航天特種車輛雷電間接效應(yīng)防護技術(shù)研究

趙京坡，毛子夏，董志濤，苗艷紅，王麗偉

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

航天領(lǐng)域公路機動特種車輛主要用于中小型運載火箭的運輸和發(fā)射。當(dāng)前對航天特種車輛全天候機動運輸、野外長期待機的要求越來越高，雷電作為全天候氣候條件之一，應(yīng)考慮如何避免或降低雷電危害。同時，由于航天特種車輛自身高度較普通車輛更高，且車輛頂部一般設(shè)置通信天線和衛(wèi)星天線，車輛上電子設(shè)備和電纜較多，在野外環(huán)境下易遭受雷電危害，因此有必要對特種車輛雷電防護技術(shù)進行深入研究。

雷電危害主要包括直擊雷造成被雷擊物的燃燒、溶蝕、爆炸、結(jié)構(gòu)畸變和強度降低等直接效應(yīng)以及雷電靜電感應(yīng)或當(dāng)雷電放電時伴隨產(chǎn)生的強電磁脈沖感應(yīng)引起的過電壓或過電流對電氣電子設(shè)備所造成的損壞或干擾等間接效應(yīng)。直擊雷防護一般通過雷電預(yù)警躲避、設(shè)置避雷針等進行防護,雷電間接效應(yīng)防護則要在車上采取防護措施。本文主要對特種車輛的雷電間接效應(yīng)防護進行論述。

1 雷電特性及雷電環(huán)境要求

明確雷電特性是開展特種車輛雷電間接效應(yīng)防護的前提，雷電特性主要包括雷電流持續(xù)時間、幅值及頻譜特征。此外，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確特種車輛雷電環(huán)境要求。

1.1 雷電特性[1]

a）實際雷電流持續(xù)時間及幅值。

研究顯示自然界中的雷電流地閃持續(xù)時間：典型值為0.2 s，其變化范圍為0.01～2 s，持續(xù)時間大于800 ms的概率為百分之零點幾。

雷電閃擊分為正地閃和負地閃；且一次閃擊大多分為3～4 次放電，第1 閃擊比隨后閃擊大。第1 閃擊電流峰值平均范圍為20～40 kA，發(fā)生200 kA 的概率為1%，常見的負地閃回擊中，其峰值電流的典型值為20 kA。鐘定珠等[2]在廣州開展了用火箭引雷試驗研究，測得的最大雷電流為17.1 kA。

b）雷電頻譜特征。

雷電的能量大多分布在低頻部分，90%以上的雷電流能量分布在頻率為十幾千赫茲以下。

1.2 雷電環(huán)境要求

GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[3]規(guī)定了軍用系統(tǒng)電磁兼容性的總要求，其中明確了由直接雷擊引起的間接效應(yīng)環(huán)境，多重沖擊波形第1 波頭峰值約為109 kA，多重脈沖組波形峰值約為10 kA。結(jié)合實際雷電流幅值特性，考慮防護成本，特種車輛可參照雷電流20 kA 進行雷電間接效應(yīng)防護設(shè)計。

GJB8007-2013《地地導(dǎo)彈武器系統(tǒng)雷電防護通用要求》[4]對屏蔽結(jié)構(gòu)的電磁屏蔽性能提出了明確要求，在10 MHz～1 GHz 頻率范圍內(nèi)磁場屏蔽效能不小于40 dB。特種車輛駕駛室、設(shè)備艙等艙室結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部設(shè)置電子設(shè)備并需要為其提供電磁屏蔽功能時，其雷電電磁脈沖屏蔽性能應(yīng)確定為：10 MHz～1 GHz 頻率范圍內(nèi)不小于40 dB。

2 航天特種車輛特點及雷電間接效應(yīng)危害

2.1 航天特種車輛組成及特點

航天特種車輛是具有運輸、起豎和發(fā)射中小型運載火箭等多功能的專用車輛，采用多功能集成化設(shè)計，可獨立完成火箭發(fā)射任務(wù)。特種車輛一般由特種底盤、火箭發(fā)射裝置、設(shè)備艙、供配電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、測發(fā)控系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 航天特種車輛組成示意 Fig.1 The Composition of Aerospace Special Vehicle

