雷電環(huán)境下的機載線纜耦合電磁效應(yīng)研究

【關(guān)鍵詞】雷電環(huán)境；耦合電磁效應(yīng)；模擬分析；多導(dǎo)體傳輸方程

引言

飛機是現(xiàn)代社會較為常見的運輸設(shè)備，具有移動速度快、效率高等特點，常被應(yīng)用到遠(yuǎn)距離運輸當(dāng)中。然而，大量實踐表明，飛機在高空飛行時很容易出現(xiàn)雷擊事故，據(jù)不完全統(tǒng)計，近二十余年的時間里，世界各地共出現(xiàn)了數(shù)十起飛機雷擊事故，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更有數(shù)百人因為飛機事故而喪生。飛機被雷擊后，可能受到多方面因素的影響，如磁力效應(yīng)、耦合電磁效應(yīng)、附著點熔融等。其中，耦合電磁效應(yīng)是較為重要的影響因素，會直接影響飛機內(nèi)部線纜信號的傳輸，不利于飛機穩(wěn)定飛行。為此，設(shè)計人員應(yīng)針對飛機在雷電環(huán)境下的耦合電磁效應(yīng)特點，制定出合理的內(nèi)部線纜防護(hù)策略。為此，本文以“雷電環(huán)境下機載線纜耦合電磁效應(yīng)研究”為課題進(jìn)行了研究，以期進(jìn)一步提高飛機飛行穩(wěn)定性與安全性。

一、多導(dǎo)體傳輸方程

在飛機內(nèi)部布置大量的線纜使得飛機在飛行過程中存在明顯的傳輸線效應(yīng)，從而對飛機安全飛行造成一定干擾。因此，分析飛機線纜耦合電磁效應(yīng)，應(yīng)采用多導(dǎo)體傳輸方程，確定各線纜上的電壓電流分布情況，為電磁干擾策略的制定提供支持。由麥克斯韋第二方程可知，電場強度E沿任意閉合曲線的線積分等于穿過該閉合曲線所圍面積的磁通量對時間的變化率的負(fù)值，即[1]：

在式（1）中，Et表示同時與導(dǎo)線與磁場方向保持垂直的電場；El表示與導(dǎo)線方向保持平行的電場，a、a′、b、b′均表示電磁場中不同的點，具體如圖1所示。

根據(jù)電磁場特點的不同，研究將其劃分成兩種類型：一種為入射場，記作Einc；另一種為散射場，記作Escat。兩者之和即為總場。假設(shè)在一個多導(dǎo)體線纜構(gòu)成的電磁場當(dāng)中，電流順著z軸的正方向流動。這時散射場則位于橫截面上，其與電流、電感的關(guān)系為：

在式（2）中，ll、li、ln均表示磁場的單位長度；Il（z，t）、Ii（z，t）、In（z，t）表示單位長度磁場對應(yīng)的電流；Hscat表示散射場的電感；μ表示磁導(dǎo)率；Δz表示線纜單位的長度阻抗。

縱電場會受到總場與導(dǎo)線電流的影響，其關(guān)系可以表示為：

在式（3）（4）中，Ik（z，t）表示總場的電流；r、ri表示對應(yīng)總場與導(dǎo)線的截面積。

將上述方程綜合到一起，即可獲得第一個多導(dǎo)體傳輸線方程，表達(dá)式為[2]：

在式（5）中，Etinc表示入射場的縱電場；R表示線纜的單位電阻值。

式（5）的計算雖然可以推導(dǎo)出線纜上的電流電壓分布情況，但可能導(dǎo)致部分電流或電壓值丟失，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，研究構(gòu)建第二個多導(dǎo)體傳輸線方程，以提高計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

假設(shè)在第i根線纜當(dāng)中存在1個閉合表面（如圖2所示），由此可推導(dǎo)出該線纜中的電流連續(xù)性，表達(dá)式為：

然后以此為基礎(chǔ)，研究按照與第一個方程相同的原理，推導(dǎo)出第二個多導(dǎo)體傳輸線方程，表達(dá)式為：

在式（7）中，L為線纜上的單位長度電感，μ為磁導(dǎo)率，Hinc為入射磁場。

將式（5）與式（7）整合到一起，即可得到最終的多導(dǎo)體傳輸線方程，表達(dá)式為：

二、飛機內(nèi)部線纜建模

飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且線纜數(shù)量相對較多，其中，大多數(shù)線纜位于設(shè)備艙中。為了降低研究難度，本次研究僅選擇設(shè)備艙中的線纜進(jìn)行模擬分析，同時忽略設(shè)備艙內(nèi)電子設(shè)備對線纜的影響。在線纜鋪設(shè)方面，有平鋪模式的，也有豎直與其他模式，研究選擇將全部線纜假設(shè)為平鋪模式?，F(xiàn)代飛機定期系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程，通常采納三種規(guī)格的線纜，具體為LIFY_0qmm50單線纜、RG58同軸線以及UTP LTFY 1 qmm雙絞線，每種線纜的長度均被標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定為20米[3]。此外，相鄰兩條線纜的間距被精確控制為0.1米[3]。研究為了進(jìn)一步分析這些線纜在飛機系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，將飛機及線纜的相關(guān)參數(shù)錄入到CST Cable Studio軟件內(nèi)，隨后通過該軟件的場路仿真分析功能，構(gòu)建了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型。

