機(jī)載天線罩雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用

許 群，王云香，劉少斌，喬承曉，劉尚吉

(1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 南京210016)

(2.高性能電磁窗航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南250031)

0 引言

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，它是由云中的電荷形成的［1］。當(dāng)飛機(jī)處于云團(tuán)的電荷中心附近時(shí)，飛機(jī)會(huì)遭到雷擊［2］。統(tǒng)計(jì)表明，一架固定航線的飛機(jī)，平均每年要遭到一次雷擊。一架軍用飛機(jī)，在其全壽命周期內(nèi)，平均要遭到兩次雷擊［3］。飛機(jī)遭受雷擊后，所造成的損失與雷電的強(qiáng)度、雷擊的部位以及飛機(jī)的雷電防護(hù)措施等因素有關(guān)，有時(shí)所造成的危害是災(zāi)難性的。1988年9月，越南一架客機(jī)在曼谷上空遭雷擊，76人遇難;1990年2月，一架滿載游客的客機(jī)在多米尼加北部加勒比海遭雷擊，墜入大西洋，機(jī)上190名乘客和機(jī)組人員無(wú)一生還。迄今為止，人類至少已有2 500架飛機(jī)遭雷電擊毀［4］。

因?yàn)槔纂姇?huì)對(duì)飛機(jī)的飛行安全構(gòu)成威脅，所以，在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須關(guān)注雷電防護(hù)問題。機(jī)載天線罩由非金屬材料構(gòu)成，很容易遭受雷擊，機(jī)載天線罩的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的重要組成部分。特種飛機(jī)上有多個(gè)天線罩，這些天線罩位于不同的雷電附著區(qū)域，雷電對(duì)這些天線罩潛在的危害程度各不相同，并非每個(gè)天線罩都必須采取雷電防護(hù)措施。需綜合考慮各天線罩的雷電關(guān)鍵性類別、雷電防護(hù)系統(tǒng)對(duì)天線罩電性能的影響、天線罩所處雷電附著區(qū)域等因素，確定該天線罩是否需要進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。通常，天線罩的雷電防護(hù)措施是在天線罩外表面安裝分流條，需要對(duì)分流條布局方法進(jìn)行研究，合理確定分流條的數(shù)量和長(zhǎng)度，使得既有足夠的雷電防護(hù)效果，又盡量降低分流條對(duì)天線罩電性能的影響。

1 天線罩雷電防護(hù)必要性的分析

既然機(jī)載天線罩遭遇雷擊的概率很高，那么，天線罩的雷電防護(hù)問題就顯得十分重要。就某個(gè)具體的天線罩而言，需要面對(duì)雷電防護(hù)的必要性和具體防護(hù)措施兩個(gè)問題。天線罩雷電防護(hù)的必要性取決于天線罩雷電關(guān)鍵性類別、防護(hù)成本和防護(hù)系統(tǒng)對(duì)天線罩性能的影響。飛機(jī)雷電關(guān)鍵性類別是根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件遭遇雷擊時(shí)對(duì)飛行安全和任務(wù)完成的影響程度確定的，共分為三類［5］:1類是關(guān)系到飛行安全的系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件，雷電對(duì)它們的損害可能危及人身或飛機(jī)安全;2類是關(guān)系到系統(tǒng)安全和飛行任務(wù)完成的系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件，雷電對(duì)它們的損害可能導(dǎo)致人員傷害或影響飛行任務(wù)的完成;3類是影響較小的系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件，雷電對(duì)它們的損害不會(huì)明顯降低系統(tǒng)的效能。

