飛機艙內雷電電磁環境仿真研究

趙忠義唐召勝黃海龍

飛機艙內雷電電磁環境仿真研究

趙忠義1唐召勝2黃海龍1

（1.遼寧工業大學，遼寧錦州121001；2.四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽621000）

為了進一步提高飛機艙內電子設備對雷電間接效應的防護能力，依據SAEARP5412等相關標準的規定，以飛機艙內電子設備所在位置的電磁環境為研究對象，建立了雷擊時飛機艙內電磁環境的仿真模型，對仿真參數進行了設置.仿真比較了雷擊飛機時不同艙室內的耦合場，并獲得了艙內電子設備所接線纜的瞬態耦合電流.仿真結果表明：同一放電通道下駕駛艙內的耦合場最強；艙門處定義了縫隙結構以后，艙門附近的電場和磁場強度都增大；同軸線纜有較好的屏蔽效能，在飛機遭受雷擊時，可以有效避免芯線產生較大的瞬時感應電流研究結果對飛機艙內電子設備的雷電防護具有一定的指導意義.

電磁環境；模型；耦合場；數值仿真

引 言

當雷電附著在飛機機頭或在其鄰近位置放電時，雷電電流的瞬態過程會產生強大的雷電脈沖電磁場，在電磁耦合效應的作用下，將會有部分雷電能量傳導或輻射到機載電子電器設備上，導致計算機、顯控臺、燃油儀表、雷達等危及飛行安全的設備出現故障，而使飛機出現災難性事故，我們通常稱這種現象為雷電的間接效應.

雷電對飛機作用的后果往往是災難性的［1］，例如1987年洛杉磯機場，在2月24日這天幾小時之內有6架飛機被雷電擊中，當時天氣是陣雨并偶有雷電，其中4架波音727飛機在1.1～2.4km的高度上受到雷擊，雷達天線罩等被擊穿；另有一架波音737飛機在大約1km的高度上受到雷擊；還有一架T－38A噴氣式飛機在高度約為0.8km處受雷電感應而發生爆炸，隨即著火，燒壞飛機中部外殼.一架典型的商用飛機大約每3 000飛行小時遭遇雷擊一次，亦即約每年一次.據美國軍方統計，20世紀70年代這10年間平均每年有一架飛機因遭受雷擊而墜毀，各種等級的事故每年不下百起.

隨著現代航空航天技術發展，飛機越來越多地使用電子計算機、電傳操縱系統以及航空電子設備，它們對外部電磁環境的敏感程度比傳統的機械系統要高得多.當遭遇雷擊時，雷電對飛機的耦合效應會對飛機艙內的電子設備產生影響或干擾從而導致飛行器電子設備的工作異常甚至可能失靈，而飛機電子設備的異常無疑是會對飛機的安全飛行造成重大影響［2－6］.因此，研究飛機的雷擊耦合特性具有重大意義.

1 仿真方法研究

1.1仿真軟件選擇

雷擊時飛機艙內電磁環境仿真研究，是在CST MS studio中進行的.CST MS工作室利用傳輸線理論、電路仿真與3D全波電磁場仿真的方法得到精確和快速的電磁兼容結果，消除了必須在純2D橫截面仿真分析和純3D全波電磁場仿真分析之間做出選擇的難題.在CST MS工作室中，可以便捷定義復雜線束模型.CST MS工作室的線纜庫中有四類基本線形：單線，排線，雙（多）絞線與屏蔽線（實體屏蔽層或編織線）.也可以在這些基本線形的基礎上自行定義任意復雜線纜線束.

