李秋良, 司晓亮, 李志宝, 段泽民*
(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院, 合肥 230009; 2.飞机雷电防护安徽省重点实验室, 合肥 230031;3.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室, 合肥 230031)
据统计,一架固定航线的飞机,平均每年会遭遇一次雷击,雷击对飞机的飞行安全会产生巨大威胁[1-2]。由于飞机的安全越来越依赖电子设备,而复合材料的大量应用使得飞机电磁屏蔽效能降低,导致飞机更容易遭雷击损坏[3-4]。机载天线罩作为飞机的护目镜,以保护飞机内部脆弱的天线不受恶劣环境的影响。在设计天线罩时,主要考虑的是机械强度、热应力、重量以及雷达电磁波的传输性能,这些因素与高介电强度和雷击防护能力不完全兼容。因此,雷电分流条被设计出来用于天线罩的雷电防护,而雷电分流条的设计在满足防雷需求的同时还要对天线性能影响较小[5]。常用的雷电分流条有金属分流条、纽扣式分流条等。
国外对机载天线罩雷电防护做了大量研究,文献[6]研究了金属分流条和纽扣式分流条对不同天线罩壁试样性能的影响,采用不同的高压波形和具有代表性的大电流脉冲对防雷措施的有效性进行了测试;文献[7]建立天线罩内放电发展过程的机制模型,揭示了在使用金属和纽扣分流条防护时,天线罩模型中放电形成的特点;文献[8]探讨了利用三维建模来探索雷电防护方案的有效性。中国在天线罩雷电防护方面也开展了相关研究。文献[9]比较不同分流条的优缺点,并对不同类型金属分流条进行了雷电防护设计试验;文献[10]利用经验公式和路径比较两种方法来设计布局分流条,并通过试验验证其可行性;文献[11]对Z11直升机天线罩进行雷电仿真,通过试验优化分流条结构和几何尺寸来提高天线罩系统的防雷效果;文献[12-13]通过仿真方法探究了飞机天线罩的相对介电常数、分流条长度和数量对罩体感应电场强度的影响趋势。目前,国内外研究学者主要针对传统分流条开展飞机天线罩的雷电防护研究,有关金属氧化物分流条在飞机表面布局方法的研究报道较少,缺少金属氧化物分流条雷电防护的指导性原则和方法。
现依据标准[14-15]中规定的雷电波形以及天线罩雷电防护试验标准,首先,对金属氧化物分流条的击穿电压开展试验研究;然后,对某型机载天线罩进行雷电附着试验,研究分流条布局对天线罩雷电防护的影响;最后,基于有限元软件静电场仿真建模,比较不同布局下天线周围的感应电场,分析其雷电防护效果,验证了试验的有效性。研究结果对天线罩雷电防护设计具有重要的参考价值。
1.1 雷电分流条
金属分流条通常应用于商用飞机的雷达罩,能够有效地屏蔽天线外部电场,同时降低了天线上流注-先导转换的概率。但是金属分流条相对较重,对天线透波影响较大。纽扣式分流条对天线透波影响较小,但是击穿特性和透波特性受金属片段几何形状的影响较大。金属氧化物分流条重量最轻,对天线透波影响最小。因此,对重量和天线透波有较高要求的防雷系统,可选金属氧化物分流条,其实物如图1所示。
图1 金属氧化物分流条Fig.1 Metal oxide diverter strip
金属氧化物分流条相对于金属分流条电磁波透明、重量轻、空气动力阻力小、能承受重复雷击以及安装维护方便等优点。在正常情况下,金属氧化物颗粒间存在微小间隙,使分流条处于绝缘状态;当在雷电环境下时,由于雷电高压电场的作用,金属氧化物颗粒之间的小距离形成一系列的火花间隙;当电压达到一定值后,将整个间隙电离,从而将颗粒上方的空气变成等离子体,雷电的电压很大,可以将分流条上的间隙全部电离,形成一个个独立的等离子体区域;在雷电的作用下,这些等离子体区域继续发展,相互连接,最后在分流条上方形成一条明亮的等离子体弧道。由于该通道具有很高的导电性,进而可以导走雷电能量,通过引下线连接到金属机身释放,使雷达和天线罩得到保护。分流条导走雷电能量后,其自身特性基本不变,可承受多次雷电冲击。安装示意图如图2所示。
图2 金属氧化物分流条安装示意图Fig.2 Schematic diagram of metal oxide diverter strip installation
