飛機及軍用裝備雷電間接效應試驗方法解析

趙濤寧

（蘇州峰極電磁科技有限公司，江蘇 蘇州 215011）

摘要：雷電是影響飛機飛行安全的重要因素之一。飛機的雷電效應一般分為直接效應和間接效應，裝有高精度、智能化飛控系統(tǒng)的現(xiàn)代飛機，在遭受雷擊時更容易受到雷電間接效應的影響，導致功能異?；蛘呤Э?。本文通過對雷電與飛機的作用耦合機理的深入研究和對各相關標準的分析，對飛機雷電間接效應的試驗方法做了深入解析，指出了試驗中的難點重點；基于標準試驗要求，研制了一套用于雷電間接效應測試的模擬器，測試結果證明了輸出波形和性能與標準的符合性。

關鍵詞：雷電間接效應雷電防護瞬態(tài)感應試驗方法

中圖分類號： TM833文獻標志碼：A

飛機在強對流天氣飛行時，容易遭受到雷擊，一般將飛機雷電效應分為直接效應和間接效應兩個部分。直接效應主要針對飛機外部可以直接遭受到雷擊的結構部件，會導致機身材料溶蝕、擊穿，造成結構損壞甚至引起飛機解體。間接效應是直接雷電大電流沖擊機身，在飛機表面產(chǎn)生的瞬變脈沖電流在內(nèi)部線纜束和設備端口感應出的瞬態(tài)浪涌信號，造成電子系統(tǒng)功能異?；蝻w機失控^[1]。

隨著科技的發(fā)展，一方面高強度復合材料因其結構性能優(yōu)良、重量輕等特點、已經(jīng)逐步在替代金屬材料應用于飛機機身的制作。另一方面高集成度、智能化的電子系統(tǒng)的應用，提高了飛機智能化程度、簡化了飛機的控制操作程序。但是飛機在遭受雷擊時，由于復合材料的導電和屏蔽性能差，雷電流流過表面會形成較高的結構IR電壓、和在內(nèi)部導線上會感應出較高的電流，而高集成度、高靈敏度的電子芯片更容易受到干擾，導致功能異常，甚至發(fā)生失控事故。因此，進行飛機遭受雷電間接效應的研究，對于飛行安全具有重要意義^[2]。

為了能準確模擬飛機遭受雷擊時內(nèi)部設備所承受的雷電間接效應的影響，本文通過對雷電與飛機作用機理的研究，和對國際、國內(nèi)相關標準的解讀分析，對雷電間接效應試驗方法進行了深入分析，對試驗關鍵點點進行了重點研究。

1  自然雷電特性分析

自然界的雷電現(xiàn)象是雷雨云之間或在云地之間形成，根據(jù)放電環(huán)境和放電電流通道可將雷電分為云地負閃、云地正閃和云間閃電三種類型^[3]

1.1云地負閃

一般云地負閃發(fā)生的概率為云地閃的80%以上，經(jīng)過預計穿、梯級先導后使空氣形成等離子體放電通道，然后帶電云團內(nèi)的電荷大量向下轉移形成首次回擊、后續(xù)回擊，典型的對地負閃波形如圖1、表1所示，一般由1-11個脈沖組成，平均值為3個，最多可到26個。 總的持續(xù)時間在20ms 到1s 之間，平均值為0.2s， 回擊間的時間間隔一般約60ms，首次回擊的上升時間大約為2μs，衰減時間為40μs，峰值可達100kA，后續(xù)回擊的幅值低，但其上升的速度反而會更快 ，回擊之間會有100-400 A的“持續(xù)電流”。

圖1 典型的對地負閃波形

表1 對地負閃的主要參數(shù)

1.2云地正閃

云地正閃發(fā)生頻率較云地負閃低，約占10%左右，主要發(fā)生在高山或者高塔等特殊環(huán)境，通常只有一個回擊，云團內(nèi)的能量一次泄放完成，具有電流峰值高、電荷轉移量大等特點，如圖2、表2所示，最大峰值可能會達到250kA以上，傳遞電荷量達到350C以上，但波形上升率低于對地負閃。