CST MS工作室基于傳輸線理論基礎，根據線纜線束模型生成等效電路模型.自動對線纜線束進行網格剖分，并將每一個網格劃分為足夠多的段來計算傳輸線參量.時域與頻域仿真時都計及趨膚效應與介質損耗.采用通常的全波算法仿真類似縫隙等的精細結構的電磁泄漏很困難，需要耗費大量的仿真時間和計算機內存.CST MS提供一整套精簡模型，將電尺寸微小結構：通風板、碳纖維板、屏蔽柵網、燕尾槽、散熱孔陣和縫陣、搭接緊固螺釘等置換為相應的等效模型，由于采用了這些精簡模型，避免對它們劃分網格，使得此類電磁干擾（ElectroMagnetic Interference，EMI）問題得以快速準確地進行仿真.

1.2仿真研究方案

數值模擬方案主要依據SAE－ARP5416［7］直接影響試驗方法試驗進行設計.

仿真在CST MS STUDIO中進行，由于機載二次雷達電子設備在飛機內各艙室均會有電纜分布或終端設備分布，因此，仿真主要選取了飛機的幾個主要艙室進行仿真研究.

機載二次雷達艙內電子設備所在位置的電磁環境仿真研究的步驟主要包括以下幾步：

1）選擇電磁計算軟件及計算方法；

2）建立仿真環境；

3）確定模型仿真參數及邊界設置；

4）仿真結果的提取和分析.

2 數值仿真模型建立

2.1仿真模型建立

仿真在CST MS STUDIO中進行，模型采用某型軍用運輸機.按照1∶1的比例進行建模，飛機翼展50.45m，機長49.59m，機高14.76m.

2.2仿真設置

現代世界主要運輸機已大量使用復合材料以減輕飛機重量，增加飛機載重，包括我國正在研制的大型軍用運輸機也會部分使用復合材料，因此，為使研究貼近實際，為飛機的設計制造提供一定的參考，我們按照現代大飛機的制造工藝對模型的材料進行設置，將飛機的機翼前緣、前起艙和主起艙的艙門以及飛機尾翼設置為具有一定導電能力的碳纖維復合材料，碳纖維介電常數設為6.7，電導率設為1 000S／m.

參照SAE－ARP5412標準［8］，外部閃電環境由電流分量A（首次回擊）、B（中間電流）、C（持續電流）、D（后續回擊）、H以及多回擊（Multiple Return Strokes，MRS）和多脈沖（Multiple Pulse，MB）波形設置組成.為了分析雷擊對飛機結構的間接影響，雷電流采用A分量.

在CST微波工作室中設置的激勵電流波形如圖1所示.電流峰值200kA，上升時間（峰值10%～90%的時間）3.8μs，峰值時間6.7μs，波形持續時間500μs.

圖1 仿真激勵波形

由于雷電流95%的能量集中在1MHz頻率范圍內，最高頻率不超過10MHz，因此，仿真時將頻率范圍設置為0～10MHz.

以雷擊從機頭注入，機尾流出為例.當飛機機頭被擊中的時候，雷電流到達機尾的時間為t1，當雷電流傳到機尾時，為了在時間上覆蓋波形A的半寬度，還需要一定的時間t2.因此，綜合考慮以上兩種情況，仿真計算的時間t必須足夠長，即t≥t1＋t2時，從而能夠滿足飛機上各個部位的監測點的電流波形能夠完整流過，電流波形的上升沿、下降沿都能明顯表現出來［9］.

CST MS基于ACIS內核的通用實體建模工具來定義幾何結構，采用Octree多級網格合并技術三維網格將飛機實物模型進行六面體剖分.網格的數量與計算域的大小、網格密度有關.網格剖分得越細致，計算誤差就越小，但計算量也會急劇增加.因此必須在保證計算精度的條件下，選用合理的網格密度.由于計算機計算能力以及仿真時間的限制，只能在有限的區域內進行計算.為了能夠模擬開域的情況，人們提出了吸收邊界的概念.吸收邊界使散射波能夠自由地穿過虛構邊界或者被虛構邊界完全吸收而無反射.

通過對不同吸收邊界擴展度和網格剖分的比較分析，最終確定將吸收邊界擴展度設為10%，每波長10個網格，總的網格數為1.778×106個.

