軍用地面車輛雷電防護(hù)試驗(yàn)方法

熊 秀,劉 凱

(西安愛(ài)邦雷電與電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室,西安 710077)

0 引言

新軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備對(duì)武器裝備全天候執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能力提出了更高的要求,當(dāng)前,雷電作為強(qiáng)電磁/惡劣氣候環(huán)境的典型代表,是影響全天候作戰(zhàn)能力的主要制約因素。但與常規(guī)EMC和溫濕度、淋雨等氣候環(huán)境方面的研究相比,地面武器裝備系統(tǒng)雷電防護(hù)研究尚處于起步階段,重視程度與危害程度相比嚴(yán)重不足。

為了提高軍用車輛的防雷能力及全天候作戰(zhàn)能力,已經(jīng)有一些文獻(xiàn)對(duì)各種車輛的雷擊危害及防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,其中包括通信車[1-3]、野戰(zhàn)指揮車[4]、航天系統(tǒng)特種車輛[5-7]等,對(duì)于試驗(yàn)方法的研究仍比較欠缺,文獻(xiàn)[8]對(duì)移動(dòng)車輛的流體接地進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,但還沒(méi)有統(tǒng)一明確的方法對(duì)車輛雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的效果及性能進(jìn)行驗(yàn)證。而試驗(yàn)是摸清裝備防雷性能底數(shù),進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和驗(yàn)證的重要手段,明確適用的試驗(yàn)方法,有利于推動(dòng)軍用車輛的防雷研究及性能提升。

1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法

現(xiàn)行有效的地面車輛雷電防護(hù)可參考的國(guó)軍標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地面車輛雷電防護(hù)可參考的國(guó)軍標(biāo)Table 1 GJB standards for ground vehicle lightning protection

表1中所列的GJB 5080、GJB 6784、GJB 7581、GJB 8007等標(biāo)準(zhǔn)由于源自IEC標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上,沒(méi)有提供明確的雷電波形及試驗(yàn)考核方法。對(duì)于間接效應(yīng)防護(hù),只有針對(duì)SPD的試驗(yàn)方法,不能覆蓋設(shè)備、分系統(tǒng)及整車的間接效應(yīng)防護(hù)能力驗(yàn)證。例如,GJB 8007中“4.4.6 質(zhì)量要求”中規(guī)定:“車輛的雷電防護(hù)裝置試驗(yàn)應(yīng)參照GJB 3567進(jìn)行全尺寸部件附著點(diǎn)試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)試驗(yàn)、電暈和流光的直接效應(yīng)試驗(yàn),參照GB/T 18802.21-2004進(jìn)行電氣入口端浪涌電流試驗(yàn)……”,這樣的規(guī)定不夠完善,執(zhí)行起來(lái)有些困難。

GJB 8848中規(guī)定了地面系統(tǒng)的雷電試驗(yàn)方法,包括直接效應(yīng)試驗(yàn)和間接效應(yīng)試驗(yàn),見(jiàn)表2。

表2 地面系統(tǒng)雷電試驗(yàn)方法適用性Table 2 Applicability of lightning test methods for ground systems

軍用裝備的雷電試驗(yàn)研究經(jīng)常還會(huì)參考以下航空領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn):

1)SAE ARP 5416A 飛機(jī)雷電試驗(yàn)方法[18];

2)RTCA/DO-160 G機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件和試驗(yàn)程序[19]。

另外,對(duì)于設(shè)備級(jí)的間接效應(yīng)試驗(yàn),還可參考MIL-STD-461G[20]中的CS117試驗(yàn)方法。

針對(duì)地面車輛沒(méi)有明確試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,本研究在GJB 8848地面系統(tǒng)雷電試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,參考飛機(jī)雷電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及方法,基于地面車輛的特點(diǎn),整理了適用的雷電試驗(yàn)方法,包括直接效應(yīng)試驗(yàn)方法和間接效應(yīng)試驗(yàn)方法。

2 雷電直接效應(yīng)試驗(yàn)方法

2.1 縮比模型分區(qū)試驗(yàn)