圖2 典型的對地正閃波形

表2 對地正閃波形參數(shù)

1.3云內(nèi)閃電

云內(nèi)閃電目前研究相對較少，美國和法國的一些研究機構利用飛機上安裝的相關儀器進行了云內(nèi)閃電的研究，主要是由云團內(nèi)電荷的重新分配產(chǎn)生。如圖3所示，一般幅值較小，只有20-30kA，但頻次較高，脈沖的上升率較大。

圖3 典型的云閃波形

2  飛機雷電試驗波形

飛機雷電試驗的波形選取主要依據(jù)自然界各種雷電的特點發(fā)生的概率，SAEARP5412的標準中將雷電電流理想化為3種類型的標準波形：大電流的ABCD連續(xù)波、多次回擊的D波、以及多脈沖群形式的H波。

2.1 大電流ABCD連續(xù)波

大電流的ABCD主要用來模擬對地正閃、對地負閃所產(chǎn)生的大電流，主要用來進行雷電大電流、高能量對被測物體造成的物理破壞效應，波形要求如圖4 所示，其中：

A分量代表負閃首次回擊和正閃的峰值電流，定義波形參數(shù)為：峰值200kA，作用積分2×10⁶A²s，波形起始點到峰值的時間為6.4us，波形起始點到下降為一半的時間為69us。使用雙指數(shù)形式標示為：

其中，I₀=218810A，α=11354s^-1，β=647265s^-1，γ=5423540s^-1，t是時間（s）

B分量標示負閃中的中間電流，也可認為是A分量波形的延續(xù)，波形定義為：平均電流2kA，持續(xù)時間為5ms的指數(shù)波或者方波，對波形上升時間和下降時間無具體要求。雙指數(shù)波形表達式同（式1），其中，I₀=11300A，α=700s^-1，β=2000s^-1，γ=22 000.0s^-1 ，t =time(s)

C分量標示負閃中回擊直接較長的持續(xù)電流，定義波形參數(shù)為平均電流為200A-800A之間，持續(xù)時間0.25s-1s之間，電荷轉移量為200C的單向波，可以是指數(shù)或者方波直流

D分量標示負閃中的一個后續(xù)回擊，定義波形參數(shù)為：峰值100kA，作用積分0.25×10⁶A²s，波形起始點到峰值的時間為3.2us，波形起始點到下降為一半的時間為34.5us。同樣使用（式1）的雙指數(shù)波表達，其中，

I₀=109405 A，α=22 708s^-1，β=1 294 530s^-1，γ=10 847 100s^-1，t=time(s)

需要注意的一點是，當僅用來進行直接效應試驗時，A分量和D分量的波頭上升時間要求可以降低，且不限定波形形式，可以是指數(shù)波也可以是振蕩波，只需要幅值和作用積分達到即可。

圖4 ABCD連續(xù)波示意圖

2.2 多次回擊的D波

如圖5所示，在對地負閃中，發(fā)現(xiàn)到多達14次隨機的有間隔的回擊，多次回擊的D波就是用來模擬自然界中這種對地負閃的情況。定義首次回擊峰值為100kA，后續(xù)13個回擊的峰值為50kA，波形參數(shù)為D波，總的持續(xù)時間為1.5s，間隔時間在10-200ms之間，平均間隔時間為115ms。由于多次回擊的能量小于ABCD連續(xù)波，因此多次回擊主要用來評估系統(tǒng)在受到多重瞬態(tài)效應影響時系統(tǒng)內(nèi)部設備的間接效應影響。

圖5 多次回擊波形示意圖

2.3多脈沖群的H波

多重脈沖群H波是根據(jù)空中飛行所獲得的數(shù)據(jù)推導出來的，主要包括了云內(nèi)閃電的高頻次特性，也包含了云地閃初期梯級擊穿過程中的放電特性，這些現(xiàn)象也可能在閃電過程中隨機出現(xiàn)。

如圖6所示，H波定義為幅值為10kA，波形起始到峰值的上升時間為0.245us，波形起始到下降至一半峰值的時間為4us，可使用式1的雙指數(shù)函數(shù)標示，其中，I₀=10572 A，α=187 191s^-1，β=19 105 100s^-1，γ=153 306 000s^-1，t=time(s)。

