飛機線路雷電感應仿真分析

黃軍玲

（西南交通大學，四川 成都 610000）

0 引言

雷電對飛機的危害分直接效應和間接效應，直接效應可導致飛機發生熔融、擊穿和結構變形等物理畸變，而間接效應則會使飛機電性能失效或損壞，導致飛機的極限損失。

民用飛機為取得適航證必須開展整機雷電間接效應防護試驗，但是開展整機試驗需要耗費大量人力物力財力，且易受干擾，導致試驗結果不夠精確。[1]近幾年隨著電磁計算方法與電磁仿真軟件開發技術的不斷提高，3D電磁仿真軟件在對整機和設備進行電磁精確計算方面發揮了越來越大的作用。在國外，有學者利用各種數值算法對雷電間接效應進行仿真分析。國內對飛機雷擊間接效應的研究主要集中在飛機雷擊附著點及雷擊附著區域的劃分上。[2]因此，開展飛機線路雷電感應仿真分析研究非常有必要。

文章采用CST MS工作室的TLM（傳輸線矩陣法）求解器對西門諾爾PA44型飛機進行數值仿真分析。根據ARP5416A飛機雷擊測試方法的要求，采用A分量來模擬雷擊環境。建立飛機的3D模型，在模型中設置兩個機箱、一根普通單線以及一根同軸線，設置飛機特定孔縫，分析特定雷擊路徑擊中飛機時機身表面電流分布以及通過孔縫耦合后內部電纜的耦合情況。

1 西門諾爾PA44型飛機建模

1.1 飛機建模及參數設置

飛機模型長8.41米，翼展11.75米，高2.59米，因暫不考慮飛機窗戶上的屏蔽金屬網，機艙內的甲板以及甲板上的座椅等這些結構對電磁兼容的影響，故建模時將這些內容省略掉，模型如圖1所示。

若要將飛機上許多細小的縫隙全部構建出來，工程量太龐大，因此，建模時利用軟件“精簡化模型”模塊對模型中的部件進行“精簡置換”，大大提高了仿真速度和精度。故在其縫隙置換設置中，在飛機的門與機身處設置寬0.006m，深0.002m的縫隙。另外，飛機窗戶需要進行屏蔽金屬網的設置，以免雷擊信號直接進入飛機內部，造成仿真失敗。模型設置中使用100格/英寸的金屬網，其方格寬度為0.205mm，孔的深度為0.001mm。如圖1所示。

圖1 飛機模型

1.2 飛機機箱和線路的添加

建模過程中，為模擬飛機遭受雷擊時內部線路所受到的影響，在飛機機頭合適部位及機身后部各設置一個0.8m×0.4m×0.3m的金屬機箱，并設置一根單線和一根同軸電纜連接兩個機箱。

1.3 仿真設置

1.3.1 激勵源設置

飛機閃電間接效應試驗可采用大電流脈沖注入方法，將電流分量直接注入雷電附著點。為模擬脈沖電流注入試驗條件，仿真中通過兩段從飛機附著點和分離點延伸出來的理想導線來實現。仿真中雷電流注入方式有多條路徑可供選擇，文章將雷擊路徑設置為從飛機機頭進入，從飛機機尾擊出，如圖1所示。

SAEARP5412和ARP5416標準給出的機載電子電氣系統閃電間接效應試驗波形主要以電流分量A為主，低空飛行的飛機會受到此類波形的影響，[3]下面以電流波形A為例進行分析，其表達式為I（t）=I0，波形如圖 2 所示。

圖2 雷擊的電流信號

1.3.2 網格及邊界設置

CST仿真中網格的設置決定了仿真的質量與速度。文章選擇自適應網格加密，程序會進行網格加密迭代，并通過內置的專家系統，自動判斷最佳的網格疏密，達到設定的精度后終止計算，從而得到速度和精度的統一。文章主要研究飛機在空中遭受雷擊時的情形，選擇吸收場作為邊界，即飛機仿真的輻射等不會經過邊界的其他作用后再次對飛機仿真產生干擾，則將維度設置為擴展30%。