1.2 金属氧化物分流条击穿电压
为获得金属氧化物分流条的击穿特性,对不同长度分流条进行击穿试验。试验采用雷电压A波和D波其电压波形如图3所示。
图3 电压波形Fig.3 Voltage waveform
试验布置如图4所示,对不同长度分流条进行击穿试验,给高压电极加上电压,按2 kV为梯度逐渐加压,直到分流条击穿,取该值为击穿电压。不同电压波形下分流条击穿电压随长度变化如图5所示,金属氧化物分流条击穿电压与电压变化率成正比,雷电压A波击穿电压大于D波。长度在20～100 cm区间内,A、D波平均击穿电压分别为0.46、0.42 kV/cm;在100～200 cm区间内,A、D波平均击穿电压分别为0.17、0.14 kV/cm;图6为不同波形电压击穿图。
图4 高压击穿试验设置方案Fig.4 Setting scheme of high voltage breakdown test
图5 金属氧化物分流条击穿电压随长度变化Fig.5 Breakdown voltage of metal oxide diverter strip varies with length
图6 分流条击穿前与击穿时Fig.6 Before and during breakdown of diverter strip
2.1 试验方法
基于某型飞机天线罩雷电防护,该天线罩位于飞机机头,属于雷电1A区。
目前国际上关于飞机雷电附着点的研究主要是飞机雷电标准中的雷电压波形A和D,按照SAE ARP5416标准,对天线罩进行全尺寸雷电附着试验。根据冲击电压回路的相关电路原理,建立了雷电压波形A和D的雷电试验环境。对某型飞机天线罩进行了雷电压试验,图7为构建的雷电压附着试验平台原理示意图。
图7 雷电压试验平台原理示意图Fig.7 Schematic diagram of lightning voltage test platform
2.2 试验结果分析
在安装分流条之前,通过经验公式对其数量进行确认。根据经验公式,分流条最大间距满足关系式
(1)
式(1)中:Dmax为分流条的最大间隔;T为天线罩厚度;k为表面光滑系数,一般取1;S为安全因子。试验天线罩参数选取为:T=8 mm,S=1.12,k=1,由式(1)得Dmax=343.45 mm。
(1)根据上述最大间距进行初步设计,在天线罩表面安装6根金属氧化物分流条,分流条长度为250 mm,宽度为13 mm,在天线罩底部用螺栓固定,使分流条与集流环连接,通过搭铁线使集流环与机体连接,为导走雷电流提供低电阻通道。
根据GJB 3567—99标准,对初始设计进行雷电附着试验,发现天线罩穿孔,如图8所示。此次试验结果不满足防护要求,试验终止。经过分析,出现穿孔的原因是因为分流条不能完全覆盖天线,无法给天线罩提供充分的保护。
图8 天线罩在正极性D波下穿孔Fig.8 The radome perforates in positive D wave
(2)在第一次的基础上对分流条布局进行改进,增加分流条长度至300 mm,宽度不变。根据试验标准,对改进布局后的样件进行第二次试验。从试验中可观察到雷电全部附着在分流条上,对天线罩进行检查,并未发现穿孔或分层,满足雷电防护要求。为了更好地验证防雷系统的可靠性,还需考虑天线偏转对分流条布局的影响。
(3)在第二次改进设计的基础上,以圆盘天线中心建立空间坐标系,如图9所示,选定水平面为基准,沿角度φ方向调整天线偏转角,d1为天线距罩壁的最大距离,d2为天线距罩壁的最小距离;旋转天线,使其偏转到离罩壁最近的位置,根据试验要求,对天线罩进行第三次试验。在试验中,依然在天线罩罩壁上出现了穿孔,试验终止。
图9 对天线建立空间坐标系Fig.9 Establish a spatial coordinate system for the antenna
经过分析,造成天线罩穿孔的主要原因是:天线的偏转导致分流条不能完全地遮蔽运动的天线;天线的偏转导致天线与罩壁的间隙变小,使得天线罩击穿强度下降。针对上述问题,对分流条的布局进行优化。
