好地保護了與其并聯(lián)的敏感設(shè)備不被瞬時的浪涌過電壓損傷，且TSS的響應時間很快，僅為納秒級，因此很適用于對雷電電磁脈沖的防護。其伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 TSS的伏安特性曲線

由TSS的伏安特性曲線可以總結(jié)出在箭內(nèi)敏感設(shè)備端口采取雷電防護措施時的質(zhì)量增量模型。分為使用TSS與不使用TSS兩種情況來討論。

當敏感設(shè)備端口不使用TSS時：

(3)

敏感設(shè)備端口使用TSS時：

(4)

式中：Zd表示設(shè)備端口的輸入阻抗；IPP表示TSS的最大通流容量。記：

Δmchd=Δmtc+Δmcable+Δmdk

(5)

為箭內(nèi)電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖傳導耦合的加固質(zhì)量增量模型。

3.2.2輻射干擾加固設(shè)計模型

一個典型的屏蔽體機箱如圖3所示，由圖3可見一般機箱裝配面處的接縫、通風冷卻孔、觀察窗口與器件調(diào)諧孔等等，必須針對機箱上這些可能造成電磁泄露的門、窗、孔、縫等采取針對性措施，來抑制由于屏蔽機箱無法完全密封所造成的電磁泄露。工程上經(jīng)常使用電磁場穿過屏蔽體的衰減量來衡量屏蔽體的屏蔽效果，屏蔽效果以dB為單位，其值越大，表示屏蔽效果越好[4]。

圖3 屏蔽機箱示意圖

對雷電電磁脈沖輻射傳導的防護主要涉及對箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備的屏蔽、對屏蔽殼體上孔洞與縫隙的防護。

1) 設(shè)備殼體

箭內(nèi)敏感設(shè)備殼體多采用碳纖維復合材料制成，碳纖維復合材料導電性雖不如金屬材料，但其具有密度小、振動阻尼性好、抗疲勞能力強等優(yōu)點[15]。假設(shè)厚度為1 mm的碳纖維殼體可以產(chǎn)生30 dB的衰減量，若要提高其屏蔽效能，則必須增加碳纖維殼體的厚度。因此對敏感設(shè)備殼體的加固質(zhì)量增量模型為[16]：

(6)

式中：ρkt與Skt分別為碳纖維殼體材料的密度和表面積；dkt為碳纖維殼體的厚度；T為與材料本身屏蔽性能有關(guān)的衰減效果特征參數(shù)。

2) 通風孔

一般考慮在通風孔處設(shè)置通風波導窗，在實現(xiàn)有效通風的同時又可以保證對低頻電磁波的有效屏蔽。根據(jù)文獻[17]的結(jié)論，波導窗的厚度與衰減量成線性關(guān)系，所以對通風孔處進行加固后其質(zhì)量增量模型為：

Δmbd=kbd·A1

(7)

式中：A1為波導窗所提供的電磁屏蔽效能；kbd為波導窗質(zhì)量與其所能夠提供的屏蔽衰減量之間的系數(shù)，是一個與波導窗的面積與波導窗類型有關(guān)的常數(shù)。

3) 縫隙

一般考慮在縫隙處采用導電氈布，對于屏蔽要求特別高的場合，考慮采用導電橡膠或者梳形簧片，這些屏蔽措施相比于殼體質(zhì)量來說可以忽略不計，因此縫隙處的質(zhì)量增量模型為

(8)

式中:Afx為該設(shè)備殼體在縫隙處所需要的電磁屏蔽效能。對于銅箔或?qū)щ姎植紒碚f，Afx取60 dB，對于導電橡膠或者梳形簧片來說，Afx取80 dB。記：

Δmfsh=Δmkt+Δmbd+Δmfx

(9)

滿足約束條件：

-10lg(10-A0/10+10-A1/10+10-A2/10)≥Azhb

(10)

為箭內(nèi)典型電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖輻射傳導的質(zhì)量增量模型。

3.2.3最小質(zhì)量增量模型

由以上分析可得箭內(nèi)典型電氣設(shè)備抗LEMP的最小質(zhì)量增量模型：

ΔmLEMP=min{Δmchd+Δmfsh}

(11)

滿足約束條件：

(12)

于是運載火箭的抗雷電電磁脈沖的工程問題轉(zhuǎn)化為一個帶有約束條件的單目標尋優(yōu)問題，應選擇合適的方法對其進行優(yōu)化設(shè)計，從而權(quán)衡火箭抗雷電電磁脈沖指標與加固質(zhì)量增量之間的關(guān)系，在滿足加固指標的情況下獲得最佳的火箭總體性能參數(shù)。

4 加固設(shè)計實例

4.1 粒子群算法

粒子群算法[18]屬于群智能算法的一種，是受鳥群捕食行為啟發(fā)所設(shè)計的一種全局尋優(yōu)算法，它的核心思想是利用群體中個體對信息的共享從而使整個群體的運動在問題求解空間中從無序變?yōu)橛行?。在該算法中，每個優(yōu)化問題的解都是搜索空間中的一個“粒子”，所有的粒子都具有一個位置向量(粒子在解空間的位置)和一個速度向量(決定下次飛行的方向和速度)，并可以根據(jù)目標函數(shù)來計算當前所在位置的適應度值。在每次迭代中，每個粒子除了根據(jù)自身的經(jīng)驗(歷史位置)進行學習之外，還可以根據(jù)種群中最優(yōu)粒子的“經(jīng)驗”來學習從而確定下一次迭代時飛行的方向與速度，這樣逐步迭代后整個種群就會逐步趨向最優(yōu)解。粒子群算法省去了遺傳算法的交叉與變異操作，簡單易行，收斂性好，特別適合工程上的一些優(yōu)化設(shè)計問題。

