劉賀楠,郭 俊,伊同強,任德昌

(西安交通大學 電氣工程學院,西安710049)

0 引言

雷電是一種高電壓大電流的放電現象,在地球大氣層中平均每天約發(fā)生800萬次,是自然界中最普遍的放電現象之一,在大氣中運行的高速飛行器(包括火箭、返回式飛船等)不可避免地會遭遇雷電環(huán)境,因而由雷擊引起的飛行器事故時有發(fā)生[1]。雷電對飛行器的危害分為直接效應和間接效應,但這兩種效應并不能絕對分開,有些危害可能既包括直接效應,又包括間接效應[2]。雷電直接效應是指因雷電通道直接附著于飛機和因雷電流的傳導造成的飛機及設備的物理效應,包括表面和結構的絕緣擊穿、爆炸、彎曲、熔化、燃燒以及汽化等,也包括直接注入到布線、管道、控制線纜和其他傳導部件中的電壓和電流,還包括一些其他的效應,如震動效應和對人員的閃光致盲[3]。即使雷電未直接接觸飛行器的電氣線路,對機身的雷擊仍能在該線路中產生感應電壓和電流浪涌,將感應電壓和電流對系統(tǒng)造成的擾動或損壞定義為間接效應。歷史上發(fā)生過多次飛行器雷擊事件,造成了無法估量的損失,因此加強飛行器雷電防護措施具有重大意義。

在國內,能夠完成整機的實驗室雷電間接效應防護試驗的機構主要有中航工業(yè)合肥航太電物理技術有限公司和合肥工業(yè)大學共建的安徽省飛機雷電防護重點實驗室。我國航空工業(yè)到目前為止所有涉及雷電防護試驗的飛機型號均在該實驗室完成。該實驗室己完成的飛機雷電防護試驗項目包括:雷達罩、空速管、設備艙、電子電氣設備(如發(fā)參顯控設備、慣導設備、航姿設備、機載二次配電設備等)、機身盒段、平尾、機翼、復合材料垂尾、螺旋槳、燃油系統(tǒng)等,幾乎涉及所有國產飛機。歐美等國家航空業(yè)發(fā)展早于我國,完成整機的實驗室雷電間接效應防護試驗機構更多、試驗條件更成熟[4]。但是,整機的雷電間接效應防護試驗需要耗費大量人力、物力、財力,易受測試條件干擾,導致試驗結果不夠精確。數值仿真具有花費少、可對整機雷電流時域全過程進行模擬的優(yōu)勢,電磁仿真軟件也被國內外學者廣泛采用。

1 飛行器被雷電破壞案例

雷電擊中飛行器后,在其表面快速上升的大幅值電流脈沖所形成感應的電壓,往往高到足以擊穿絕緣體或造成人員傷亡,即使雷電沒有直接擊中飛行器,雷電的間接效應可能會導致飛行器中某些關鍵電子設備損壞,致使飛行器失去控制。世界范圍內雷電導致飛行器失控的事故并不少見。

1961年秋,部署在意大利攜有140萬噸當量熱核彈頭的美國丘比特固體導彈在發(fā)射陣地多次遭雷擊,受到嚴重損壞[5]。1984年6月上旬,日本反坦克部隊在進行固體運載火箭實戰(zhàn)演練時,遭受雷擊,火箭落地墜毀,同時超高壓大電流傳導到操作臺,操作人員受到不同程度的燒傷。1988年9月,越南一架客機在曼谷上空遭雷擊,76人遇難。1994年7月,我國某固體運載火箭在進行飛行試驗時,遭受間接雷擊,導致關鍵設備損壞,造成飛行試驗失利。2000年我國一架飛機在降落時遭雷擊,51人遇難[4]。2007年10月,國航某客機受到雷擊,導致數航班延誤,幸未造成人員傷亡。2010年哥倫比亞的一架飛機遭雷擊,飛機斷為三段[6]。

2 雷電對金屬結構材料飛行器的直接效應與防護

2.1 雷電對金屬結構飛行器的直接效應

為避免遭受雷擊環(huán)境破壞,飛行器的制作材料和其組裝方式是現代飛行器設計制造應考慮的兩個重要方面。傳統(tǒng)鉚接結構的鋁機身,由于其優(yōu)良的導電性,很少因雷擊而遭到嚴重的結構破壞,并且這些結構可以為一些敏感系統(tǒng)和機內人員提供良好的保護。

