基于HIRF的航空器機(jī)體屏蔽效能仿真研究

胡 靜, 朱慧惠, 劉 勇, 司曉亮

(1.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津 300300; 2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,陜西 西安 710089; 3.安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)省級實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 4.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031)

高強(qiáng)度輻射場(high intensity radiated fields, HIRF)是由地面、船載或機(jī)載的雷達(dá)、無線電、電視及其他射頻發(fā)射裝置因發(fā)射而產(chǎn)生的電磁能量形成的。國內(nèi)外適航局頒布的適航條款中均已規(guī)定，民用飛機(jī)若要取得適航證則必須開展HIRF適航驗(yàn)證試驗(yàn)。

國外對于飛機(jī)HIRF防護(hù)設(shè)計、適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)和模擬仿真預(yù)測方面均獲得了許多重要的研究成果，如頒布了HIRF驗(yàn)證試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)指南RTCA DO-160G[1]和SAE ARP 5583A[2]，許多研究已證明飛機(jī)HIRF仿真預(yù)測的有效性[3-4]。文獻(xiàn)[5]研究出一種高強(qiáng)度輻射場合成環(huán)境的計算工具(RFSE),用于模擬和分析與HIRF射頻范圍中的飛機(jī)和旋翼飛機(jī)的電磁場相互作用。

而國內(nèi)由于HIRF研究起步較晚,對于HIRF防護(hù)設(shè)計及試驗(yàn)方法主要還是以借鑒國外為主。文獻(xiàn)[6]通過調(diào)研國內(nèi)外HIRF發(fā)展現(xiàn)狀以及飛機(jī)HIRF相關(guān)的防護(hù)技術(shù)等,對我國HIRF防護(hù)發(fā)展目標(biāo)給出了較好的建議。中國民用航空總局航空器適航審定司頒布了首部咨詢通告AC-21-1317[7],其中提到:仿真分析和相似性分析也是民用航空器適航認(rèn)證中的符合性驗(yàn)證方法之一。

國外相關(guān)研究表明，HIRF驗(yàn)證試驗(yàn)已成為飛機(jī)適航取證過程中的強(qiáng)制性條款要求,而國內(nèi)相關(guān)HIRF試驗(yàn)研究開展較晚,至今沒有形成相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。低電平掃頻場試驗(yàn)是飛機(jī)整機(jī)級HIRF試驗(yàn)的一部分,對其開展研究具有重要的實(shí)用價值,但由于開展飛機(jī)整機(jī)級HIRF試驗(yàn)難度較大,國內(nèi)目前能開展相關(guān)試驗(yàn)的單位較少。因此，本文利用仿真分析的方法開展直升機(jī)機(jī)體屏蔽效能的研究分析,這與低電平掃頻場試驗(yàn)的目的一致,即在飛機(jī)設(shè)計階段,發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足之處,以減少風(fēng)險,并降低后期HIRF試驗(yàn)及整改的成本。

本文通過開展航空器整機(jī)簡化模型的仿真研究,得到航空器機(jī)體在HIRF環(huán)境下屏蔽性能的影響規(guī)律,并與已開展過的某型號直升機(jī)試驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。

1 仿真模型的建立

1.1 航空器模型的選擇與精簡

直接分析電磁環(huán)境對航空器整機(jī)模型的影響是非常復(fù)雜的事情,存在機(jī)身由不同的材質(zhì)組成、機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,并且很難在電磁仿真軟件中實(shí)現(xiàn)建模。

為了便于仿真研究,采用SolidWorks建模軟件構(gòu)建某型號直升機(jī)機(jī)體模型,并將模型進(jìn)行簡化處理,僅保留機(jī)體的外形結(jié)構(gòu)特征,忽略機(jī)體內(nèi)客座座位、設(shè)備架和行李架等,保留電磁波容易進(jìn)入的主要縫隙結(jié)構(gòu),使其可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計算;因?yàn)榭痛暗炔ＡР馁|(zhì)部件通常對電磁波傳播無阻擋作用,所以仿真時將客窗等部件從電磁模型中去除。簡化后的模型通過外部導(dǎo)入的方式,按真實(shí)比例導(dǎo)入至CST電磁仿真軟件內(nèi),整機(jī)模型如圖1所示。因?yàn)橹鄙龣C(jī)機(jī)體蒙皮主要采用金屬材料制成,所以本次機(jī)體仿真模型的殼體材料選取理想導(dǎo)體材料(PEC)。發(fā)動機(jī)艙通常由金屬或多層碳纖維與鋁箔制成,由于其具有良好的屏蔽效果,因此被建模為理想導(dǎo)體材料(PEC)。同樣的方法也被用在其他由碳纖維或玻璃纖維制成的部件上。