将分流条1#和4#延长至天线罩顶部相对接,优化后的试验布局和分区如图10所示。
图10 优化后的布局和天线罩试验分区Fig.10 Optimized layout and radome test partition
确定好最后的布局,按照试验大纲要求对天线罩进行第四次雷电附着试验。对于天线罩和天线的各种状态进行试验过程中,雷电全部都附着在分流条上面,天线罩上面没有出现穿孔或结构分层,试验结果符合天线罩雷电防护要求。图11为典型的试验放电图。
图11 雷电附着天线罩试验图Fig.11 Test diagram of lightning attachment radome
3.1 有限元模型
雷电附着试验处于低频状态,试验设备的尺寸远小于电磁波的波长,内部电场和磁场的耦合非常弱,将其看作电准静态场[16]。
参照文献[14-15]试验要求,利用有限元仿真软件建立天线罩仿真模型,搭建棒-板电极放电模型,模拟飞机遭遇雷击时的雷电环境,文献[12-13]基于雷电对天线罩机理,通过大量试验和仿真,得到天线罩内部天线起晕阈值。在较复杂的模型中,电晕场几乎是恒定的,正极性下约为5 kV/cm,负极性下约为7.5 kV/cm。本仿真基于正极性电极模型,以金属圆盘代替天线,当内部天线周围的电场小于 5 kV/cm(0.5 MV/m)时,分流条达到防护要求。
本文仿真模型构建与试验件相同,有效模拟天线罩实际情况。天线罩高度H=430 mm,天线高度h=200 mm,底部开口半径R=330 mm,厚度T=8 mm;为了更好地测量内部天线电场,天线用圆盘天线,直径d=150 mm,如图12所示。高压棒电极施加2 MV的电压,板电极设为接地。
图12 天线和天线罩外形尺寸Fig.12 External dimensions of antenna and radome
3.2 仿真结果分析
3.2.1 分流条长度对天线的感应电场的影响规律
为研究金属氧化物分流条长度对天线周围感应电场的影响,先固定分流条的数量,天线罩外面铺设6根分流条,天线无偏转。定义其电场变化率α为长度增加前后峰值电场差值与变化前电场峰值之比。根据场强变化率公式计算的数值仿真结果如表1所示。
表1 内部天线边缘电场随分流条长度变化的规律
从表1中可以得出,当分流条长度增加,内部天线边缘的峰值电场逐渐递减,这一趋势与先前仿真相吻合[9-10]。当分流条从200 mm增加到300 mm时,内部天线边缘电场的变化率逐渐增加,尤其在250～300 mm时变化率达到最大,为15.8%,并且电场由0.57 MV/m下降至0.48 MV/m,基本上满足天线罩的雷电防护指标和要求;当分流条从 350 mm 增加到500 mm时,内部天线边缘电场下降趋于平缓,这是由于天线固定,分流条高于天线,抑制天线起晕,与试验结果吻合。
图13为4个不同长度分流条的场强值对比图,从上到下依次是:250、300、350、400 mm。从中可以看出,分流条长度增加到300 mm以后,内部天线边缘电场变化比较小,最后趋于稳定数值。图14为不同长度分流条雷电防护仿真图形x-y平面截面图。
图13 不同长度分流条防护时天线周围的电场强度Fig.13 Electric field intensity around the antenna when the diverter strips of different lengths are protected
图14 不同长度分流条防护时天线周围的电场强度3D图Fig.14 3D diagram of electric field intensity around antenna with different length diverter strip protection
3.2.2 不同数量分流条对天线罩的防护效果
为探究不同数量的分流条对天线罩内部天线周围电场的影响,在天线罩上分别铺设0、2、4、6、8、10根长度为300 mm的金属氧化物分流条,然后进行仿真结果分析。其分析数据如表2所示。
表2 不同数量时天线周围场强的变化情况