筆者參考ARP5416中的飛機(jī)模型的附著點(diǎn)試驗(yàn)方法及國(guó)外此類試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[21],用于確定車輛遭遇雷擊時(shí)可能的附著點(diǎn)位置,并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行雷擊區(qū)域劃分。盡管縮比模型尖端處的局部曲率半徑和局部電場(chǎng)強(qiáng)度與全尺寸裝備上的不一樣,但各尖端在模型上與在全尺寸裝備上的相對(duì)尺寸是相似的,因此縮比模型測(cè)試結(jié)果能可靠地預(yù)測(cè)了裝備上產(chǎn)生雷電先導(dǎo)的位置。本試驗(yàn)一般針對(duì)尺寸較大,外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車,一般小型車輛或者外形規(guī)則平整的車開(kāi)展本試驗(yàn)的必要性不大。

試驗(yàn)件為精確縮比模型,最大尺寸不小于1 m,且外表面應(yīng)為導(dǎo)電表面(金屬或金屬涂層),即使實(shí)際車輛的某些表面是由非導(dǎo)電材料制成的,在模型上也都處理為導(dǎo)電表面。這樣處理的主要是因?yàn)閲?yán)格按照實(shí)際材料來(lái)加工縮比模型的成本太高,且對(duì)分區(qū)結(jié)果影響不大。如果試驗(yàn)件有多種可能影響到雷電附著的狀態(tài)(比如發(fā)射架豎起),應(yīng)在試驗(yàn)件上能夠體現(xiàn)。

典型試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 縮比模型分區(qū)試驗(yàn)布置Fig.1 Scaled model zoning test setup

由于地面車輛遭遇的放電為云地放電,放電電極使用棒電極,不需要使用平板電極。試驗(yàn)放電位置要覆蓋所有可能的雷電先導(dǎo)方向,通常通過(guò)調(diào)整電極位置實(shí)現(xiàn)。

本試驗(yàn)使用的波形為快速上升的電壓波形,圖2為GJB 1389A中規(guī)定的電壓波形,其中的左圖即為本試驗(yàn)使用的波形,該波形在GJB 3567[16]中為電壓波形A。

圖2 GJB 1389A中規(guī)定的電壓波形

試驗(yàn)中通過(guò)延時(shí)曝光拍照的方式記錄放電電弧路徑,從多個(gè)方位的照片上可以準(zhǔn)確辨識(shí)出電弧的附著點(diǎn)位置。根據(jù)試驗(yàn)得到的所有附著位置可確定LPZ0A、LPZ0B區(qū)域,車輛內(nèi)部區(qū)域可確定為L(zhǎng)PZ1,如有需要,可進(jìn)一步劃分LPZ2區(qū)等。

2.2 高電壓附著試驗(yàn)

參考ARP5416中初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)方法,用于確定全尺寸部件或設(shè)備的雷擊附著位置及可能的擊穿路徑[22],通常適用于可能遭受直接雷擊且沒(méi)有避雷針?lè)雷o(hù)的設(shè)備(如位置較高的雷達(dá)天線罩、帶玻璃鋼罩的桿天線、鞭狀天線、凸出的任務(wù)裝置等)。

典型試驗(yàn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 高電壓附著試驗(yàn)布置Fig.3 High voltage attachment test setup

試驗(yàn)件應(yīng)為全尺寸產(chǎn)品或典型樣件。同縮比模型分區(qū)試驗(yàn)一樣,放電電極使用棒電極,不需要使用平板電極。試驗(yàn)放電位置要覆蓋所有可能的雷電先導(dǎo)方向。試驗(yàn)波形為電壓波形A。

試驗(yàn)中通過(guò)延時(shí)曝光拍照的方式記錄放電電弧路徑,從多個(gè)方位的照片上可以辨識(shí)出電弧的附著點(diǎn)位置及絕緣擊穿位置。

2.3 大電流試驗(yàn)