3 仿真結果與分析

雷擊時飛機內部耦合場的仿真主要依據SAEARP5416中關于電流波形定義以及閃電防護測試方法的試驗方法進行分析.

在SAE－ARP5416閃電防護的測試方法中，采用大電流脈沖波形注入方法模擬閃電擊中飛機，來分析雷電間接效應產生的內部閃電環境場分布.為此，首先要建立放電通道、雷電電流在飛機上的進入點／離開點，金屬和復合材料以及機內結構等仿真模型，進而分析雷電擊中飛機時，飛機內不同艙室的耦合場分布.

3.1同一放電通道下各艙室耦合場比較

為比較雷擊飛機時不同艙室內的耦合場值，選用機頭進機尾出的雷電流放電通道，在飛機各艙室內共設置11個檢測點，檢測各艙室的耦合電磁場，其中駕駛艙內4個監測點，3個點在玻璃附近，一個點在駕駛艙內部，貨艙內三個監測點，一個點在艙門附近，一個點在貨艙中間，一個點在貨艙尾部，其他艙室各設置一個檢測點，各艙室耦合場監測點位置如圖2所示.

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圖2 飛機內部耦合場監測點設置

為比較同一放電通道時不同艙室的電磁環境，在每個艙室中各取一點的電場值和磁場值作為比較，分別為駕駛艙內2點、電子設備艙內的5點、前起艙內的6點、貨艙內的8點、主起艙內的10點以及尾艙內的11點共六個點，各艙室的耦合場峰值匯總如表1所示.

由表1可知，耦合場最強處在駕駛艙，最大電場強度為2 800kV／m，最大磁場強度為10 000A／m，主要因為駕駛艙的玻璃導電性比較差，幾乎絕緣，屏蔽性很差，因此通過駕駛艙玻璃耦合進入駕駛艙的能量比較大；而前起艙、主起艙以及尾艙的耦合場值相近，這是因為三個艙室都是由金屬結構和部分具有一定導電能力的復合材料構成，復合材料對電磁場可以起到一定的屏蔽作用，但其屏蔽性能不如金屬材料，因此部分能量會通過復合材料耦合進入腔體內部；耦合場強峰值最小處在貨艙，電場強度峰值為0.085kV／m，磁場強度峰值為0.32A／m，貨艙的耦合場強峰值遠小于其他四個艙室，這是由于貨艙周圍都是金屬結構，因此屏蔽性能很好，耦合進入腔體內部的能量也就很小.

表1 各艙室耦合場峰值

3.2艙門處定義縫隙結構后對附近場分布的影響

在飛機貨艙、尾艙等艙門處，不可避免地與機身主體存在縫隙.而縫隙的存在對飛機內部特別是艙門附近的電磁環境會產生一定影響.因此在飛機的仿真計算中，必須將艙門的縫隙結構考慮進去，使用CST中提供的縫隙精簡模型，對艙門四周開縫，縫隙寬度設為2mm，仿真比較開縫前后艙門附近的電磁環境變化.仿真結果如圖3和圖4所示.

圖3 艙門附近處電場比較

比較圖3和圖4可以發現，艙門處定義了縫隙結構以后，艙門附近的電場和磁場強度都變大，電場強度由75V／m增大為170V／m，磁場強度由0.43 A／m增大為98A／m.這是因為定義了縫隙結構后部分能量會通過縫隙耦合進入飛機，由于縫隙結構較小，耦合進入腔體的能量較小，因此耦合場增幅不大且能量主要集中在艙門附近.

圖4 艙門附近處磁場比較

3.3艙內電子設備電纜瞬態耦合仿真

仿真采用的電纜類型為RG58同軸電纜，電纜兩端接50Ω電阻.電纜在飛機內可能會貫穿不同的艙段，在貫穿時不能與隔板相碰，以免造成仿真的不準確.艙內電子設備的電纜分布及走向如圖5所示.