確定機(jī)載天線罩雷電關(guān)鍵性類別，必須從整機(jī)和天線系統(tǒng)的角度出發(fā)，分析評(píng)估天線罩遭受雷擊時(shí)對(duì)飛行安全有無(wú)影響、是否影響天線系統(tǒng)正常工作。雷擊對(duì)天線罩的直接損害通常是罩壁穿孔、凹陷和局部撕裂，當(dāng)天線罩處于半密封艙時(shí)，在極端情況下會(huì)導(dǎo)致天線罩脫落。除天線罩脫落可能影響飛行安全外，其他直接損害既不影響飛行安全，也不影響天線罩透波和保護(hù)作用的發(fā)揮。還必須考慮天線罩遭雷擊時(shí)對(duì)飛機(jī)的間接損害，也就是對(duì)天線系統(tǒng)和飛機(jī)其他系統(tǒng)的影響。比如:階躍先導(dǎo)附著在天線上，是否會(huì)損壞天線的射頻器件和供電線路;天線罩脫落的螺釘會(huì)不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪等。把雷擊對(duì)天線罩的危害分析清楚了，天線罩的雷電關(guān)鍵性類別也就容易確定了。當(dāng)然，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)雷電重要度進(jìn)行劃分也是一種可行的方法。

CCAR-25運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)是運(yùn)輸類飛機(jī)研制過程中必須遵循的適航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其581條款對(duì)雷電防護(hù)提出了要求，具體內(nèi)容為:

1)飛機(jī)必須具有防止雷電引起的災(zāi)難性后果的保護(hù)措施。

2)對(duì)于金屬組件，下列措施之一可表明符合第1)條的要求:

(1)該組件合理地搭接到飛機(jī)機(jī)體上;

(2)該組件設(shè)計(jì)成不致因雷擊而危及飛機(jī)。

3)對(duì)于非金屬組件，下列措施之一可表明符合第1)條的要求:

(1)該組件的設(shè)計(jì)使雷擊的后果減至最小;

(2)具有可接受的分流措施，將產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機(jī)安全。

581條款的核心是飛機(jī)在雷電環(huán)境中遭遇雷擊是無(wú)法避免的，利用防護(hù)措施可以使雷擊的危害降低，避免災(zāi)難性后果。飛機(jī)雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)原則是使雷擊造成的影響最小，并且確保在被雷擊后可以繼續(xù)安全飛行和著陸。此條款是民用飛機(jī)天線罩雷電防護(hù)的基本要求。

確定了天線罩的雷電重要度等級(jí)后，就可以確定是否需要采取雷電防護(hù)措施。屬于1類雷電重要度的天線罩，必須采取雷電防護(hù)措施;屬于2類雷電重要度的天線罩，需要考慮防護(hù)成本和防護(hù)系統(tǒng)對(duì)天線罩性能的影響。如果雷電防護(hù)系統(tǒng)的成本遠(yuǎn)低于天線罩的維修成本，并且雷電防護(hù)系統(tǒng)對(duì)天線罩電性能的影響較小，那么，天線罩應(yīng)采取雷電防護(hù)措施，否則，可不采取雷電防護(hù)措施;屬于3類雷電重要度的天線罩，不必進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。天線罩雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)有高中低三個(gè)不同層次的目標(biāo):最高目標(biāo)是確保天線罩的安全，天線罩不穿孔，雷電防護(hù)裝置可以重復(fù)使用，天線罩遭雷擊后不需維修或者只需少量維修;最低目標(biāo)是天線罩遭雷擊后完全損壞，但是不影響飛機(jī)安全飛行和著陸;中等目標(biāo)是天線罩有一定程度的損壞，但是飛機(jī)能安全返航。