大電流試驗(yàn)可視作雷電電流物理?yè)p傷試驗(yàn),在飛機(jī)的雷電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中,大電流試驗(yàn)分為電弧引入試驗(yàn)和電流傳導(dǎo)試驗(yàn)兩種,電弧引入試驗(yàn)適用于可能遭受雷電直接附著的結(jié)構(gòu)和設(shè)備(如避雷針),電流傳導(dǎo)試驗(yàn)適用于不會(huì)被雷電附著,但需要傳導(dǎo)雷電流的結(jié)構(gòu)和設(shè)備(如引下線、匯流條)。

電弧引入試驗(yàn)典型試驗(yàn)布置見(jiàn)圖4,電流傳導(dǎo)典型布置見(jiàn)圖5,兩種方式的區(qū)別在于電弧引入試驗(yàn)放電電極與放電位置有一定間隙,而電流傳導(dǎo)試驗(yàn)中電流輸出是直接連接到試驗(yàn)件放電位置。

圖4 電弧引入試驗(yàn)布置Fig.4 Arc entry test setup

圖5 電流傳導(dǎo)試驗(yàn)布置Fig.5 Conducted current test setup

電流注入位置為有代表性的雷電附著點(diǎn)。圖 為GJB 1389A中規(guī)定的雷電流分量,地面車輛與飛機(jī)不同,不存在只承受部分分量的區(qū)域,因此電流試驗(yàn)時(shí)施加A、B、C、D分量,且應(yīng)連續(xù)施加,以模擬真實(shí)的嚴(yán)重雷擊情況。

試驗(yàn)時(shí),應(yīng)使流過(guò)試驗(yàn)件的電流滿足圖6的要求,試驗(yàn)后通過(guò)目視方法檢查損傷情況,如有必要,可通過(guò)無(wú)損探傷或剩余強(qiáng)度測(cè)試等方法確認(rèn)損傷程度。

圖6 GJB 1389A中規(guī)定的電流分量Fig.6 Current components in GJB 1389A

圖7 整車?yán)纂婇g接效應(yīng)試驗(yàn)布置(直接雷擊)Fig.7 Lightning indirect effect test setup of vehicle

3 雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)方法

3.1 整車?yán)纂婇g接效應(yīng)試驗(yàn)

GJB 8848中提供的脈沖注入等級(jí)(即間接效應(yīng)試驗(yàn)等級(jí))包括A、B、C、D共4類,其電平與RTCA/DO-160G中的機(jī)載設(shè)備間接效應(yīng)試驗(yàn)等級(jí)2～等級(jí)5接近,這些電平來(lái)源于飛機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)[23-24]。地面車輛在雷擊時(shí)的實(shí)際感應(yīng)瞬態(tài)電平與飛機(jī)明顯是有較大差別的,因此要做到合理有效的防護(hù),首先應(yīng)該實(shí)際測(cè)量不同車輛的雷電感應(yīng)瞬態(tài)電平。

整車?yán)纂婇g接效應(yīng)試驗(yàn)方法是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬雷電流通道(可分為車輛遭遇直接雷擊或者鄰近雷擊),測(cè)量車載設(shè)備電纜及端口上的感應(yīng)電平,測(cè)得的感應(yīng)電平既可以作為車載設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù),也可以與車載設(shè)備的防護(hù)能力進(jìn)行比較,評(píng)估其防護(hù)能力是否滿足要求。

本試驗(yàn)的試驗(yàn)件應(yīng)為完整狀態(tài)的車輛,或至少包含典型的設(shè)備及電纜。

在飛機(jī)的整機(jī)間接效應(yīng)試驗(yàn)中,為了機(jī)身電流分布盡量接近空中遭雷擊時(shí)的狀態(tài),需要架設(shè)同軸回線以避免接地回線對(duì)機(jī)身電流分布的影響[25-26]。而地面車輛本身就是在地面,不需要架設(shè)同軸接地回線,但考慮到不同接地位置對(duì)電纜感應(yīng)的影響,應(yīng)該在多種接地狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試,以獲得最大的感應(yīng)電平。

為了不對(duì)車輛和設(shè)備造成損傷,試驗(yàn)施加的電流分量A(地面設(shè)備不包含分量H),幅值一般為1 kA～10 kA,測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性外推以獲得全幅值下的感應(yīng)電平。