圖5 尾艙及貨艙到電子設備艙的電纜

由于線纜要穿過相應艙室，需要在隔板上設置電纜貫穿的孔洞，孔洞太大，會使不同艙段內的能量耦合到其他艙內造成仿真結果不準確，孔洞太小，又會在針對網格的局部剖分時產生大量的網格，大大增加了仿真的時間.經過比較，最終確定孔洞直徑為10mm，可以通過三根電纜，既減少了孔洞的數量，又幾乎不會對仿真結果造成影響.

電纜上的電流仿真結果如圖6所示，由圖6可以看出，尾部艙室電纜上的芯線和外皮電流峰值相差200多倍，由此可見同軸線纜有很好的屏蔽效能，在飛機遭受雷擊時，可以有效避免芯線產生較大的瞬時感應電流.芯線上瞬態耦合的感應電流峰值為0.12A，對電子設備會造成一定影響.

圖6 機身尾部艙室到電子設備艙電纜電流

4 結 論

飛機艙內雷電電磁環境的數值仿真具有重要的工程應用價值，為此建立了雷擊時飛機艙內電磁環境仿真的計算模型并對仿真參數進行設置.在不同情況下對雷擊時飛機內部艙室的耦合場進行了仿真計算，通過分析，獲得如下結論：

1）同一放電通道下駕駛艙內的耦合場最強，其次是尾艙，電子設備艙和貨艙內的耦合場最小.

2）艙門處定義了縫隙結構后艙門附近的耦合場峰值增大.

3）仿真了雷達艙內電子設備所接電纜的瞬態耦合電流，尾部艙室電纜上的芯線和外皮電流峰值相差二百多倍，芯線上瞬態耦合的感應電流峰值為0.12A，對電子設備會造成一定影響.

上述研究結果對飛機艙內電子設備的雷電防護具有一定的指導意義.

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Simulation research on lightning electromagnetic environment of aircraft cabin

ZHAO Zhongyi1TANG Zhaosheng2HUANG Hailong1
（1.Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning121001，China；2.Sichuan Jiuzhou Electronic Group Co.，Ltd，Mianyang Sichuan 621000，China）

In order to improve the protection of electronic equipments in aircraft cabin against the indirect effects of lightning，and based on SAE－ARP5412and other related standards，the paper establishes a simulating calculation model at the time of lightning and designs simulation parameters on studying the electromagnetic environment of electronic equipments in aircraft cabin.comparison of the galvanic coupling field in different cabins ismade by simulation when lightning and the transient coupling current of the electronic equipment cable is achieved.The simulation shows that，the galvanic coupling field inside the aircraft cockpit is most powerful compard with other cabins in the same discharging channel；both electric field and magnetic field increases when the gap structure at the cabin door is defined；coaxial cable has a better shielding efficiency，which helps to avoid the generation of a greater transient induced current on the core wire.The result of the study has a certain guiding significance for the lightning protection of electronic equipments in the aircraft cabin.

electromagnetic environment；model；coupling field；numerical simulation

V242.1

A

1005－0388（2015）02－0391－05

趙忠義（1971－），男，遼寧人，副教授，博士，主要研究方向為電磁兼容和電磁防護.

唐召勝（1979－），男，四川人，工程師，碩士，主要研究方向為通信電子和電磁防護.

黃海龍（1982－），男，遼寧人，副教授，博士，主要研究方向為電子工程和信號處理.

趙忠義，唐召勝，黃海龍.飛機艙內雷電電磁環境仿真研究［J］.電波科學學報，2015，30（2）：391－395＋408.

10.13443／j.cjors.2014041701 ZHAO Zhongyi，TANG Zhaosheng，HUANG Hailong.Simulation research on lightning electromagnetic environment ofaircraft cabin［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：391－395＋408.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014041701

2014－04－17

聯系人：趙忠義E－mail：zzy828＠163.com