火箭發(fā)射裝置為火箭提供電磁屏蔽防護、溫濕度環(huán)境保障和力學(xué)環(huán)境保障。供配電、溫控、定位導(dǎo)航、測發(fā)控、指揮控制等系統(tǒng)的電子設(shè)備，一般布置在特種底盤駕駛室、設(shè)備艙內(nèi)；特種車輛部分模擬或數(shù)字傳感器以及一些執(zhí)行機構(gòu)的電子設(shè)備設(shè)置在駕駛室和設(shè)備艙外，暴露在大氣環(huán)境中。電子設(shè)備之間通過線纜進行供電和信息交互，處于駕駛室和設(shè)備艙外的線纜一般沿車架敷設(shè)。指揮控制系統(tǒng)的通信天線、定位導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星天線一般設(shè)置在駕駛室或設(shè)備艙頂部，暴露在大氣環(huán)境中。

航天特種車輛具有如下特點：

a）為履行全天候發(fā)射任務(wù)，特種車輛需停留在野外環(huán)境長期待機，易遭遇雷電氣象條件，需采取雷電防護措施。

b）由于機動式火箭發(fā)射地點和發(fā)射時間的不確定性，火箭發(fā)射地點不一定具備接地裝置，臨時構(gòu)建接地裝置或不滿足發(fā)射時間要求。在此條件下特種車輛不能實現(xiàn)車體與大地的等電位連接，在車體上形成的雷電過電流不能泄放至大地，因此特種車輛對雷電防護要求更高。

c）特種車輛駕駛室、設(shè)備艙、發(fā)射裝置等艙室結(jié)構(gòu)在采用金屬材質(zhì)時，能夠形成幾乎封閉的屏蔽體，具有法拉第籠效應(yīng)，能為其內(nèi)部安裝的電子設(shè)備提供較好的電磁屏蔽環(huán)境。但目前艙室結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)輕質(zhì)化，有采用玻璃纖維、碳纖維等復(fù)合材料的趨勢，對于復(fù)合材料艙室應(yīng)增加導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)，保證其電磁屏蔽性能。

2.2 雷電間接效應(yīng)危害

雷電靜電感應(yīng)或當(dāng)雷電放電時伴隨產(chǎn)生的強電磁脈沖，傳播途徑主要有傳導(dǎo)耦合及輻射耦合兩類，特種車輛作為相對獨立的車體，同時由于不接大地，雷電電磁脈沖主要以輻射耦合方式入侵。一般來講，特種車輛易遭受雷電間接效應(yīng)損壞的原因主要有以下兩個方面：a）雷電發(fā)生時產(chǎn)生的交變電磁場，通過開口、縫隙等空間輻射，在車輛電子設(shè)備表面因電磁感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓而造成損壞。b）雷電電磁脈沖在特種車輛各種外露線纜和部件上感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，如車架上的各種線纜、位于車外的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)電子設(shè)備、車頂部的天線等，瞬態(tài)過電壓通過線纜傳導(dǎo)形成雷電過電流造成相應(yīng)的電子設(shè)備損壞；其中在電源線上產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓可能引起車內(nèi)部電子設(shè)備永久性損壞，對電源系統(tǒng)進行雷電防護尤其重要。

3 特種車輛雷電間接效應(yīng)防護技術(shù)

結(jié)合特種車輛自身特點和易遭受的雷電間接效應(yīng)危害，有針對性的采取空間電磁屏蔽、等電位連接、過電壓保護等措施，能夠有效降低雷電間接效應(yīng)危害。

3.1 空間電磁屏蔽

a）艙室結(jié)構(gòu)電磁屏蔽技術(shù)。

對于駕駛室、設(shè)備艙、發(fā)射裝置等金屬材質(zhì)艙室，能夠為其內(nèi)部安裝的電子設(shè)備提供較好的電磁屏蔽環(huán)境，但應(yīng)特別注意開孔處的處理，駕駛室應(yīng)采用屏蔽玻璃，屏蔽玻璃與安裝框之間通過導(dǎo)電橡膠實現(xiàn)電連續(xù)；設(shè)備艙通風(fēng)窗采用金屬蜂窩結(jié)構(gòu)；線纜進線孔采用金屬波導(dǎo)管或屏蔽轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)。