在低電平掃頻場試驗(yàn)階段,外部電磁能量主要通過機(jī)體上的窗戶及機(jī)身上的縫隙結(jié)構(gòu)等進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部,進(jìn)而耦合到一些敏感電子設(shè)備線束內(nèi)。為了盡量地貼合實(shí)際,在機(jī)體模型兩側(cè)的主要艙門及機(jī)身右側(cè)的人員檢修艙口處，采用CST微波工作室中提供的微小縫隙、屏蔽網(wǎng)孔等精簡等效模型來替代機(jī)身上主要的細(xì)小縫隙(縫隙寬度設(shè)置為1 mm),從而避免了建模時的細(xì)小結(jié)構(gòu)問題,提高仿真效率和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,機(jī)體主要縫隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 直升機(jī)整機(jī)模型

圖2 機(jī)體主要縫隙結(jié)構(gòu)

1.2 仿真條件的設(shè)置

(1) 網(wǎng)格及激勵信號的設(shè)置。本次仿真中整機(jī)模型網(wǎng)格總數(shù)為780×104個;在仿真運(yùn)算設(shè)置中,計算精度設(shè)置為10-6,已經(jīng)可以保證本次仿真的精確性;激勵信號選取CST軟件中默認(rèn)的高斯信號。

(2) 背景及邊界條件設(shè)置。在低電平掃頻場試驗(yàn)中,發(fā)射天線與測試位置之間的距離均大于10 m。并且在校準(zhǔn)階段,在未放置機(jī)體時,使發(fā)射天線以1 V/m的大小對測試位置的接收天線進(jìn)行輻照。

在測試階段,將機(jī)體放置在測試區(qū)域,接收天線放置在機(jī)體內(nèi)測試位置,并使用與校準(zhǔn)階段一致的發(fā)射功率輻照機(jī)體,從而比較放置機(jī)體前、后的電場場強(qiáng),進(jìn)而得到機(jī)體的屏蔽性能。

屏蔽性能一般用機(jī)體的屏蔽效能來反映,其定義為在電磁場環(huán)境下測試時,測試位置處有機(jī)體時的電場強(qiáng)度與無機(jī)體時的電場強(qiáng)度之比,通常使用電場屏蔽效能(SE)來表示,工程計算中常用dB為單位,其計算公式[8]為:

(1)

其中:Eint為有機(jī)體時測試點(diǎn)的電場強(qiáng)度;Eext為無機(jī)體時測試點(diǎn)的電場強(qiáng)度。

在仿真中為了符合試驗(yàn)時的設(shè)置條件,背景范圍設(shè)置為10 m×10 m×10 m;并且使用1 V/m大小的平面波輻照代替實(shí)際的測試裝置,其中輻照方向如圖3所示,周圍空間為均勻材質(zhì)分布,因此背景材料設(shè)置為正常,邊界條件全部設(shè)置為開放邊界。仿真環(huán)境為理想環(huán)境狀態(tài)。

圖3 輻照方向

(3) 電場探頭方位設(shè)置。因?yàn)轳{駛艙和行李艙是機(jī)體內(nèi)電子設(shè)備的主要安裝區(qū)域,所以在這些區(qū)域內(nèi)選取5處典型位置作為測試點(diǎn),并設(shè)置場強(qiáng)探頭,測試位置選取如圖4所示。A探頭位于駕駛艙處;B探頭位于座艙處;C、D和E探頭位于行李艙處。其中:A、B、D探頭均位于機(jī)體中線位置;B探頭與C、D、E探頭高度一致(距離機(jī)體座艙腹板高度為90 cm)；探頭A的高度低于探頭B 15 cm。

