直升機(jī)電子設(shè)備艙瞬態(tài)雷電感應(yīng)磁場特性研究

敬琳

【摘要】飛機(jī)產(chǎn)生雷電效應(yīng)主要受到兩方面因素的影響，分別為雷電電磁效應(yīng)特性以及耦合規(guī)律。因此，通過采取仿真技術(shù)，對于直升機(jī)電子設(shè)備艙內(nèi)雷電感應(yīng)磁場的分布特性進(jìn)行深入的分析，對于各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而以確保仿真實(shí)驗(yàn)的精確度，從而為直升機(jī)電子設(shè)備艙雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)提供可行的參考建議。

【關(guān)鍵詞】直升機(jī)；電子設(shè)備艙；瞬態(tài)；雷電感應(yīng)磁場特性

一、前言

當(dāng)直升機(jī)在飛行過程中，遭遇雷擊是一種非常普遍的現(xiàn)象，如果現(xiàn)象嚴(yán)重甚至可能會引發(fā)非常嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。如果飛機(jī)遭遇雷擊，雷擊所產(chǎn)生的電流以及磁場將會瞬間進(jìn)行傳導(dǎo)，將會導(dǎo)致飛機(jī)內(nèi)部的電子設(shè)備等受到嚴(yán)重的影響，從而產(chǎn)生一定的電流和電壓。如果電流或者電壓達(dá)到了某個級別后，將會使得電子設(shè)備正常的、穩(wěn)定的工作無法受到相應(yīng)的保障，從而帶來嚴(yán)重的破壞作用。這種作用效果被稱作為是雷電耦合的間接作用，即雷電產(chǎn)生的間接效應(yīng)，這將會導(dǎo)致飛機(jī)無法安全的、穩(wěn)定的運(yùn)行。因此，為了能夠有效降低雷電間接效應(yīng)所帶來的傷害，使得飛機(jī)飛行的安全性和穩(wěn)定性得到充分的保障，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了深入的探索與研究。在本文中將會針對直升機(jī)雷電間接效應(yīng)的問題進(jìn)行深入的研究，采用仿真的方法對直升機(jī)電子設(shè)備艙中雷電感應(yīng)磁場的具體分布情況進(jìn)行分析。

二、直升機(jī)電子設(shè)備艙雷電電磁仿真實(shí)驗(yàn)研究

（一）仿真軟件選擇分析

在對直升機(jī)電子設(shè)備艙雷電電磁仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，主要以某種型號直升機(jī)的電子設(shè)備艙盒段作為研究對象，該電子設(shè)備艙主要由鋁合金所制成，并且其中摻雜著一定的鋼材。在該設(shè)備的頂端鋪設(shè)了燃油管路，底部為主體空間。為了研究該電子設(shè)備艙的瞬態(tài)電磁耦合情況，主要采取的方法為仿真法，軟件為EMA3D，該軟件的主要功能為通過對各種具有獨(dú)特特性的飛機(jī)機(jī)構(gòu)的雷電電磁感應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行模擬，能夠達(dá)到一定的準(zhǔn)確性，并且在行業(yè)內(nèi)具有較高的認(rèn)可度。

（二）仿真設(shè)置

現(xiàn)階段，我國大部分的直升機(jī)為了能夠有效降低飛機(jī)自身的重量，大部分會選擇復(fù)合材料。所以，在構(gòu)建仿真模型時，該模型組要由內(nèi)部的底板、外部的蒙皮、肋以及艙梁所構(gòu)成。這些部件均屬于鋁合金材料。然后，將雷電流的脈沖波作用在直升機(jī)的外部部件上，雷電脈沖將會由外部逐漸蔓延至內(nèi)部部件中。在該仿真實(shí)驗(yàn)中，雖然模型得到了一定的簡化，但是其精度還是能夠得到相應(yīng)的保證的。同時，雷電通道主要包括進(jìn)入和退出兩個通道，通過分別在這兩個通道處分別注入以及引導(dǎo)相應(yīng)的雷電流，這種方式可以保證在電子設(shè)備艙蒙皮上的傳導(dǎo)保持相應(yīng)的均衡性。在建模的過程中，為了能夠顯著提升雷電感應(yīng)磁場的便利性特征，從而將坐標(biāo)軸設(shè)在設(shè)備艙的底板及其交線處。

