系留氣球的球載設備雷電間接效應試驗方法

曹劍坤　陳中

【摘 要】系留氣球作為一種地面系留的飛行器，在空中工作時易遭受雷擊，必須對其進行雷電防護設計。目前，針對系留氣球的雷電防護標準尚未發布。本文參照機載設備的防雷標準，對系留氣球球上設備的雷電間接效應防護進行了梳理和分析，包括了試驗方法、試驗波形選取和實例分析。該方案可對系留氣球球上設備的雷電間接效應試驗有一定指導意義。

【關鍵詞】系留氣球;雷電;間接效應;試驗方法

中圖分類號： V273;V321.227 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）10-0048-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.018

Experimental Method for Lightning Indirect Effect of Balloon-borne Equipment with Captive Balloon

CAO Jian-kun CHEN Zhong

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Anhui ?Hefei ?230088， China）

【Abstract】The captive balloon as a ground tethered aircraft is vulnerable to lightning strikes when working in the air. So it must be designed for lightning protection. However， the lightning protection standards for captive balloons have not been released at present. Referring to the lightning protection standard of airborne equipment， this paper analyzes the lightning indirect effect protection of the balloon-borne equipment with captive balloon， including the experimental method， experimental waveform selection and case analysis. This program provide guiding significance for the lightning indirect effect experiment of the balloon-borne equipment with captive balloon.

【Key words】Captive balloon; Lightning; Indirect effect; Experimental method

0 概述

系留氣球是一種無動力氣球飛行器。系留氣球通過系留纜繩與地面設備連接，球體內充滿氦氣，依靠自身浮力懸停在空中。球上可搭載任務載荷，為其提供較大的對地視界范圍。球上設備的供電是通過系留纜繩從地面獲取的。系留氣球通常位于離地一定高度的空中工作，其遭受雷擊的概率較大，系留纜繩在供電和系留的同時也提供了雷電流泄放通道。

系留氣球的雷電防護主要包括了直接效應的防護和間接效應的防護[1-2]。本文主要針對系留氣球球載設備的間接效應試驗方法進行分析。

1 試驗方法

由于目前尚未出臺關于系留氣球的防雷標準，系留氣球球載設備的雷電流間接效應一般可參考RTCA/DO-160G機載設備環境條件中的防護等級要求[3-6]。系留氣球球載設備的間接效應試驗主要包括插針注入試驗和線纜束試驗，插針注入試驗和線纜束試驗的電平等級由低至高分為1至5級。

根據系留氣球防護等級的不同，系留氣球：

（1）插針注入試驗中，球載關鍵設備的電平等級要求較高，直接效應雷電流路徑附近設備的電平等級要求其次，其它設備的電平等級要求較低;

（2）電纜束回擊試驗中，直接效應雷電流路徑附近電纜的電平等級要求較高，其它電纜的電平等級要求較低;

（3）具體的電平等級選取還需要根據整個系統的雷電防護等級來確定。

1.1 插針試驗波形

插針試驗波形組的類別分為孔縫耦合、孔縫和電阻耦合兩種。在正常間接效應試驗的電平等級下，系留氣球的球上設備均處于浮地狀態。插針試驗波形組選取孔縫耦合波形類別，包括了2組試驗波形：

（1）第一組試驗波形為VOC/ISC=波形3/波形3，其中VOC和ISC分別為圖1或圖2上校準點得到的開路電壓值和短路電流值，電壓或電流波形3如圖3所示。波形3為正弦阻尼波或余弦阻尼波。

（2）第二組試驗波形為VOC/ISC=波形4/波形1，其中電壓波形4如圖4所示，電流波形1如圖5所示。兩者的波形和指標參數相同。

1.2 電纜束試驗波形

電纜束試驗由單次回擊試驗、多重回擊試驗和多重脈沖組試驗組成。電纜束試驗波形組的類別根據孔縫耦合、孔縫和電阻耦合以及屏蔽、非屏蔽進行排列組合之后分為4類。電纜束單次回擊試驗可與多重回擊試驗合并進行。多重回擊試驗的第一個瞬態信號試驗電平用單次回擊試驗電平代替。

為了球上設備具備良好的電磁兼容，系留氣球的球上設備通常采用屏蔽電纜。在正常間接效應試驗的電平等級下，系留氣球的球上設備均處于浮地狀態。電纜束試驗波形組選取屏蔽、孔縫耦合波形類別，包括了2組試驗波形：

（1）第一組試驗波形為VL/IT=波形2/波形1，其中VL表示電壓限制電平，IT表示電流試驗電平。電壓波形2如圖5所示，電流波形1如圖6所示。

（2）第二組試驗波形為VT/IL=波形3/波形3，其中VT表示電壓試驗電平，IL表示電流限制電平。電壓波形3如圖3所示，電流波形3如圖3所示。

VT和IT為圖7所示信號發生器校準環開路時的電壓波形和短路時的電流波形。上述2組試驗波形包含了單次回擊試驗、多重回擊試驗的波形。對于多重脈沖組試驗采用第二組試驗波形即波形3，如圖3所示。

1.3 電平等級選取

插針注入試驗電平等級所對應的開路電壓值和短路電流值見表1。

插針注入試驗對設備的防雷性能要求較為嚴格，對于球載關鍵設備一般按照電平等級4級進行試驗，對于球載其他設備可按照其位置和重要性進行電平等級的選取。

電纜束單次回擊試驗電平等級所對應的試驗電平和限值電平見表2，電纜束多重回擊試驗電平等級所對應的試驗電平和限值電平見表3，電纜束多重脈沖組試驗電平等級所對應的試驗電平和限值電平見表4。

線纜束試驗與插針注入試驗相比，對設備防雷性能測試的嚴酷程度較低，對于球載關鍵設備一般按照電平等級5級進行試驗，對于球載其他設備可按照其位置和重要性進行電平等級的選取。

2 試驗實例

主氣囊閥門作為系留氣球的球載關鍵設備，用于在應急情況下釋放主氣囊內氣體。在球載設備間接效應的試驗中，主氣囊閥門的電平等級要求較高。本文以主氣囊閥門的間接效應試驗為實例，插針試驗的電平等級選取4級，線纜束試驗的電平等級選取5級。插針試驗的設備布置圖如圖6所示。線纜束試驗的設備布置圖如圖7所示。插針試驗的波形列表如表5所示。線纜束試驗的波形列表如表6所示。主氣囊閥門在經過上述試驗后，閥門可正常開啟和關閉。試驗表明主氣囊閥門作為球載關鍵設備可以在雷電流間接效應后正常工作，可靠性較高。

3 總結

本文對系留氣球球載設備雷電間接效應的實驗方法進行了分析，包括了設備的試驗電平等級選取方法和實驗波形的選取。最后通過對球載關鍵設備——主氣囊閥門的試驗實例，對本文的試驗方法進行了驗證。

【參考文獻】

[1]姚紅.球載電子設備雷電防護與試驗研究.合肥工業大學，碩士，2013.

[2]劉濤，張紅衛，司曉亮，仇善良，李志寶，段澤民.某系留氣球的雷電電磁仿真.37（5），2015：35-40.

[3]趙濤寧，劉順坤.飛機雷電間接效應試驗方法.上海計量測試，S1，2018：6-10.

[4]趙巖.航空電子產品高頻信號接口間接雷電防護設計.電子世界，2018：162-163.

[5]王萬富;陳奇平;武亞君.飛機雷電間接效應試驗中的仿真技術探索.微波學報，S3，2012：312-314.

[6]鄢輝萍.民用直升機閃電間接效應適航驗證方法研究.直升機技術，1，2014：39-42.