需要測(cè)量的典型信號(hào)包括:芯線與屏蔽層開(kāi)路電壓、芯線短路電流、屏蔽層電流等。正式測(cè)量前,應(yīng)確認(rèn)測(cè)量系統(tǒng)和環(huán)境的背景噪聲,尤其是雷電流放電對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。

國(guó)外有些實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)展過(guò)全幅值的整機(jī)雷電試驗(yàn)[26-27],但由于對(duì)試驗(yàn)件損傷較大、試驗(yàn)成本高且有替代方法[28]等原因,標(biāo)準(zhǔn)并不推薦。小型車輛相對(duì)飛機(jī)而言尺寸較小,如果需要對(duì)整車進(jìn)行雷電綜合效應(yīng)的考核,也可以考慮對(duì)整車施加全幅值雷電流。

3.2 直接效應(yīng)引起的間接效應(yīng)測(cè)量

適用于LPZ0A、LPZ0B區(qū)域的設(shè)備,以確定因雷擊而在設(shè)備內(nèi)部電路及線纜上感應(yīng)的電壓與電流。本試驗(yàn)方法跟“4.1 整車?yán)纂婇g接效應(yīng)試驗(yàn)”類似,只是針對(duì)的對(duì)象不同。

試驗(yàn)布置分兩種情況,圖8(a)適用于LPZ0B區(qū)域雷電流不流過(guò)自身的的外部安裝設(shè)備,圖8(b)適用于LPZ0A區(qū)域流過(guò)雷電流的外部安裝設(shè)備。

圖8 直接效應(yīng)引起的間接效應(yīng)測(cè)量試驗(yàn)Fig.8 Indirect effect caused by direct strike measurement test setup

試驗(yàn)施加的波形為電流分量A,幅值通常不超過(guò)50 kA。本試驗(yàn)也可結(jié)合電弧引入試驗(yàn)和電流傳導(dǎo)試驗(yàn)來(lái)完成。

3.3 雷電脈沖電磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)

雷電未擊中車輛而是落在附近時(shí),雷電脈沖電磁場(chǎng)對(duì)車輛也會(huì)產(chǎn)生間接效應(yīng)影響[29],雷電脈沖電磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)就是為了驗(yàn)證這些效應(yīng)。GJB 1389A中給出了10 m處鄰近雷擊的電磁場(chǎng),見(jiàn)表3。GJB 8848中給出了10 m外的雷電電磁場(chǎng),見(jiàn)表4。GJB 8848也規(guī)定了脈沖電磁場(chǎng)試驗(yàn)方法,脈沖電場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)和脈沖磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)是分開(kāi)進(jìn)行的,分別見(jiàn)圖9和圖10。綜合GJB 1389A和GJB 8848給出的方法與電磁場(chǎng)數(shù)據(jù),在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)存在以下缺陷:

圖9 脈沖磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)Fig.9 Impulse magnetic field effect test

圖10 脈沖電場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)Fig.10 Impulse electric field effect test

表3 來(lái)自鄰近雷擊(云對(duì)地)的電磁場(chǎng)Table 3 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG)

表4 來(lái)自鄰近雷擊(云對(duì)地)的電磁場(chǎng)(R>10 m)Table 4 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG, R>10 m)

1)沒(méi)有給出10 m以內(nèi)的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2)脈沖磁場(chǎng)試驗(yàn)中磁場(chǎng)環(huán)和脈沖電場(chǎng)試驗(yàn)中平板電極的尺寸限制,無(wú)法對(duì)較大尺寸的試驗(yàn)件開(kāi)展試驗(yàn)。

3)脈沖磁場(chǎng)和脈沖電場(chǎng)分開(kāi)試驗(yàn)與真實(shí)情況不一致,導(dǎo)致產(chǎn)生的效應(yīng)與實(shí)際不符。

4)GJB 8848中規(guī)定的脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度是雷電通道產(chǎn)生的,脈沖電場(chǎng)試驗(yàn)中,平板電極無(wú)論是否產(chǎn)生擊穿,都不能產(chǎn)生3 000 kV/m左右的電場(chǎng)。