一個脈沖群包含3個脈沖組，組之間間隔為30-300ms，每一個脈沖組有20個脈沖，間隔為50-1000us。

圖6 多脈沖群測試的H波形示意圖

3雷電與飛機的相互作用

雷電在與飛機相互作用過程中，雷電直接附著在飛機表面，對飛機表面材料和結構造成直接效應影響，導致表面溶蝕、穿孔、結構變形等物理現(xiàn)象，且在此過程中，瞬態(tài)變化的強大雷電流會造成飛機內(nèi)部機載設備及其連接線纜上感應出強烈的脈沖電壓和電流信號，如果機載設備未設計相應的防護措施，就有可能造成設備器件燒毀、功能異常等故障，嚴重的可能引起飛控系統(tǒng)故障，造成機毀人亡的重大飛行事故。

高幅值和高變化率的A、D和H分量會在飛機的線路中誘導出大部分的暫態(tài)波形，而分量B和C不會造成重要影響。雷電間接效應的影響主要有2種途徑：結構IR電壓和孔縫耦合。

3.1 結構IR電壓

雷電流流過機體表面是由于機體時，機體的結構阻抗會在兩臺機載設備之間形成電壓差，造成設備的過電壓擊穿，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在復合材料的機身上。一般常見的結構IR電壓波形為電流波形分量A（波形4），在結構IR電壓的擴散耦合過程中，會耦合出持續(xù)時間較長、但幅度不大的波形，如果是結構阻抗較高產(chǎn)生的波形具有更長的持續(xù)時間和更大的幅值，一般規(guī)定為2種波形40/120μs（波形5A）和50/500μs（波形5B）。

圖7 結構IR耦合電氣等效圖

3.2 線纜耦合效應

雷電流流過機體表面是，強烈變化的電磁場穿過孔縫在內(nèi)部導線和屏蔽上將誘導電流和電壓，在電線和屏蔽層等低阻抗結構上會誘導出與電流分量A成正比的電流波形6.4/69μs（波形1），穿過小孔的電場和磁場會在電纜上產(chǎn)生共振，振蕩的頻率取決于孔縫大小和結構長度，通常規(guī)定為阻尼正弦波，頻率為1MHz和10MHz。

圖8瞬變電磁場孔縫耦合效應示意圖

4  實驗室雷電試驗方法淺析

雷電具有上億伏的電壓和數(shù)百千安的電流，按照典型的對地負閃計算，若定義首次閃電電流2×10⁵A，電壓1×10⁸V，可理論計算出瞬時峰值功率為：

P=U*I=2×10¹³W   （式2）

按照A波形計算放電能量：

若以電容器儲能放電形式完成本次放電，需要儲能電容電壓1億伏，電容量為0.3uF，

電容器儲能能量為：

按照一分鐘放電一次，依據(jù)電荷守恒定律，可計算出需要充電電源功率：

從以上（式6）計算可以看出，若想在實驗室中完全模擬自然界雷電需要供電電源達到500MW，基本是不可能實現(xiàn)的，若考慮發(fā)生器的體積，1億伏的電壓需要試驗大廳的高度400米以上，堪比世界級摩天大樓。因此，根據(jù)雷電對不同試驗部件的影響將飛機的雷電試驗分為雷電直接效應和雷電間接效應兩類。

4.1雷電直接效應試驗

雷電直接效應主要的受試對象是機身外部材料、結構、安裝在外部的電氣部件。目的在于測試被試件在強大的雷電流流過時，表面是否會出現(xiàn)溶蝕、損傷或者結構變形，是否存在影響飛行安全的因素?？赏ㄟ^高電壓試驗對試驗件進行脈沖電場下的放電試驗，找到雷電可能注入的位置和雷電在飛機表面的掃略路徑，然后對可能遭受雷擊的入點和出點進行大電流注入，測試在大電流下機身材料的物理特性。由于云間閃電能量小，對于結構材料的破壞能力遠小于對地正閃和對地負閃，因此直接效應測試只考慮云地正閃和負閃，且測試時可不用過多考慮di/dt對試驗件的影響，主要考核電流峰值和作用積分的能量是否達到即可。