2 天線罩雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法

2.1 雷電附著區(qū)域的劃分

天線罩具體的雷電防護(hù)措施，包括防護(hù)系統(tǒng)的組成、分流條類型和布局等內(nèi)容，主要取決于天線罩所處雷電附著區(qū)域的類型。按照不同的雷電附著特性或傳遞特性，可將飛機(jī)表面劃分為3類區(qū)域，分別是1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)［2］。1區(qū)是雷電的初始附著區(qū)，是雷電在飛機(jī)上的入擊點(diǎn)或出口區(qū)域。通常，飛機(jī)的機(jī)頭、機(jī)翼前后緣、翼尖、升降舵和安定面的端部等位置為1區(qū)。2區(qū)是掃掠沖擊區(qū)，是閃電通道與飛機(jī)之間由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的一系列雷電附著點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域。雷電通道形成后其位置基本不變，在飛機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的過程中，雷電的入擊點(diǎn)不斷后移，就象放電通道被氣流從前向后吹一樣。除了1區(qū)和2區(qū)外的所有飛機(jī)表面均為3區(qū)。按照放電懸停時(shí)間的長(zhǎng)短，1區(qū)和2區(qū)又被劃分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)是雷電懸停時(shí)間較短的區(qū)域，B區(qū)則是雷電懸停時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域。

現(xiàn)代飛機(jī)上天線眾多，一般飛機(jī)有20多部天線，最多的達(dá)到70多部［6］。有一些尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的天線不需要天線罩，而那些尺寸較大，形狀不符合飛機(jī)氣動(dòng)要求的天線是需要天線罩的。因此，有的飛機(jī)上會(huì)有多個(gè)天線罩。圖1所示的飛機(jī)上顯示了6個(gè)天線罩，其中，L波段偵測(cè)天線罩和干涉儀天線罩均為左右件。在考慮這些天線罩的雷電防護(hù)問題時(shí)，必須首先確定各天線罩的雷電關(guān)鍵性類別和雷電分區(qū)，并據(jù)此進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。在GJB2639、GJB3567、HB6129和SAE ARP5414中給出了部分典型飛機(jī)雷電附著區(qū)域的分布示意圖。要注意不同的飛機(jī)其形狀和結(jié)構(gòu)尺寸都有所區(qū)別，因此，并不能完全根據(jù)這些圖來(lái)確定任意一款飛機(jī)的雷電分區(qū)。嚴(yán)格的做法是利用飛機(jī)的比例模型的雷電附著點(diǎn)試驗(yàn)來(lái)確定該飛機(jī)的雷電分區(qū)。

2.2 雷電防護(hù)系統(tǒng)的組成

天線罩之所以遭雷擊是因?yàn)樘炀€罩內(nèi)金屬物體產(chǎn)生的流光比天線罩外金屬產(chǎn)生的流光更早地與階躍先導(dǎo)交匯。要想避免雷擊，就必須使天線罩的流光早于天線罩內(nèi)的流光而與階躍先導(dǎo)交匯。通過在天線罩外表面適當(dāng)布置分流條，合理設(shè)計(jì)分流條的數(shù)量、長(zhǎng)度和方向，使分流條完全遮蔽罩內(nèi)的金屬物體，能夠?yàn)樘炀€罩提供充分的雷電防護(hù)。常見的分流條主要有金屬分流條和紐扣式分流條兩種形式。

圖1 飛機(jī)上多個(gè)天線罩示意圖

為了將雷電流從分流條傳到機(jī)身上，需要用搭鐵片實(shí)現(xiàn)分流條與機(jī)身的電搭接，形成了一個(gè)完整的低阻通道。搭鐵片采用銅條或鋁條，銅條的截面積不小于20 mm2，如果采用鋁條的話，其導(dǎo)流能力應(yīng)與銅條相當(dāng)［5，7］。

2.3 紐扣式分流條

紐扣式分流條由基條、紐扣和高阻層三部分結(jié)構(gòu)組成。基條是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，用來(lái)固定一粒一粒的紐扣。紐扣是金屬紐扣，最好采用銅的，可以是圓形、菱形、橢圓形，也可以是其他形狀，紐扣在基條上間隔分布，相互之間有一定的間距。如果采用鉚釘作為紐扣的話，可以用鉚接的方法把紐扣固定到基條上。高阻層位于基條的背面，涂覆在紐扣的翻邊處，把紐扣一個(gè)一個(gè)連接在一起。紐扣式分流條的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紐扣式分流條結(jié)構(gòu)示意圖