金屬結構主要是指飛行器的外蒙皮,包括內部的金屬支架,如翼梁和艙壁。由于雷電流擴散并流經雷電進入點和雷電離去點之間的整個機身,因此在機身段的大部分位置電流密度很低,另外制造這些結構的鋁提供了優(yōu)良的導電性,因此很少造成物理破壞。一方面,當電流路徑上兩結構部件之間有不良電連接時,才可能有兩部件之間起弧引起的物理損壞;另一方面,在進入點或者離去點附近的電流通路覆蓋區(qū)域,磁力集中和電阻加熱可能導致這些區(qū)域上的損壞?？傮w來說,雷電對金屬結構飛行器的直接效應包括以下幾方面[7-8]:

1)在金屬表面附著點處的熔穿或沖擊波效應;

2)雷電流導致金屬體溫度升高;

3)磁力效應;

4)聲沖擊效應;

5)在搭接、接頭處起弧;

6)燃油箱易燃蒸氣的點燃。

導致飛行器金屬表面熔穿的原因是雷電在附著點處釋放出高能量,在金屬蒙皮上某一特定附著點產生的破壞主要取決于雷電在該點附著的時間長短,如果雷電通道迅速掃掠過未涂漆的鋁蒙皮,則可能只是使得蒙皮外表面上產生微小的凹痕;反之,如果雷電停留時間更長,就增加了金屬表面發(fā)生熔穿的概率。

2.2 對金屬結構飛行器的直接效應防護措施

為防止飛行器金屬表面附著點處的熔穿,通常采用增加厚度、弧根分散和多層進行防護。

弧根分散是用起伏不平的導電涂層處理外表面的一種防護,起伏不平會造成表面電場附近的電場出現不均勻,從而導致弧根分成多個路徑。當雷電附著在飛行器表面時可以分成多條電流細絲,則附著在蒙皮表面時就會產生多個附著點,這相當于把總能量分散到單個點,通過促使弧根分散的表面處理可以將蒙皮損壞降到最小。

防止金屬表面附著點處熔穿的直接方法就是使用足夠厚的金屬板作為蒙皮,具體的蒙皮厚度取決于雷電駐留時間。對于分區(qū)過的機身,不同區(qū)中雷電駐留時間不同,則蒙皮厚度也不同。如處在1A區(qū)中,典型的涂層厚度下駐留時間假設為20ms,此時蒙皮厚度為2mm～3mm[2]。在飛行器設計過程中要滿足防止蒙皮熔穿的設計標準。

保護金屬蒙皮其他常用方法就是用多層進行防護,將一個薄的金屬保護層用不導電的膠黏劑黏結到金屬蒙皮表面,使其分層。這樣,熔化常局限于金屬的外層,內層不會損壞。

3 雷電對飛行器復合材料的直接效應與防護

3.1 雷電對復合材料的直接效應

目前全金屬飛行器幾乎沒有,飛行器正在采用高強度、輕質化纖維增強復合材料構造,而這些材料的導電性卻比鋁小得多。用于飛行器的不導電材料包括纖維增強復合材料、玻璃纖維、丙烯酸樹脂等,這些不導電復合材料用來制造飛機上的許多結構,包括雷達罩、機翼尖和尾翼尖、整流罩和尾翼等。

由于電場可以穿透不導電復合材料制成的表面,迎面先導可能從不導電蒙皮下的導電物體發(fā)生,并可能在這些蒙皮上穿孔,這樣雷電可能附著金屬上,迎面先導造成的穿孔通常像針孔一樣微小,如圖1所示。如果雷電流過大,則孔隙將變得很大,常常對周圍材料造成重大損壞。