圖9 雷電直接效應對于ABCD連續(xù)波的波形參數(shù)要求示意圖

4.2雷電間接效應試驗

雷電間接效應的受試對象主要為機身內(nèi)部安裝的機載設備、互聯(lián)電纜、儀器儀表等雷電不會直接作用于其表面的部件。目的在于測試雷電流過飛機表面時，在內(nèi)部安裝的設備、儀器是否會出現(xiàn)功能異?；蛘邠p壞，是否會引起誤動作等故障。

由于機載設備等安裝在飛機內(nèi)部，測試的復雜程度遠大于直接效應所測試的外部結構件，為了實現(xiàn)機載設備的雷電間接效應試驗目的，原理上可通過兩種方案實現(xiàn)：

一種方案是在飛機外部直接注入滿足標準要求的雷電電流波形，檢測內(nèi)部設備是否工作正常。這種方案的好處是可以最真實的模擬飛機在雷電環(huán)境下的運行可靠性，但是執(zhí)行困難。首先，飛機內(nèi)部系統(tǒng)復雜，設備多樣，整機完成組裝時已處于研制后期，此時如果測試出現(xiàn)問題將會嚴重影響項目進度；另外，整機要進行額定的雷電間接效應試驗，對測試設備的要求也非常高，間接效應不像直接效應的試驗只需要對縮比模型和部件的大電流注入即可，波形也只需要滿足幅值和能量，對波形前沿無特殊要求，但是間接效應的試驗就不同了，主要是模擬雷電放電的感應效應，對雷電波形的電流變化率更為敏感，因此，間接效應試驗不只要幅值和能量達到要求，更重要的是對于波形的波頭時間和波形的重復頻率等有了更高的要求，這也就對試驗的設備提出更高要求，理論計算若要達到模擬云地閃的大電流試驗設備，成本造價最少需要上億元人民幣，如果要實現(xiàn)多次回擊的試驗設備同樣需要上億元人民幣的投入，而要想實現(xiàn)模擬云間閃電的H波脈沖群發(fā)生器，發(fā)生器的設計電壓需要達到3000kV以上，是我們平時使用的脈沖群發(fā)生器（一般4-6kV）的近1000倍，而成本與電壓的平方成正比，那也意味著花費將是天文數(shù)字。綜合考慮，這樣的試驗方案基本上不可行。

另一種方案是小電流外推方法^[4][5]，也是SAE標準所推薦的試驗方法，具體操作思路是對飛機注入一個幅值遠小于額定值的電流波形，通過飛機內(nèi)置傳感器測量不同部位、不同設備上所感應出的電流值，然后在所測量電流值乘以一個比例系數(shù)得到對應的設備需要進行的試驗幅值，再使用信號發(fā)生器對機載設備進行直接注入或者耦合注入即可。此方法的優(yōu)點是操作簡單，設備投入成本低，可將整體的試驗化整為零，分解到各設備廠家進行。典型的測試電流一般以1000A的電流注入飛機外部，內(nèi)部加裝電流檢測線圈，采用示波器采集感應信號，采集到的信號再乘以200倍的比例因子得到該部位安裝的設備所需要進行測試的電流/電壓值，詳細的試驗方法可參加SAE ARP5415標準。

在進行小電流外推試驗時需注意以下幾點：

A．         使用A波、D波、和H波三種波形進行測試，由于只是進行感應幅度的測量，可以不用多次回擊和多脈沖群的形式進行試驗，只進行單波測試即可。

B．         注入的電流幅值應以不損壞飛機內(nèi)的儀器為前提，典型的試驗幅值可選取500A-1000A

C．         比例因子=額定值÷試驗值。額定值參加表2，即A分量為200kA，D分量為100kA，H分量為10kA。

D．        由于感應信號小，一般為幾安培至幾十安培的脈沖信號，可能會受到環(huán)境的干擾，應考慮信號在傳輸過程中的損耗，提高抗干擾措施，建議采用光纖采集系統(tǒng)。