紐扣式分流條可以看作一系列的導(dǎo)體，當(dāng)分流條安裝在天線罩上并與機(jī)身搭接后，每個(gè)導(dǎo)體到機(jī)身都有雜散電容，在沒有電場(chǎng)時(shí)，整根分流條上的電位差是零，每個(gè)電容兩端的電壓也是零。當(dāng)外界電場(chǎng)迅速增加時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔儯虼?，沿分流條的電位差仍保持接近零。這將導(dǎo)致在分流條的外端首先形成電暈放電，這個(gè)放電電流最初通過最外端紐扣對(duì)應(yīng)的雜散電容和系列電阻。因?yàn)閺姆至鳁l這一點(diǎn)流到機(jī)身的電流的時(shí)間常數(shù)比整根條的時(shí)間常數(shù)小，因此，在最外端紐扣之間電阻里流動(dòng)的電流比別處多，這些紐扣間的IR電壓就比較高，并首先達(dá)到使間隙擊穿的水平。換句話說(shuō)，雜散電容在紐扣間引起不平衡的電壓分布，在最外側(cè)的間隙上施加的電壓最高，首先引起這些間隙打火。該過程一直持續(xù)到全部間隙都打火為止，這樣分流條的閃光從最外端開始向另一端傳播，與此同時(shí)，流光迎著先導(dǎo)方向向外傳播。在大多數(shù)情況下分流條擊穿發(fā)生在流光與先導(dǎo)交匯之前。實(shí)驗(yàn)表明，紐扣式分流條的擊穿時(shí)間遠(yuǎn)小于同等長(zhǎng)度空氣的擊穿時(shí)間，從而有可能為天線罩提供有效的雷電防護(hù)。

天線罩是雷達(dá)天線的電磁窗口，它的性能尤其是透射性能的好壞已成為影響雷達(dá)綜合性能的重要因素［8-9］。天線罩上安裝分流條以后，勢(shì)必對(duì)天線罩的電性能造成不利影響，使傳輸效率降低、功率反射增加。紐扣式分流條的基條厚度小于1 mm，紐扣的長(zhǎng)度為2 mm～4 mm，對(duì)工作于X波段的天線罩而言，紐扣式分流條對(duì)電磁波的遮擋和反射遠(yuǎn)低于金屬分流條，因此，紐扣式分流條是是一種低反射分流條。試驗(yàn)表明，使用紐扣式分流條后，天線罩的傳輸效率下降1%左右。在天線罩電性能要求很高的場(chǎng)合，適合采用紐扣式分流條。

2.4 分流條布局設(shè)計(jì)

在進(jìn)行天線罩雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，主要任務(wù)是確定分流條的排布方向、數(shù)量和長(zhǎng)度。通常，雷電1區(qū)的天線罩上分流條大致沿飛機(jī)縱向排布，分流條的長(zhǎng)度應(yīng)能夠覆蓋天線的掃描包絡(luò)，分流條的最大間隔為

式中:Dmax為天線罩上分流條之間允許的最大間距，單位為mm;T為天線罩壁厚，對(duì)于夾層結(jié)構(gòu)天線罩，T為所有蒙皮厚度之和，單位為mm;k為表面狀態(tài)系數(shù)，與天線罩外表面涂層有關(guān)，k適用于表面電阻系數(shù)不低于0.5 MΩ的各種涂層，如防雨蝕涂層等，通常情況下，k=1;S為安全因子，與天線罩壁厚有關(guān)，S與T之間的關(guān)系可以用圖3表示。式(1)是英國(guó)學(xué)者R.H.J.Cary和D.A.Conti在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的。在天線罩壁厚和表面涂層狀況已知的情況下，根據(jù)式(1)能夠確定分流條之間的最大間距。在天線罩表面布置適當(dāng)數(shù)量和長(zhǎng)度的分流條，使得天線罩表面任意點(diǎn)到鄰近分流條的距離都不大于Dmax，就能夠?yàn)樘炀€罩提供充分的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)。