圖1 雷電擊穿聚乙烯印記Fig.1 The mark of lightning-penetrated polyethylene

導電復合材料包括樹脂加強的各種碳纖維或碳絲的不同排列,以及樹脂加強的各種硼絲的不同排列,碳纖維復合材料(CFC)最為常見。然而,碳纖維增強樹脂復合材料相比于傳統(tǒng)的金屬材料如鋁、鋼和鈦合金其導電率較低,對雷電更加敏感。低電導率的結構材料能夠吸收更多焦耳熱(電阻加熱)形式的電能,這意味著相比于同體積的鋁,雷電在碳纖維增強樹脂復合材料中能量被吸收更多,考慮到碳纖維復合材料的物理特性,其雷電損傷程度比相應的金屬材料高得多,損傷更為嚴重。雷擊造成碳纖維復合材料的損壞包括樹脂高溫熱解和由于沖擊波效應造成的層合板破裂,這種損壞發(fā)生在雷擊附著點或其附近,主要是雷電流所致[9]。

3.2 對復合材料直接效應防護措施

飛行器某些結構是否需要雷電防護取決于它的功能和損壞后果。如損傷不產生嚴重的危險,則不必要求防護。如尾翼尖的丟失可能不會危及整機安全,可不予防護,萬一遭受雷擊,可對這些部位進行修理或者更換。但如影響飛行器安全就需要加裝防護措施,如雷達罩的丟失可能會引起雷達失效,造成事故。

不導電復合材料雷電防護通常有兩種基本方法。第一種是在外表面采用整體金屬(通常是鋁)分流條或分段式分流條,這些分流條提供了結合先導形成的優(yōu)先位置;第二種方法是在結構的外表面敷設一層導電材料。外表面敷設導電材料是最有效的雷電防護,它還提供了保護密閉系統(tǒng)免受與雷電相關的磁場和電場影響的增強性保護。

分流條根據安裝位置與制作工藝不同可大致分為以下4種:整體分流條、內分流條、箔條、分段式分流條。整體分流條是連續(xù)的金屬條,放置在不導電蒙皮外面,以提供優(yōu)先的流光和結合先導發(fā)源地,目的是從分流條傳播的流光攔截雷電并安全地將雷電流傳導到一個相鄰的導電結構上。內分流條是整體分流條用緊固件安裝在雷達罩的內表面,緊固件穿出雷達罩壁,起雷電附著點作用,相比于外置式分流條,內置式分流條降低了由于外部安裝而產生的空氣動力阻力,其缺點是可能發(fā)生內側雷電。箔條是以前飛行器雷電防護采用的方法,現在很少使用,因為它們可以融化或汽化,通常只提供一次性雷電防護,對后面的雷電就失去了保護,并且箔條爆炸有時會損壞其附著的復合材料。分段式(矩形金屬鈕扣式)分流條以獨有的質量小、透波性能強、形狀適應性好等優(yōu)點越來越受到雷達罩防雷設計者的青睞[10]。在大多數應用中,它們與整體分流條一樣有效。矩形金屬鈕扣式分流條在對機載雷達罩形成雷電防護的過程中,隨著雷電下行先導向飛機不斷逼近,分流條表面的感應電場強度逐漸超過擊穿臨界值,分流條將發(fā)生擊穿,并在上方產生雷電上行先導,當上行先導與下行先導相遇,雷電流將通過被擊穿導通的分流條流向機身,從而避免雷達罩的損壞,實現雷達罩的雷電防護。分段式分流條的形狀如圖2所示。

圖2 金屬鈕扣式分流條的樣品實物圖Fig.2 Physical sample of metal button diverter strip

另外一種防護方法就是用導電涂層防護,即在不要求電磁透明的地方,將導電材料應用于不導電表面以此將雷電流傳導到機身,材料包括電弧或火焰噴涂金屬、編織金屬絲網、整體和網狀金屬箔、鍍鋁的玻璃纖維等。

對于導電復合材料的防護,一般采用編織絲網,與CFC配合使用延展金屬箔、鍍金屬的CFC、交互編織的金屬絲等?？傮w來說,這些方法的基本原則有兩個:

1)提高電導率,促使雷電流進入防護層而不流入CFC;

2)促使雷電流在大范圍內多點流入蒙皮,即弧根分散,避免蒙皮損傷。

4 雷電對飛行器其他直接效應與防護

飛行器的某些機構可能由于遭受雷電流的強磁場而變形損壞,當同方向電流流經兩條或兩條以上的平行導線時,其間的相互吸引力作用于導線上,嚴重時致使導線變形斷裂,可能遭受磁力損壞的部件包括搭接條、雷電分流條、天線或空氣數據探頭等。對磁力損壞進行防護的原則是使搭接條盡可能短,最大程度降低搭接條的感應電壓;采用足夠大橫截面積載送雷電流;如果使用兩個或者兩個以上平行搭接條導線,則應該使它們有效分開,以使磁力效應減至最小。