E．         理論上測試到的感應電平并非線性的，而是隨著電流的增加感應幅值增幅會降低，實際按照比例因子外推的試驗電平已超過實際感應電平。

圖10 小電流外推試驗回路搭建

5機載設備的雷電間接效應試驗

根據(jù)3.2方法可以方便測量到飛機在遭受雷擊時，不同部位的設備因雷電間接效應可能會感應到的脈沖電平，可依此對安裝于此處的機載設備提出需要承受的浪涌波形和電平。事實上，小電流外推方法也只是在評估階段用于研究，實際操作可能會因測量等問題受限導致不準確，現(xiàn)代飛機經(jīng)過多年的實踐經(jīng)驗主要通過飛機的雷電分區(qū)以及仿真分析等手段按照設備安裝于飛機內(nèi)部的具體位置和用途提出雷電試驗等級和要求^[6]，一般會使用一組字母與數(shù)字組成的字符串表示該設備需要進行的雷電試驗波形和試驗等級，比如B3G4L3，表示需要對該設備引腳進行波形3和波形5A的等級3試驗，對電纜束進行單次回擊和多次回擊波形2和波形3的等級4試驗，及進行多脈沖群波形3的等級3試驗，具體詳細字母及數(shù)字對應參數(shù)可見RTCA-DO160G標準^[7][8]。

5.1波形參數(shù)及其意義

在SAE ARP5412和RTCA DO160中一般將雷電間接效應引起的瞬態(tài)感應試驗波形規(guī)定為6個波形，其主要的波形參數(shù)及代表的意義見下表

表3 機載設備的雷電間接效應試驗波形參數(shù)

5.2 試驗方法

針對機載設備的雷電間接效應包含了2種類型的試驗：針腳注入試驗和電纜束試驗。針腳注入試驗主要用來測試設備的損毀容忍度，而電纜束試驗主要是進行設備的功能失效容忍度。

1）針腳注入試驗

針腳注入試驗主要試驗波形為波形3（1MHz）、波形4和波形5A，均對這些波形的開路電壓和短路電流波形有要求，同時對發(fā)生器的輸出阻抗有要求，詳細可查閱RTCA-DO160G標準表22-2，在此不做詳細描述。

測試中需要注意的是，當被試品不接入電源時，可以直接使用發(fā)生器連接至被試品端口進行試驗，如果被試品需要帶電進行在線試驗，可以通過在電源端加入浪涌去耦單元，和在發(fā)生器輸出端增加電源耦合單元，以確保浪涌不對供電電源造成影響，同樣的電源也不是浪涌發(fā)生器損壞。同時，為了避免電源對發(fā)生器的損壞，可以采用耦合變壓器進行對針腳的注入，但需要注意耦合變壓器輸出的開路電壓和短路電流波形必須滿足針腳注入的試驗要求。

圖11 針腳注入試驗回路連接框圖-直接注入方式

2） 電纜束測試

電纜束耦合測試包含了波形1-波形6的所有波形，和針腳注入試驗不同的地方是，無需測試的電壓和電流波形同時達到標準要求，只需It或者Vt達到測試值即可，且無輸出阻抗要求，在輸出波形形式上有單次回擊、多次回擊和多脈沖群。單次回擊標示的是自然界單一的雷擊現(xiàn)象，多次回擊模擬的是對地負閃時的多次回擊現(xiàn)象，而多脈沖群主要模擬云閃的高頻次閃擊現(xiàn)象，波形6只有多脈沖群的測試，無單次回擊及多次回擊。

在進行電纜束測試時，可通過耦合變壓器進行耦合測試和對地注入兩種方式完成，標準推薦在進行波形1、波形2、波形3和波形6時建議使用耦合變壓器進行試驗，如果是波形4和5建議使用對地注入進行試驗，當然在耦合變壓器能滿足波形4和波形5的前提下，也可以使用耦合變壓器進行試驗。

圖12 電纜束耦合試驗框圖

6  試驗設備的開發(fā)