圖3 安全因子S與天線罩壁厚的關(guān)系曲線

式(1)的使用有很大的局限性，它沒有考慮天線罩內(nèi)天線的安裝位置，不管天線與天線罩的間隙大小如何，按照式(1)確定的分流條間距都是相同的。從雷電附著特性可知，影響分流條安全保護(hù)間距的主要因素有:天線與雷達(dá)罩內(nèi)壁的距離、雷達(dá)罩壁的電壓擊穿強(qiáng)度、分流條的擊穿電壓等。根據(jù)這些影響因素，通過比較不同路徑的擊穿電壓，可以得到分流條布局的另一個(gè)公式

式中:Dmax為天線罩上分流條安全保護(hù)間距，單位為mm;u1為單位長(zhǎng)度空氣間隙的擊穿電壓，單位為kV/mm;d1為天線與天線罩內(nèi)壁之間的距離，單位為mm;U2為天線罩罩壁的電壓擊穿強(qiáng)度，單位為kV;U3為分流條的擊穿電壓，單位為kV;u4為天線罩外表面單位長(zhǎng)度的沿面放電電壓，單位為kV/mm。

根據(jù)式(2)確定天線罩表面任意位置處分流條的間隔，因而能夠確定分流條的數(shù)量和長(zhǎng)度。在工程實(shí)踐中，假定某根分流條的位置和長(zhǎng)度，根據(jù)天線罩的有限元模型，計(jì)算該分流條臨近區(qū)域各節(jié)點(diǎn)的Dmax，確定相鄰分流條的初步位置和長(zhǎng)度，并用同樣的方法確定其它分流條的初步位置和長(zhǎng)度。用這種方法初步確定的位置，可能有兩根分流條覆蓋范圍重疊，所以，需要統(tǒng)一微調(diào)分流條的位置并最終確定下來(lái)。

對(duì)于2區(qū)的天線罩而言，閃電通道在高速氣流沖擊下不斷向后彎曲、移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)電通道彎曲、移動(dòng)到一定程度時(shí)，導(dǎo)電通道上的電壓達(dá)到足以擊穿導(dǎo)電通道與鄰近機(jī)體表面的絕緣層時(shí)，就在機(jī)體表面上建立起新的雷擊放電附著點(diǎn)，雷擊放電就從先前的接觸點(diǎn)脫開，在新的附著點(diǎn)上重復(fù)先前的過程，以此形成接觸點(diǎn)不斷向氣流方向跳躍、更新的掃掠雷擊現(xiàn)象。

雷電通道從2區(qū)的天線罩上掃過，天線罩會(huì)受到高電壓和大電流的影響，因此，必須考慮分流條布局問題。雷電2區(qū)的天線罩所需承受的電壓與掃掠距離有關(guān)，平均每米的距離對(duì)應(yīng)170 kV的弧壓。施加在天線罩上某處的弧壓為

式中:d為沿飛機(jī)縱向從天線罩最前端到該點(diǎn)的尺寸。天線罩表面上任意點(diǎn)對(duì)地的擊穿電壓如果都大于該點(diǎn)的弧壓，則該點(diǎn)不用加分流條，否則需要加分流條。

因?yàn)榛号c掃掠距離有關(guān)，所以，分流條沿橫向布置，才能得到較好的效果。可以根據(jù)式(2)來(lái)確定分流條的位置，u4取0.17 kV/mm。