當雷電流流入到先導通道中,大量的能量在數百微秒內被輸送到該通道,導致該通道以超聲速膨脹,膨脹期間通道壓力為10～15個大氣壓,沖擊波造成破壞的例子包括風擋和航行燈罩破裂或破碎?，F代的風擋多為多層結構,有足夠的強度經受住沖擊波而不會被完全擊碎。

接頭傳導大電流而不出現火花燒蝕的能力由接觸材料、配合表面的形狀和表面積以及表面處理方式、接觸壓力確定,這些因素是影響接頭電阻的因素。任何接頭或者緊固件對安全載送雷電流的適合性必須在指定的全部雷電的電流電平下通過試驗確定[2]。

對于燃油箱易燃蒸氣的點燃的雷電防護是一個重要而系統(tǒng)的過程,主要目的是抑制和避免雷電導致燃油箱口蓋和結構接頭處起弧,在此不詳細論述。

5 雷電間接效應與防護

5.1 雷電間接效應

雷電的間接效應是指雷電流輻射的電磁脈沖對電子電氣設備及系統(tǒng)的干擾和損傷效應。主要表現為雷電流產生的靜電感應、暫態(tài)過電壓和電磁耦合。而電磁耦合主要包括阻性耦合、磁場耦合和電場耦合3種方式[11]。從外界電磁環(huán)境到飛行器內部最重要的耦合形式是開口耦合[12]。雷電電磁脈沖是一種強瞬態(tài)電磁輻射,極易耦合到雷電附著點附近的通信和雷達天線上,對天線設備造成損傷。雷電電磁脈沖還會通過各類孔縫耦合到機體內部,對機體內部的動力、控制、監(jiān)測和通信等重要的電子設備和系統(tǒng)造成干擾和破壞。此外,雷電電磁脈沖也會耦合在電源線和通信線等各類線纜上,感應出高幅值的瞬態(tài)電壓和電流浪涌,侵入各類與線纜相連接的關鍵電子系統(tǒng)和設備內,對飛行器安全具有極大的威脅。

任何電磁干擾的發(fā)生都必然存在干擾能量的耦合途徑(或傳輸通道)。通常有兩種耦合方式:一種是傳導耦合,另一種是輻射耦合[13]。傳導耦合必須在干擾源和敏感電子設備之間有完整的電路連接,干擾信號沿著這個連接鏈路傳到敏感設備,發(fā)生干擾破壞現象。輻射耦合是指干擾信號通過空間傳播,干擾能量按電磁場的規(guī)律向周圍空間輻射[14]。

現代飛行器越來越多地采用先進電子設備,機身蒙皮大規(guī)模地使用復合材料,這使得艙室內部的電子設備和線纜對雷電電磁環(huán)境十分敏感[15]。飛行器一旦遭受雷擊,后果不堪設想,因此為保障飛行器的航行安全,必須對雷電間接效應進行雷電防護設計并進行雷電試驗驗證。

5.2 雷電間接效應防護措施

對于飛行器來說,不可能將巨大的能量泄放到大地,只能通過均衡的原理在其內部建立等電位差。均衡原理要由電位補償系統(tǒng)來實現,電位補償系統(tǒng)由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導線和等電位連接器組成,在瞬態(tài)現象存在的極短時間里,這個系統(tǒng)可以迅速地在被保護系統(tǒng)所處區(qū)域內所有導電部件之間建立起一個等電位差,這個電位差就是我們設計提出的箝位電壓值[16]。

飛行器內部各種電子設備的機箱很多是由金屬板材加工組合而成的。由于技術水平的限制和功能的需要,難免存在各類孔縫,有的還在殼體上有各類開口。如各種操作平臺的顯示器、通風散熱窗口、操作顯示窗口、電源、信號的出入口等這些孔隙是電磁脈沖能量進入的重要途徑。