4.2 傳導干擾優(yōu)化設(shè)計實例

相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，火箭被雷電擊中時在其箭上脫插上產(chǎn)生的感應電流峰值為0.12 A，按照最嚴苛的條件，定義為：

I1=0.12 A

(13)

根據(jù)對雷電環(huán)境下火箭上裝電纜感應電流的數(shù)值仿真，采用不同類型的屏蔽方式所導致的電纜質(zhì)量增量與電纜芯線上產(chǎn)生的感應電流的對應關(guān)系為：

(14)

設(shè)備端口的輸入阻抗Zd定義為50 Ω，根據(jù)對廠家產(chǎn)品的調(diào)研，選用的TSS轉(zhuǎn)折電壓VS為15 V，箝位電壓VT為4 V，使用TSS后在設(shè)備端口由于TSS自身的質(zhì)量和加工工藝所造成的質(zhì)量增Δm3=0.65 kg。將各參數(shù)代入運載火箭抗雷電電磁脈沖傳導干擾的加固設(shè)計模型，應用粒子群算法對總體參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，幾個典型的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 不同電流指標下傳導干擾加固的優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results of conducted interference reinforcement under different current indexes

以指標要求為0.3 A和25 A為例，采用粒子群算法所得到的群體適應度值迭代情況如圖4和圖5所示。

圖4 指標為0.3 A時適應度迭代值

圖5 指標為25 A時適應度迭代值

從圖4與圖5中可以看出，當指標要求為0.3 A時，粒子群迭代5次后開始收斂；當指標要求為25 A時，粒子群迭代14次后開始收斂，2次優(yōu)化設(shè)計均在滿足端口電流指標的情況下得到了最小質(zhì)量增量的加固設(shè)計方案。

4.3 輻射干擾優(yōu)化設(shè)計實例

文獻[19]中指出當碳纖維復合材料增大1倍厚度時理論上可增加6 dB屏蔽效能，考慮一個邊長為22 cm的正六面體殼體，殼體厚1 mm，密度為ρkt=1.8×103kg/m3，根據(jù)式(6)代入相關(guān)參數(shù)得到其屏蔽效能與質(zhì)量增量滿足：

(15)

屏蔽殼體上通風孔處采用波導窗對電磁輻射進行屏蔽，質(zhì)量增量模型為：

Δmbd=0.05A1

(16)

將這些參數(shù)代入運載火箭抗輻射干擾的優(yōu)化設(shè)計模型，采用粒子群算法進行優(yōu)化設(shè)計，幾個典型的優(yōu)化結(jié)果如表3和表4所示。

表4 不同指標下的輻射干擾加固設(shè)計 優(yōu)化結(jié)果(導電膠條)Table 4 Optimization results of radiation interference reinforcement design under different indexes (conductive adhesive strip)

以指標要求為30 dB和60 dB為例，采用粒子群算法所得到的群體適應度值迭代情況如圖6和圖7所示。

圖6 指標為30 dB時適應度迭代值

圖7 指標為60 dB時適應度迭代值

由圖6可以看出，在縫隙處使用導電氈布、衰減指標要求為30 dB時，粒子群迭代39次開始收斂；由圖7可以看出，當縫隙處使用導電膠條、衰減指標為60 dB時，粒子群迭代43次開始收斂。所得結(jié)果均在滿足屏蔽機箱衰減指標要求的條件下控制了質(zhì)量增量最小。

通過以上2個實例可以看出，本文中所提出的基于粒子群算法的面向最小質(zhì)量增量的火箭抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計方法，探索研究了加固質(zhì)量與雷電環(huán)境條件之間的關(guān)系，對不同的環(huán)境條件進行了不同程度的加固設(shè)計，該算法行之有效、收斂性好，既可為后續(xù)火箭的抗雷電加固設(shè)計提供有益參考，又可為類似領(lǐng)域的優(yōu)化問題提供借鑒方案。

5 結(jié)論

隨著火箭全天候發(fā)射需求的與日俱增，必須在火箭的設(shè)計上充分考慮雷電電磁脈沖對箭內(nèi)電氣設(shè)備的影響，在提高火箭對雷電電磁環(huán)境的適應性的同時兼顧火箭的總體參數(shù)。本文中提出了基于粒子群算法的運載火箭抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計方法，所得到的主要結(jié)論有：

1) 對于雷電電磁脈沖的傳導干擾，若允許流入電氣設(shè)備的電流指標較高(Izhb≥25 A)，則可以不采取任何加固措施，帶來的質(zhì)量增量為0，否則必須采取屏蔽電纜、端口防護等方式對電氣設(shè)備進行加固設(shè)計。

2) 對于雷電電磁脈沖的輻射干擾，隨著Azhb的增加，加固所帶來的質(zhì)量增量也越來越大。

3) 由于火箭的起飛質(zhì)量對火箭總體性能的影響較大，因此應針對箭內(nèi)電氣設(shè)備的不同加固指標采取不同的加固措施，力求在加固設(shè)計與總體設(shè)計之間取得平衡。