从表2中数据可以看出,在没有分流条保护时,天线周围电场高达1.35 MV/m;随着铺设分流条数量的增加,天线周围的场强逐渐降低;当铺设2、4根分流条时,天线周围电场远大于0.5 MV/m,没有达到防护效果;当分流条增加到6根时,内部天线周围电场从1.35 MV/m下降到0.48 MV/m,下降了64.4%,满足雷电防护要求。
根据上述设计,可以算出分流条的最大间隔是Dmax=345.58 mm;由式(1)得Dmax=343.45 mm,仿真计算的最大间隔与经验公式得出的最大间隔相差0.6%,基本上满足要求。
图15为金属氧化物分流条数量为2、4、6、8根时天线周围场强变化曲线图。图16为不同数量金属氧化物分流条仿真模型的x-z平面电场分布图。
图15 不同数量金属氧化物分流条时天线周围场强变化情况Fig.15 Variation of the field intensity around the antenna with different number of metal oxide diverter strips
图16 不同数量金属氧化物分流条电场分布情况Fig.16 Electric field distribution of metal oxide diverter strips in different quantities
3.2.3 天线的偏转角度对雷电感应电场的变化规律
为了研究飞机在飞行时雷达天线偏转对天线周围电场的影响,金属氧化物分流条取6根,长度为300 mm,按图9的坐标系统沿φ方向的偏转角分别取0°、3°、6°、9°、12°、15°进行仿真分析。通过软件后处理,得出天线峰值场强如表3所示,偏转后的场强峰值都超过了阈值场强;天线周围电场随偏转角变化的变化规律如图17所示,随着偏转角增大,天线周围峰值场强也随之增大,且都超过阈值场强,不符合雷电防护要求。
表3 不同天线偏转角天线周围场强的变化情况
图17 优化前天线周围电场随天线偏转的变化规律Fig.17 Variation of electric field around the optimized antenna with antenna deflection
根据上述分析结论,采用优化措施保证天线罩的防雷性能可靠性。将1#和4#分流条延长到天线罩顶端,得出优化后的峰值场强如表3所示,全部都小于0.5 MV/m,符合雷电防护要求,图18反映了优化后天线周围电场随偏转角变化的变化规律,优化后的电场分布如图19所示。
图18 优化后天线周围电场随天线偏转的变化规律Fig.18 Variation of the electric field around the antenna with the deflection of the antenna after optimization
图19 优化后随天线偏转时天线周围的电场分布Fig.19 The electric field distribution around the antenna when the antenna is deflected after optimization
本文分析了金属氧化物分流条的结构和原理,采用高压击穿试验研究金属氧化物分流条的耐压特性。根据试验和仿真结果对比,研究金属氧化物分流条布局对防雷效果的影响,并得出以下结论。
(1)当外部电压大于金属氧化物分流条的击穿电压时,金属氧化物分流条金属颗粒间的空气间隙迅速电离,形成等离子体通道导走大电流;金属氧化物分流条击穿电压与电压变化率成正比,雷电压A波击穿电压大于雷电压D波。
(2)天线周围的电场强度随金属氧化物分流条长度和数量的增加逐渐递减,按经验公式安装6根300 mm的金属氧化物分流条,天线罩内天线周围电场下降了64.4%。
(3)天线的偏转导致分流条不能完全地遮蔽运动的天线,而且天线的偏转导致天线与罩壁的间隙变小,使得天线罩击穿强度下降。通过优化分流条布局使天线周围的电场强度由无防护时的 1.35 MV/m 降到起晕阈值0.5 MV/m以下,满足雷电防护的要求。
为进一步验证分流条布局的可行性,接下来将结合试验与仿真研究该布局对天线罩透波特性的影响。
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