屏蔽是防止和減小雷電電磁脈沖以輻射對敏感電子設備危害的最有效方法之一。由于雷電的電場和磁場均較高,要求屏蔽材料既具有良好的電屏蔽,又具有良好的磁屏蔽效果。對屏蔽體的所有縫隙進行良好的焊接、壓接、或彈性接觸,并對屏蔽體的貫穿導體在入口進行良好的電連續(xù)性處理,都是提高系統(tǒng)屏蔽效果的有效方法。

針對雷電電磁脈沖傳導耦合方式,通常采用雷電防護器件或者防護器件組成的電磁脈沖防護模塊[17]。端口綜合防護模塊的核心是浪涌防護器件,常用浪涌防護器件包括開關類器件和鉗壓類器件兩大類。開關類器件包括氣體放電管、玻璃放電管等,鉗壓類器件包括壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor)二極管等。表1是常用浪涌防護器件的性能特性。

表1 常用浪涌防護器件性能特性Tab.1 Performance characteristics of common surge protection devices

開關類器件通常具有較大的通流能力,但其響應速度較慢,理論上為ns級;鉗壓類器件的響應速度通常較快,其中TVS的理論響應時間為ps級。TVS非線性特性比壓敏電阻好,能夠用于需要精密保護的電子線路中,有單向和雙向兩種類型,TVS不易老化,使用壽命長,但是它的缺點是額定電流小,TVS二極管在快脈沖作用下鉗位特性更加良好,而壓敏電阻在應用中具有工作電壓高、泄流能力強的優(yōu)點。因此可以發(fā)揮各自優(yōu)勢,采用高低配合的模式設計防護電路,達到防護響應時間與通流量的要求[18]。

飛機雷電間接效應防護的目標是減小機內電子電氣系統(tǒng)及其互連線束區(qū)域的內部雷電瞬態(tài)環(huán)境,使得通過互連線束耦合在設備接口的實際瞬態(tài)電平不大于預期的瞬態(tài)控制電平。

自2006年開始實施的我國軍方標準GJB1389A[19]提出了飛機系統(tǒng)雷電間接效應防護設計要求,此標準和美國軍方標準MIL-STD-464A類似[20],要求雷電間接效應的符合性應通過飛機系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設備和部件試驗、分析或試驗與分析組合等方法來驗證,并規(guī)定了飛機系統(tǒng)雷電間接效應驗證試驗“電流波形A、B、C、D”“多重沖擊波形D”和“多重脈沖組波形H”及其對應參數,波形參數見表2。

表2 MIL-STD-454A雷擊信號類型Tab.2 Type of lightning strike signal in MIL-STD-454A

對于雷電間接效應,機載電子電氣系統(tǒng)應采用綜合設計技術,從系統(tǒng)架構、軟硬件方面減少雷擊瞬態(tài)感應場對其造成的影響,系統(tǒng)設計應避免在飛行器內部長距離傳輸信號。

在硬件設計方面,需要從搭接、布線方式、布線長度、接地、屏蔽、濾波等方面綜合考慮,將一個連接器的模擬電路信號與數字電路信號分區(qū)布置。軟件設計也可以增加系統(tǒng)對雷電感應瞬變的抗擾度,這些技術包括數據通信、中斷、定時器、多處理器、余度、非相似程序、容錯等[21]。

6 結論

雷電直接效應和間接效應可對飛行器的安全構成巨大威脅,大量復合材料的使用使飛行器內部電子電氣系統(tǒng)的電磁環(huán)境更加復雜。對于不同的材料應使用不同的雷電防護方式,對于金屬材料可采用弧根分散、增加金屬材料厚度和使用多層的方法進行雷電直接效應防護。對于復合材料可以使用分流條、導電涂層、編織絲網和金屬鋁箔進行雷電直接效應防護;對不同的雷電作用方式應用不同防護措施,針對電磁脈沖輻射耦合方式可以用屏蔽的方式進行防護,并對屏蔽體的縫隙進行良好的焊接、壓接、或彈性接觸以提高屏蔽效果;針對電磁脈沖傳導耦合方式可以用浪涌防護器件的方式進行防護,采用壓敏電阻和TVS二極管高低配合的方式,可達到防護響應時間和通流量的要求。

總的來說,對不同的應用材料,對雷電不同作用部位與方式應采用不同的防護方法對飛行器進行有針對性的防護,整體機載電子電氣系統(tǒng)應采用綜合防護設計技術,并最終通過驗證試驗,確保飛行器的安全。