（三）雷電流的波形分析

當(dāng)雷電流進(jìn)入到通道的時候，此時將往里面注入雷電流，所注入的雷電流所呈現(xiàn)出來的波形必須要滿足飛機(jī)防雷的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，必須要保證該波形的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性。一情況下，標(biāo)準(zhǔn)的波形主要有兩種，這兩種的雷電分量分別為A和H。A主要用于表示云地首次遭受到雷電的襲擊，H則表明其屬于云內(nèi)部的雷擊。如果雷電的波形是標(biāo)準(zhǔn)德，那么其應(yīng)該是具有前沿是陡峭、后沿則相對而言即顯得比較平緩。雷電流的頻譜分布也非常寬，但是一般情況下其屬于10MHZ的范圍內(nèi)。H電流的波動幅度較小，但是在剛開始階段，該電流具有較高的上升率。因此，與A電流相比較而言，H電流將會在機(jī)載的電纜上產(chǎn)生更高幅度的振蕩電壓波。

通過相關(guān)的研究表明，在磁耦合機(jī)制中，直升機(jī)雷電耦合是其中的組成內(nèi)容，并且占據(jù)著至關(guān)重要的地位。

（四）蒙皮結(jié)構(gòu)建模

對于直升機(jī)電子設(shè)備艙蒙皮結(jié)構(gòu)部分，其具有厚度較小的特征。在這種情形下，無法直接適用于FDTD的方法，精確度無法得到有效的保障。因此，為了提高計(jì)算精度，可以采用EMA3D的方法進(jìn)行計(jì)算。

三、瞬態(tài)雷電感應(yīng)磁場分布特性分析

由于鋁合金材料的特性在于其具有非常高的電導(dǎo)率。同時，由于蒙皮的厚度僅僅為0.5mm。所以，從理論上而言，雷電感應(yīng)由外部擴(kuò)散到內(nèi)部將會存在著一定的難度。但是，實(shí)際情況卻存在著較大的差別，效果也并非如此理想。由于蒙皮的接頭以及涂層將會導(dǎo)致蒙皮的導(dǎo)電性顯著提升。同時，目前，大多數(shù)飛機(jī)開始采用碳釬維的復(fù)合材料來替代蒙皮，因此，其導(dǎo)電性將會大大降低。以上這些因素將會導(dǎo)致蒙皮的電阻明顯提升，從而將會產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁感應(yīng)，從而將會電流出現(xiàn)重新分布的效應(yīng)，從而將會產(chǎn)生更強(qiáng)的雷電電磁耦合效應(yīng)。

隨著直升機(jī)整個電子設(shè)備艙電阻的相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致雷電感應(yīng)磁場進(jìn)入到內(nèi)部的時間縮短，并企電流將會重新進(jìn)行分布。同時，由于在開始階段，雷電流的脈沖頻率處于較高的水平，電流分配將會受到電磁感應(yīng)分布的制約性影響，機(jī)身蒙皮將會對雷電流起到一定的阻擋性作用。但是，在后期階段，隨著雷電頻率開始出現(xiàn)下降趨勢，雷電流將會開始進(jìn)入到機(jī)艙內(nèi)部，從而雷電流將會開始出現(xiàn)一定的重新分布。由于機(jī)身結(jié)構(gòu)與電感分布兩者之間有著密切的聯(lián)系，機(jī)身材料將會直接決定電阻的大小。如果電阻率較高，電阻分布將會直接決定電流以及磁場的分布。