圖4 電場探頭方位

2 仿真結(jié)果分析

2.1 極化方向?qū)ζ帘涡艿挠绊?/h3>

選取0°方向,平面波按照水平與垂直極化的方式輻照機(jī)體。行李艙右側(cè)檢修艙門與電場輻照方向示意圖如圖5所示。

圖5中：y方向?yàn)榇怪睒O化方向；x方向?yàn)樗綐O化方向。

A、D 2個典型位置處水平與垂直極化下的屏蔽效能,如圖6所示。

圖5 機(jī)體右側(cè)檢修艙門與電場輻照方向示意圖

從圖6可以看出,在0°方向輻照機(jī)體時,A、D 2個典型位置處水平與垂直極化下的屏蔽效能比較一致,未出現(xiàn)明顯的差異。駕駛艙A處水平與垂直極化下的屏蔽效能變化不大,這是由于駕駛艙處機(jī)體開口較大,封閉性較差,從而使電磁能量大量直接進(jìn)入;而行李艙D處水平極化下的屏蔽效能比垂直極化下的屏蔽效能在低頻段時要低一些,這是由于行李艙處的封閉性較好,并且僅在機(jī)體右側(cè)開有一個矩形的檢修艙門,根據(jù)縫隙耦合規(guī)律研究可知,因?yàn)殡妶龇较虼怪庇诳p隙長邊時耦合進(jìn)入的能量更多,所以出現(xiàn)了D位置處的變化差異,但變化趨勢不明顯。

圖6 A和D位置處水平與垂直極化下的屏蔽效能

2.2 不同結(jié)構(gòu)位置對屏蔽效能的影響

選取0°方向,平面波按照垂直極化的方式輻照機(jī)體,比較不同艙體結(jié)構(gòu)下A(駕駛艙)、B(座艙)、D(行李艙)3個典型位置處的屏蔽效能,如圖7所示。

圖7 不同艙體結(jié)構(gòu)下A、B、D 3個典型位置處的屏蔽效能

從圖7可以看出,在垂直極化輻照下,不同艙體結(jié)構(gòu)測試位置處的屏蔽效能不同。其中駕駛艙和座艙的屏蔽效能較低,這是由于駕駛艙與座艙處機(jī)體開口較大,電磁能量直接從開口位置處耦合進(jìn)入,并由于機(jī)體內(nèi)部的反射疊加等因素,造成上述2個測試位置的屏蔽效能出現(xiàn)了負(fù)值,即發(fā)生場強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)。而行李艙本身封閉性較好,相應(yīng)的屏蔽效能也較高,因此行李艙測量位置處的屏蔽效能要高于駕駛艙和座艙測量位置處的屏蔽效能30 dB左右。

2.3 與試驗(yàn)結(jié)果相比較

選取駕駛艙內(nèi)A位置與行李艙內(nèi)D位置處為典型的研究位置。選取0°方向,比較平面波垂直極化輻照下的仿真結(jié)果與已進(jìn)行過低電平掃頻場試驗(yàn)的某型號直升機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。試驗(yàn)中用到的某型號直升機(jī)機(jī)體材料含有金屬材料與復(fù)合材料,并且仿真所用直升機(jī)的機(jī)體外形與測試位置和試驗(yàn)所用直升機(jī)保持一致。

圖8 A和D位置處仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

從圖8可以看出,駕駛艙內(nèi)A位置與行李艙內(nèi)D位置處的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的規(guī)律具有較好的一致性,進(jìn)而驗(yàn)證了仿真方法及模型的有效性。但因?yàn)榉抡媸窃诶硐氕h(huán)境下進(jìn)行的,所以與試驗(yàn)規(guī)律還是有所差別;并且試驗(yàn)結(jié)果中,行李艙處的屏蔽效能要好于駕駛艙處的屏蔽效能,這與2.2節(jié)體現(xiàn)出的仿真規(guī)律一致。出現(xiàn)上述情形的原因是:因?yàn)閷?shí)際直升機(jī)與仿真模型中行李艙處的封閉性均較好,進(jìn)入其中的電磁能量較少,所以得出的仿真結(jié)果同實(shí)際試驗(yàn)得到的規(guī)律性較為一致,并且兩者結(jié)果也較為接近;而駕駛艙處,由于仿真模型的簡化,去掉了機(jī)艙內(nèi)的座椅(實(shí)際中能夠起到吸收電磁能量的作用)、相關(guān)設(shè)備架等,這些實(shí)際測試中存在的裝置會吸收和阻擋部分電磁能量,并且仿真采用的是金屬機(jī)身,電磁能量在艙體內(nèi)反射疊加作用會更加明顯,從而使仿真得到的結(jié)果低于試驗(yàn)結(jié)果。