在模型構(gòu)建的過程中，研究還特別關(guān)注了線纜的接地保護(hù)設(shè)計：具體而言，在單線纜與同軸線纜上，分別連接了一個50 Ω的電阻，并將其接入大地，以確保這些線纜具備良好的接地保護(hù)性能；對于雙絞線則采取了不同策略，在每條雙絞線上分別連接了一個100 Ω的電阻，并且在這些電阻之間實現(xiàn)相互連接，以滿足特定的電氣性能要求；此外，在每條單相的一端，均安裝了一個探針，用于采集每條線纜運行過程中的電壓與電流情況。具體如圖3所示。

模擬分析過程針對飛機穿越雷電環(huán)境時的實際情況，向模型中施加一束平面波，持續(xù)時間設(shè)置為100μs，上升沿時間設(shè)置為1.54μs，下降沿時間設(shè)置成88.07μs。

三、模擬結(jié)果分析

（一）線纜類型對線纜耦合電磁效應(yīng)的影響

以圖3所示模型為基礎(chǔ)，研究在平面波條件下，模擬分析了不同線纜條件下線纜耦合電磁效應(yīng)變化情況，以此得到如圖4所示結(jié)果。由圖4可知，不同類型線纜上產(chǎn)生的耦合電磁效應(yīng)變化存在較大差異，其中，在耦合電壓方面，單線纜的峰值最高，約為21 kV；其次為雙絞線纜，峰值約為18 kV；而同軸線纜峰值最低，僅有370 V左右。這是因為在同軸線纜生產(chǎn)時，會通過聚乙烯（Polyethylene，PE）材料構(gòu)建出一層屏蔽層。當(dāng)耦合電壓穿越線纜時，PE材料會對耦合電壓起到一定抑制作用，從而降低同軸線纜中的耦合電壓水平[4]。而雙絞線纜周邊可產(chǎn)生高頻電壓，導(dǎo)致線纜上的耦合電壓處于較高水平，因而該類型線纜為低頻線纜。

在耦合電流方面，單線纜峰值最高，其次為雙絞線纜，最后為同軸線纜，其中，同軸線纜與雙絞線纜的耦合電流相差不大，基本可以忽略不計。以上數(shù)據(jù)綜合表明，飛機被雷擊后，在電磁脈沖的作用下，線纜會出現(xiàn)一定的耦合電壓與電流，從而對飛機線纜正常運行造成干擾，其中，單線纜受到的干擾最為嚴(yán)重，其次為雙絞線纜，受干擾最小的為同軸線纜。因此，設(shè)計當(dāng)中應(yīng)盡量采用同軸線纜；若需要采用雙絞線纜，則應(yīng)在其表面布置一層屏蔽層，以抑制線纜上的耦合電壓水平。

（二）線纜長度對線纜耦合電磁效應(yīng)的影響

實際經(jīng)驗顯示，線纜長度的不同也可能對線纜耦合電磁效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。因此，研究設(shè)計了10 m與15 m這2種不同的線纜長度方案，并以此為基礎(chǔ)選擇相同材質(zhì)制成的單線纜作為研究對象，模擬分析不同長度電纜條件下線纜耦合電磁特性的變化情況，在耦合電壓方面，線纜越長，耦合電壓峰值越大。當(dāng)線纜長度為15 m時，峰值約為29，536 V，而線纜長度為10 m時，峰值在27，522 V左右。耦合電流方面，變化情況與耦合電壓基本相同，均呈現(xiàn)出線纜越長耦合電流峰值越大的特點，其中，當(dāng)線纜長度為15 m時，耦合電流約為620 A，而線纜長度為10 m時，耦合電流只有451 A。以上結(jié)果表明，為了降低線纜產(chǎn)生的耦合電壓與耦合電流，設(shè)計人員需要盡量縮短線纜長度。

（三）平面波入射方向?qū)€纜耦合電磁效應(yīng)的影響

在雷電環(huán)境下，飛機與雷電之間可能出現(xiàn)水平、垂直與傾斜三種情況。針對這三種不同的情況，研究共設(shè)計了3種不同的平面波入射方向，分別為與飛機保持平行、與飛機保持垂直及飛機與平面波保持45°夾角；然后以此為基礎(chǔ)，在長度為15 m的單線纜條件下，模擬分析了線纜耦合電磁效應(yīng)的變化情況。在耦合電壓方面，當(dāng)平面波與飛機保持平行時，峰值最高，約為587 kV；其次為平面波與飛機保持45°夾角時，峰值約為215 kV；而平面波與飛機保持垂直時最低，峰值僅有23kV左右。在耦合電流方面，平面波與飛機保持平行時，峰值最高，約為2.30 kA；其次為平面波與飛機保持45°夾角時，峰值約為1.26 kA；而平面波與飛機保持垂直時最低，峰值僅有0.44 kA左右。綜合表明，當(dāng)飛機與平面波保持平行時，雷電產(chǎn)生的耦合電壓與耦合電流最高；而飛機與平面波保持垂直時最小。因此，在雷電環(huán)境當(dāng)中，為了降低雷電對飛機線纜的影響，駕駛員需要盡量將飛機與雷電之間保持較大的夾角。