為了實現(xiàn)機載設備的雷電間接效應，本次開發(fā)了保護波形1-波形6的波形發(fā)生器，可滿足針腳注及電纜束感應的所有測試波形的等級1-等級5測試。同時在此基礎上開發(fā)了滿足試驗要求的各種耦合變壓器及耦合去耦裝置，方便測試回路的搭建。

由于波形眾多，采用分類模塊化設計的方案，共使用2套設備完成所有波形輸出，將波形1、波形4、波形5三類波形寬度長、能量大的波形采用一套發(fā)生器完成，波形2、波形3、波形6三種波形寬度短、能量較小、但要求輸出脈沖群的波形使用一套發(fā)生器完成。系統(tǒng)原理框圖見下圖

圖13 雷電效應模擬器原理框圖

主回路設計主要以分組模塊化設計理念，如下圖所示，根據(jù)不同的波形所需的電容量不同，將電容組分為3組（C1、C2、C3），所有波形共用放電開關KD，選擇的波形和測試模式可通過開關K4-K9進行切換，為達到最大利用率，使用不同的調(diào)波回路進行波形的調(diào)節(jié)，比如波形4，在進行針腳注入模式時使用L1、R1和并聯(lián)電阻R10進行波形輸出，此時R10約為1Ω，電容器充電10kV時可輸出2500V的5Ω或者1Ω阻抗，當進行電纜束測試時，此時對電流波形無要求，可通過調(diào)整調(diào)波回路電阻，使用L2、R2和并聯(lián)電阻R11實現(xiàn)更高電壓的輸出，此時電容充電10kV，可輸出電壓波形最高達4kV以上，其他波形按照同樣的思路，可以實現(xiàn)電纜束測試時更高的電壓或者電流幅值輸出。

圖14 雷電模擬器主回路原理圖

圖 發(fā)生器輸出波形

圖15模擬器輸出的多次回擊和多脈沖群波形

圖16雷電效應模擬器成品展示

7  MIL-STD-461G CS117的差異化要求

國內(nèi)軍用分系統(tǒng)和設備進行電磁兼容測試主要依據(jù)GJB151B，其對標美軍標MIL-STD-461F，但是現(xiàn)在美軍標已經(jīng)于2015年發(fā)布了新版的標準MIL-STD-461G版^[9]，新增了CS117部分-電纜、電源線的雷電瞬態(tài)感應敏感度測試，主要引用了SAE ARP 5412、5414、5415、5416以及RTCA DO-160，但與這些標準不同的是這些標準都是針對飛機裝備的雷電感應效應測試，而CS117部分目的是通用所有軍用設備，不止包含飛機，還包含了艦船、陸裝車輛、以及雷達等武器系統(tǒng)。因此在測試方式和對波形的要求上有了些許差異。

1）CS117中刪除了針腳注入測試，只進行電纜束的試驗

2） 取消了電纜束的單次回擊，只進行多次回擊和多脈沖群測試

3） 取消5個等級，測試等級上只有內(nèi)部設備和外部設備之分，內(nèi)部一般對應的DO160標準的等級3，外部設備一般對應DO160的等級4

4） 取消了對地注入模式，只能使用耦合變壓器進行電纜束感應方式測試

5） 波形2波頭時間由小于100ns改為小于340ns

8結束語

由于雷電間接效應的測試要求及復雜程度遠高于雷電直接效應，很多人仍會糾結于龐大的飛機系統(tǒng)間接效應的測試方法，本文通過對雷電間接效應的耦合機理分析和對各類雷電相關的標準解析，從宏觀面上分析了雷電間接效應試驗實現(xiàn)的方法和思路，并通過實際經(jīng)驗對雷電間接效應試驗過程中所碰到的問題和注意事項予以說明，同時對各標準的試驗方法差異進行了對比和分析，希望在以后的測試過程中能對實驗室人員對試驗的理解有所幫助。

另外，雷電效應的研究在我國尚處于初期階段，測試設備依靠進口，針對雷電間接效應的瞬態(tài)試驗，開發(fā)設計了一整套的試驗裝備，經(jīng)實際測試其輸出波形和測試方法滿足相關標準要求，希望在將來國內(nèi)有更多的人關注雷電效應，提升我國飛機及軍用設備的可靠性