1.3.3 探針設置

如圖1所示，在飛機的表面和內部遍布探針，主要用于對飛機各點的狀態的監控。每個探針均有電場和磁場在三個方向的分量，它們可以探測飛機在時域或頻域求解所得的電流、電壓量。

1.4 啟動仿真

仿真啟用CST MS時域全波電磁仿真，采用傳輸線矩陣算法（TLM算法）。啟動算法時，該軟件會自動對網格進行優化，并對仿真內容進行離散化處理，以此來減少仿真的時間。

2 仿真結果及分析

2.1 飛機金屬蒙皮屏蔽效果

雷電擊中飛機后會在飛機表面形成強大的震蕩電流，同時也會在飛機內部產生相應的感應電場，西門諾爾PA44型飛機蒙皮采用鋁合金，它有著很好的屏蔽效果。如圖3所示為飛機蒙皮與機箱感應電場的頻域圖，由圖可以看出，機箱上感應電場相對于飛機表面蒙皮感應電場大約有70dB的衰減。

圖3 飛機蒙皮與機箱的感應電場

如圖 4 所示為雷擊過程中 75ns、225ns、750ns、1.5μs四個時刻的飛機表面電流分布圖。從圖中可以看出，在雷擊作用下，飛機機翼前后緣、水平尾翼、垂直尾翼和發動機上會產生較強的感應電場，這些地方就有可能成為雷擊附著點。

2.3 單線與同軸線的感應電流

遭受雷擊后，會在飛機內部產生感應電場，飛機的各個線路上也會產生感應電流。單線與同軸線對于這些感應場會有不同的表現，由于單線沒有外屏蔽層，所以其對于導線外的電場感應非常敏感，會產生較大的感應電流。而對于同軸線而言，因其內部導體外有一層屏蔽網，能夠很好地屏蔽掉外部電場，所以同軸線內部導體受外部電場影響較小。如圖5所示，在雷擊作用下單線的瞬態沖擊電流最高可達200μA，同軸線上的瞬間沖擊電流最高只有約0.5μA。

單線與同軸線的感應電流頻譜對比如圖6所示，在0~30MHz的頻段上，單線上的感應電流要比同軸線上的高出60dB，由此可見相對

圖4 飛機四個時刻的表面電流分布

圖5單線與同軸線上的感應電流對比

2.2 飛機表面電流分布

單線而言，同軸線具有非常好的屏蔽性能。因此，單線在飛機上主要用于遠離雷電流通道區域及雷擊不敏感設備的連接和電流傳輸，例如，照明設備電路。同軸線一般只用于飛機上重要敏感設備的信號傳輸，如導航系統。

圖6 單線與同軸線的感應電流頻譜對比

3 結論

數值仿真技術對飛機閃電間接效應的測試有著非常重要的工程價值。應用數值仿真軟件的關鍵在于如何建立合理的模型及如何設置正確的仿真參數，使得仿真環境能更真實地反映實際情況。本文依據SAEARP5412和ARP5416等標準的相關規定，用基于傳輸線矩陣法的仿真軟件CST對西門諾爾PA44型飛機閃電間接效應進行研究，重點分析了在特定雷擊路徑下，飛機表面電流分布情況以及內部特定線路的耦合情況，仿真結果基本符合相關理論成果。由此可見，該方法可以對飛機閃電間接效應測試進行有效地模擬，為飛機雷電防護設計提供實驗方法和設計依據，具有重要的工程意義。

［1］陳奇平，方金鵬，王萬富.整機雷電間接效應防護試驗的若干技術探討[J].微波學報，2012，8：305-308.

［2］溫浩，侯新宇，王宏.飛機模型雷擊附著點試驗研究[J].高電壓技術，2006，32(7)：90-92．

［3］SAE.ARP5412B(R)Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].Warrendale,PA：Society of Automotive Engineers，2013.