球載設備艙線纜雷擊RS仿真分析

王朋輝　彭平

【摘 要】系留氣球作為一種長時間、定點留空的浮空平臺，容易受到雷擊等各種自然災害。氣球的囊體為絕緣材料，不能為氣球內部電子設備提供良好的電磁屏蔽，在遭受雷擊時產生的強烈電磁脈沖會經過設備艙上的孔洞縫隙耦合而在艙內線纜上感應出電壓和電流，嚴重時造成設備故障甚至損壞，隨著球載電子電氣設備的廣泛使用，雷擊間接效應造成的危害嚴重影響系留氣球的運行安全。本文基于CST軟件仿真球載設備艙內由于雷電間接效應造成線纜上的電磁干擾，為系留氣球的間接效應防護提供參考依據。

【關鍵詞】系留氣球 間接效應 雷擊 電磁耦合

雷電是指帶電的云層和帶異種電荷的其它云層或大地之間發生的一種強烈的放電現象。雷電在極短的時間高壓放電，產生強大的電流。放電的同時產生強烈的電磁輻射和閃光，并伴隨有巨大的聲音。在地球上，平均每天約發生800萬次雷電，雷電電壓可達億伏以上量級，其中每天約有16萬次雷電流幅值達200kA以上的雷電發生，雷電等離子體通道可長達數千米以上，雷電流的變化率可達105A/us量級[1]。

系留氣球工作高度介于幾百米到幾千米之間，而一般云底高度為1～3km，最低可達150m，最高可達幾十千米，它主要負電荷中心的平均高度約為3km。因此系留氣球工作高度位于云層中可能性較大，又由于系留氣球體積較大、工作高度較高，容易受到雷電影響。

1 雷電間接效應防護

當系留氣球遭受雷擊時，通過球上電纜或設備艙內設備電纜耦合產生干擾信號，導致電子設備功能紊亂或損壞。雷電間接效應整機試驗用于測試與評估這種干擾程度。但是雷電間接效應試驗往往耗資巨大，而且還將耗費大量的人力和物力，并且不能很好的作預測性研究。未來的趨勢是利用仿真的方法來部分代替實物測試，在設計階段采用電磁仿真軟件進行雷電效應仿真，及時發現問題、采取改善措施具有很大的應用價值。

2 系留氣球雷電防護試驗標準

目前，國際上及國內關于飛機的雷電防護試驗均已有完善的標準體系，如GJB-3567《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》、SAE-ARP-5416《飛機雷電試驗方法》、SAE-ARP-5412《飛機雷電試驗波形》、RTCA/DO-160F《機載設備的環境條件和測試規程》等標準[2]。系留氣球由升空的氣球、球載設備、系留纜繩、地面設備以及接地系統等構成。根據國際上的通行分類，系留氣球及球載設備系統，屬于飛行器范圍?？梢罁w機雷電防護試驗標準方法體系開展系留氣球雷電試驗方法研究。

3 雷擊環境試驗波形

為在實驗室中模擬出理想的雷擊環境，美國SAE學會的ARP 5412給出了模擬自然閃電特性的電壓波形和電流波形分量。在各種波形中，不同的雷電影響（直接或間接影響）試驗采用的波形參數不同。例如，在直接影響中電流峰值振幅、作用積分和持續時間是主要考慮的因素，而在間接影響中則考慮電流上升和下降的速率。

4 仿真環境建立

球載設備艙結構為金屬框架覆蓋金屬蒙皮，設備艙外形尺寸為700mm×700mm×1000mm，在設備艙內部建立一條線束通道，起點和終點坐標分別為N1（50，50，100）和N2（50，50，800），設備艙前面板設置縫隙尺寸為：寬0.5mm，深0.5mm，其CST模型見圖1，線束通道內設置單芯線、雙絞線、同軸電纜三種導線，終端接50Ω電阻，在CST Cable中生成的模型見圖2。雷電注入波形見圖3。峰值為200kA，最大峰值時間T1=6.4μs，半峰值時間T2=69μs。

5 仿真結果及分析

5.1 金屬設備艙屏蔽效果

雷電擊中設備艙會在設備艙表面形成強大的振蕩電流，見圖4，同時也會通過設備艙縫隙在艙內產生相應的感應電場。由于設備艙表面采用金屬蒙皮，能起到很好的屏蔽效果，見圖5。

5.2 單線、雙絞線與同軸線的感應電壓

遭受雷擊后，會在設備艙內部產生感應電場，艙內的各個線路也會產生感應電壓，見圖6、圖7。單芯線與同軸線對于這些感應場會有不同的表現，由于單芯線外面沒有屏蔽層，對導線外的電場感應非常敏感，會產生較大的感應電壓。對于同軸線，外層的屏蔽網能很好的屏蔽掉外部電場，同軸線內部導體受外部電場影響較小。

6 結語

數值仿真技術對雷擊間接效應的防護設計有很大的工程價值，通過仿真能大大降低雷電間接效應防護設計的人力、物力成本。應用仿真軟件的關鍵在于如何建立合理的模型及設置正確的仿真參數，使得仿真環境更能反映實際情況。

參考文獻：

[1]黃軍玲.飛機線路雷電感應仿真分析[J].科技視界，2014.（32）.

[2]黃軍玲，周利軍.飛機雷電間接效應仿真與研究[J].科學技術與工程，2015.（3）.

作者簡介：王朋輝（1982—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，研究方向：電磁兼容仿真。

彭平（1980—），男，貴州六盤水人，碩士，工程師，研究方向：飛行器電氣設計。