位于3區(qū)的天線罩不會(huì)有雷電的直接附著，也不會(huì)受到掃掠沖擊，所需承受的只是雷電流的傳導(dǎo)考驗(yàn)。對(duì)于3區(qū)的天線罩的雷電防護(hù)問題，應(yīng)結(jié)合飛機(jī)的結(jié)構(gòu)考慮。如果天線罩附近的飛機(jī)結(jié)構(gòu)有足夠的金屬截面，滿足傳導(dǎo)200 kA雷電流的能力，則天線罩不用采取雷電防護(hù)措施。否則，就需要在天線罩縱向加一條分流條，分流條的載流能力應(yīng)足夠。

2.5 應(yīng)用實(shí)例

以圖1所示的機(jī)頭天線罩為例說(shuō)明1區(qū)天線罩的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方法。該機(jī)頭天線罩位于圖1所示飛機(jī)的雷電1區(qū)，之所以說(shuō)是1區(qū)，可以以相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或成品技術(shù)協(xié)議書為依據(jù)。機(jī)頭天線罩內(nèi)有ESM天線、低頻段高增益天線和高頻段高增益天線三組天線，天線的布置如圖4所示。天線罩采用三層夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外蒙皮厚度均為0.8 mm。機(jī)頭天線罩對(duì)電性能要求很高，故選用紐扣式分流條。根據(jù)式(2)，確定分流條的數(shù)量和長(zhǎng)度，結(jié)果如圖5所示。1#分流條的長(zhǎng)度為1 400 mm，2#、4#和6#分流條的長(zhǎng)度均為 1 000 mm，3#和 5#分流條的長(zhǎng)度均為560 mm。分流條沿飛機(jī)航向布置，分流條末端通過搭鐵片與飛機(jī)機(jī)身搭接，以構(gòu)成低阻電流通道。

圖4 機(jī)頭天線罩內(nèi)天線的布置

圖5 機(jī)頭天線罩分流條布局

圖1所示飛機(jī)上的衛(wèi)通天線罩屬于雷電2區(qū)，其外形尺寸如圖6所示。該天線罩采用五層夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)蒙皮、中蒙皮和外蒙皮的總厚度為1.6 mm，天線與罩壁之間的最小間隙為51 mm。天線罩的耐壓等于罩壁耐壓加最小空氣隙的擊穿電壓，根據(jù)天線罩沿飛機(jī)對(duì)稱面的曲線長(zhǎng)度可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的掃掠電壓，結(jié)果顯示掃略電壓大于天線罩的耐壓，所以，必須在天線罩上安裝分流條。根據(jù)式(2)，u4取0.17 kV/mm，確定需要一根分流條，該分流條沿飛機(jī)橫向排布，位于天線罩中間位置。

圖6 衛(wèi)通天線罩外形尺寸

以上兩個(gè)實(shí)例，無(wú)論是機(jī)頭罩還是衛(wèi)通罩，都進(jìn)行了雷電鑒定試驗(yàn)。機(jī)頭罩進(jìn)行了A波和D波附著點(diǎn)試驗(yàn)、電流A分量和B分量試驗(yàn)，試驗(yàn)均順利通過。衛(wèi)通罩通過了掃掠通道附著點(diǎn)試驗(yàn)和電流B、C、D分量試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

天線罩的雷電防護(hù)涉及飛機(jī)飛行安全、飛行任務(wù)完成和天線罩電性能等方面，是一個(gè)復(fù)雜的問題。需要綜合考慮各方面因素，確定天線罩是否需要采取雷電防護(hù)措施。在天線罩雷電防護(hù)設(shè)計(jì)過程中，分流條的布局設(shè)計(jì)非常重要，無(wú)論是采用經(jīng)驗(yàn)公式法還是比較不同路徑的擊穿電壓，都有一定的不確定性，都需要借助雷電模擬試驗(yàn)加以檢查和驗(yàn)證。

［1］ 虞 昊，臧庚媛，羅福山.電 靜電 雷電防護(hù)［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1993.Yu Hao，Zang Gengyuan，Luo Fushan.Electricity，static electricity，lightning protection［M］.Beijing:China Metrology Press，1993.

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