2.4 不同方向輻照對屏蔽效能的影響

低電平掃頻場試驗(yàn)規(guī)定每個測試位置均需從多個方向輻照機(jī)體來得到測試位置處最終的衰減曲線,因此仿真中參照試驗(yàn)要求選取6個輻照方向?qū)C(jī)體進(jìn)行輻照,以得到機(jī)體內(nèi)同一測量位置不同方向輻照下的屏蔽效能,并進(jìn)行研究分析。選取直升機(jī)行李艙內(nèi)典型位置D處,比較垂直極化下以0°、45°、135°、180°、225°、315°方向輻照機(jī)體時的屏蔽效能,如圖9所示,結(jié)果按照對稱的輻照方向排布。

圖9 D位置在不同方向輻照下的屏蔽效能

從圖9可以看出,行李艙內(nèi)同一位置在不同輻照方向下屏蔽效能不同。其中0°方向的屏蔽效能整體為30 dB左右,要高于正對的180°方向的屏蔽效能,這是由于在0°方向平面波輻照時,前半部分機(jī)體已經(jīng)阻擋和吸收了部分能量進(jìn)入行李艙,比從180°方向進(jìn)入的能量要少。因?yàn)楸敬畏抡娴臋C(jī)體模型右側(cè)開有檢修口蓋,其四周設(shè)置有縫隙結(jié)構(gòu),所以可以明顯看出同一測試位置從機(jī)體右側(cè)45°、135°輻照下的屏蔽效能比從左側(cè)315°、225°輻照下的屏蔽效能要低10 dB左右,說明從右側(cè)方向輻照機(jī)體時,有更多的電磁能量通過縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入了機(jī)體,也說明縫隙結(jié)構(gòu)是電磁能量進(jìn)入機(jī)體的主要途徑。

3 結(jié) 論

本文通過建立真實(shí)直升機(jī)機(jī)體簡化模型,并在CST電磁仿真軟件中進(jìn)行機(jī)體屏蔽效能的仿真分析,得到不同條件下機(jī)體內(nèi)測試位置處屏蔽效能的變化規(guī)律,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者規(guī)律較為一致。仿真所得規(guī)律如下:

(1) 當(dāng)平面波垂直極化和水平極化分別輻照機(jī)體時,不同測試位置處2種極化方式下的屏蔽效能比較一致,未出現(xiàn)明顯的差異。

(2) 當(dāng)平面波垂直極化輻照機(jī)體時,不同艙體結(jié)構(gòu)測試位置處的屏蔽效能不同;并且行李艙處的屏蔽效能要明顯高于駕駛艙和座艙位置處,這是由于行李艙處的封閉性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于駕駛艙和座艙。

(3) 當(dāng)平面波垂直極化輻照機(jī)體時,比較行李艙內(nèi)檢修艙門后不同位置,可以明顯看出在諧振頻點(diǎn)之前,測試位置距離檢修艙門縫隙處越遠(yuǎn),其位置處的屏蔽效能越好;而過了諧振頻點(diǎn)后,由于高次模的影響及電磁波在屏蔽腔體內(nèi)的諧振與反射等影響,該規(guī)律不適用。

(4) 當(dāng)平面波垂直極化輻照機(jī)體時,由于機(jī)體模型右側(cè)開有檢修口蓋,可以明顯看出行李艙同一測試位置,0°方向要好于180°方向輻照下的屏蔽效能,這是由于0°方向的電磁能量經(jīng)過了機(jī)體更多的阻擋和吸收;從機(jī)體右側(cè)45°、135°方向輻照下的屏蔽效能要比從左側(cè)315°、225°方向輻照下的屏蔽效能要低10 dB左右,這說明從右側(cè)輻照機(jī)體時,有更多的電磁能量通過縫隙結(jié)構(gòu)進(jìn)入機(jī)體。