四、基于模擬分析結(jié)果的雷電防護(hù)措施

本次研究針對上述模擬分析結(jié)果，結(jié)合飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點，分別制定出了不同類型機載電纜的雷電防護(hù)措施。

（一）電源線防護(hù)

飛機內(nèi)部存在大量的電源線纜，分別為用于大功率電器與小型電子設(shè)備連接的線纜。這些線纜通常具有較長的長度，因而很難在線纜表面布置屏蔽層。針對這一情況，設(shè)計人員應(yīng)選擇雙絞線作為電源線，通過利用雙絞線扭絞的特點抑制雷電對線纜運行造成的干擾。

（二）控制線防護(hù)

所謂的控制線，指的是飛機電氣設(shè)備之間各種控制信號傳輸?shù)木€纜。這類線路長度通常較短，設(shè)計人員選擇屏蔽與濾波的方式進(jìn)行防護(hù)即可。其中，屏蔽主要是在線纜外部鋪設(shè)一層導(dǎo)電布或?qū)щ娕菽炔牧?，用于線纜與外部雷電場的阻隔，從而控制線纜內(nèi)的磁場水平。濾波是在線纜適當(dāng)位置處安裝一個濾波器，當(dāng)電流在線纜中流通時，自動將其中的耦合信號去除，從而達(dá)到抑制線纜耦合電磁干擾的效果[5]。

（三）隔離線防護(hù)

隔離線作為機載天線上用于傳輸電能的線纜，在設(shè)計時通常選擇同軸線。而為了最大程度降低雷電對飛機線纜的影響，設(shè)計人員還應(yīng)注重線纜的布置，即盡量將線纜布置到磁場較弱的區(qū)域。有研究表明，飛機內(nèi)部磁場強度與其表面形狀具有緊密聯(lián)系：其中，表面越陡峭，產(chǎn)生的磁場強度越高；反之，表面越平整，產(chǎn)生的磁場強度越弱。所以，實際布置應(yīng)盡量將線纜布置到表面平整的區(qū)域，即遠(yuǎn)離蒙皮區(qū)域。

五、應(yīng)用分析

本次研究利用實物飛機模型作為研究對象，并按照上述方案對飛機線纜進(jìn)行了雷電防護(hù)。隨后，在人工模擬的雷電環(huán)境中，研究對該飛機模型進(jìn)行了100次反復(fù)飛行實驗，并對模型出現(xiàn)故障的次數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計。與此同時，研究還選擇了一架未進(jìn)行雷電防護(hù)處理的飛機模型作為對照，通過兩架飛機模型出現(xiàn)故障次數(shù)的對比，評估上述雷電防護(hù)策略的實際應(yīng)用效果。應(yīng)用分析結(jié)果顯示，在未采用雷電防護(hù)策略的情況下，飛機模型共遭遇了5次雷擊事故，事故發(fā)生率為5%；而在采用雷電防護(hù)策略后，飛機模型只出現(xiàn)了1次雷擊事故，事故發(fā)生率為1%，明顯低于未采用雷電防護(hù)策略時的概率。實驗數(shù)據(jù)充分表明了上述雷電防護(hù)策略的合理性及有效性——該雷電防護(hù)策略的應(yīng)用，能夠顯著抑制飛機內(nèi)部線纜上耦合電磁效應(yīng)的發(fā)生，從而有利于飛機的安全穩(wěn)定飛行。

結(jié)語

飛機在雷電環(huán)境中飛行時，很容易受到雷電因素的影響而出現(xiàn)線纜耦合電磁效應(yīng)，增加飛機飛行的危險性。在機載線纜設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)從線纜類型、長度、雷電波與飛機的角度等因素出發(fā)，制定出合理的雷電防護(hù)方案，降低飛機飛行的危險，保護(hù)人民的生命財產(chǎn)安全：具體而言，電源線和控制線采用雙絞線，在線纜外部布置一層屏蔽層，并在適當(dāng)位置處安裝濾波器；隔離線采用同軸線；同時，線纜應(yīng)遠(yuǎn)離蒙皮等表面較為陡峭的區(qū)域。研究結(jié)果表明，上述雷電防護(hù)策略可顯著抑制機載線纜耦合電磁效應(yīng)，這對提高飛機飛行安全性與穩(wěn)定性具有重要意義。