基于上述原因,建議采用如圖11所示的試驗(yàn)方法,電流發(fā)生器產(chǎn)生雷電流波形流過(guò)導(dǎo)體以模擬雷電通道,產(chǎn)生脈沖電磁場(chǎng),將被試車輛放置于通道附近(距離可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定),監(jiān)測(cè)雷擊發(fā)生時(shí)及發(fā)生后車載系統(tǒng)或設(shè)備的狀態(tài)。該試驗(yàn)方法可以彌補(bǔ)上述4條缺陷,盡管地面及場(chǎng)地會(huì)影響電磁場(chǎng)分布,仍然可以更好地達(dá)到驗(yàn)證雷電脈沖電磁場(chǎng)對(duì)車輛產(chǎn)生的效應(yīng)的目的。

圖11 建議的脈沖電磁場(chǎng)試驗(yàn)布置Fig.11 Proposed electromagnetic field effect test setup

試驗(yàn)中應(yīng)監(jiān)測(cè)雷電流在車輛位置產(chǎn)生的脈沖電場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)強(qiáng)度,車載系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)正常工作,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)測(cè)以及試驗(yàn)后的性能檢查來(lái)判斷是否造成干擾或損傷。

3.4 雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)

雷電脈沖電磁場(chǎng)效應(yīng)試驗(yàn)和雷電感應(yīng)瞬態(tài)敏感度試驗(yàn)都是考核驗(yàn)證被試件的間接效應(yīng)防護(hù)能力,不同之處在于前者是以場(chǎng)的方式施加干擾,而后者是以端口注入或線纜耦合的方式施加干擾。

GJB 8848中規(guī)定的耦合注入方法為對(duì)地注入法,見(jiàn)圖12,將瞬態(tài)脈沖信號(hào)注入到殼體與地之間,這種方法的好處是可以將瞬態(tài)信號(hào)同時(shí)施加到多根互連電纜上,達(dá)到同時(shí)考核系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)設(shè)備的目的,但存在的缺陷是:

圖12 GJB 8848中規(guī)定的耦合注入方法Fig.12 Ground injection method in GJB 8848

1)由于各電纜及設(shè)備的阻抗不同,導(dǎo)致各電纜上的瞬態(tài)信號(hào)電平可能有較大差別,出現(xiàn)考核強(qiáng)度不一致的情況[30]。

2)由于瞬態(tài)電流分流到多根電纜,相當(dāng)于發(fā)生器的輸出負(fù)載大大增加,對(duì)于高等級(jí)(類別C、D)試驗(yàn),現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法滿足要求。

基于上述原因,對(duì)于高等級(jí)試驗(yàn),可以按照RTCA/DO-160或者M(jìn)IL-STD-461G中CS117的電纜束耦合注入方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)布置見(jiàn)圖13,瞬態(tài)信號(hào)施加到單根電纜束上。試驗(yàn)中車載系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)正常工作,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的監(jiān)測(cè)以及試驗(yàn)后的性能檢查來(lái)判斷是否造成干擾或損傷。另外,對(duì)于非常重要的設(shè)備,應(yīng)考慮按照RTCA/DO-160中的插針注入方法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖13 電纜束耦合注入法Fig.13 Bundle injection test setup

4 結(jié)論

上述試驗(yàn)方法包括了軍用地面車輛可能用到的各種直接效應(yīng)及間接效應(yīng)試驗(yàn)方法,融合了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流標(biāo)準(zhǔn),這些方法在其他領(lǐng)域的裝備研究中有應(yīng)用,方法的可行性已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,但應(yīng)用于軍用地面車輛時(shí)不能簡(jiǎn)單照搬。研究了試驗(yàn)方法對(duì)軍用地面車輛的適用性,基于軍用地面車輛的特點(diǎn)及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)提出了改進(jìn)方法?？捎糜诟鞣N軍用車輛的試驗(yàn)研究與考核鑒定,也可供后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)編制參考。