對于采用復(fù)合材料的駕駛室、設(shè)備艙、發(fā)射裝置，通過增加導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)、添加磁性材料等方式實現(xiàn)電磁屏蔽。

b）線纜電磁屏蔽技術(shù)。

應(yīng)在車輛上設(shè)置金屬布線槽，布線槽與車體骨架通過鐵質(zhì)或鋼質(zhì)螺釘連接，電子設(shè)備的線纜在設(shè)備艙外敷設(shè)時應(yīng)沿布線槽敷設(shè)。此外，兩根線纜的插接應(yīng)在設(shè)備艙內(nèi)完成；若兩根線纜必須在艙外插接，應(yīng)選用滿足電磁兼容要求的連接器。

對于穿過或進入設(shè)備艙的線纜，最好采用具有濾波功能的穿墻插座進行過渡。若考慮成本或其他因素不采用穿墻插座時，應(yīng)盡量減小進線孔尺寸。

電子設(shè)備的線纜應(yīng)最大限度采用屏蔽線纜，并確保屏蔽層可靠接地。目前，特種車輛供配電系統(tǒng)的線纜由于線徑較粗，部分線纜未進行屏蔽，與這些線纜連接的電子設(shè)備應(yīng)加強自身的防雷設(shè)計。

為減小線纜的磁場感應(yīng)回路面積，在敷設(shè)線纜時，應(yīng)盡量減小線纜與設(shè)備艙金屬壁之間的間隙，將線纜緊靠艙壁布置。線纜避免環(huán)形走線，將傳輸信號的敏感線纜盡量遠離艙門、通風(fēng)口等。

由于光纖介質(zhì)不受雷電等電磁干擾影響，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)逐步推廣光纖線纜的應(yīng)用。

3.2 等電位連接

等電位連接的目的是減少雷電流所引起的電位差，對于特種車輛來說，電子設(shè)備外殼與車體金屬骨架通過金屬螺釘或搭接線纜連接，實現(xiàn)電子設(shè)備外殼的等電位連接。

3.3 過電壓保護

3.3.1 電源系統(tǒng)過電壓保護[5]

根據(jù)GJB235A-1997《軍用交流移動電站通用規(guī)范》[6]，對于配備交流發(fā)電機組的車輛，交流接線方式應(yīng)采用IT 方式，即電源中性點與車體絕緣，用電設(shè)備外殼直接與車體相連。在發(fā)電機組出線處加裝一組浪涌保護器SPD，加裝方式如圖2 所示。

圖2 交流供電浪涌保護器加裝方式 Fig.2 The Loading Mode of SPD in AC Power Supply

對于特種車輛供配電系統(tǒng)經(jīng)AC/DC 整流后或采用蓄電池完成直流供電的設(shè)備，若負極不接車體，則SPD 加裝方式如圖3a 所示；若負極接車體，則SPD加裝方式如圖3b 所示。

圖3 直流供電浪涌保護器加裝方式 Fig.3 The Loading Mode of SPD in DC Power Supply

3.3.2 天線過電壓保護

特種車輛頂部的通信天線、衛(wèi)星天線應(yīng)根據(jù)被保護設(shè)備的工作頻率、輸出功能、插入損耗、駐波系數(shù)、帶寬、阻抗特性、接口形式等選擇適配的SPD。天線相關(guān)饋線應(yīng)作屏蔽接地處理。

3.3.3 信號線過電壓保護

特種車輛外裝有多種模擬或數(shù)字傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)的電子設(shè)備，這些傳感器和電子設(shè)備與車輛設(shè)備艙內(nèi)的電子設(shè)備通過線纜連接，實現(xiàn)供電、通信等功能。GJB 6784-2009《軍用地面電子設(shè)施防雷通用要求》[7]明確“信號饋線在進入移動車配線架處應(yīng)安裝適配的信號浪涌保護器”。針對特種車輛傳感器和電子設(shè)備的具體應(yīng)用，對暴露在設(shè)備艙外的傳感器和電子設(shè)備應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加裝SPD。

3.3.4 設(shè)備艙內(nèi)電子設(shè)備過電壓保護

a）電子設(shè)備的電源入口處應(yīng)加裝電源EMI 濾波器，并確保濾波器安裝位置、殼體接地及相關(guān)線纜走線的合理性。

b）電子設(shè)備的電源入口處應(yīng)加裝氧化鋅壓敏電阻、放電管或瞬態(tài)電壓抑制器。目前，應(yīng)用最廣的為瞬態(tài)抑制二極管，用于防過壓或防雷擊，保護后端電路。

c）電子設(shè)備內(nèi)部應(yīng)設(shè)置DC/DC 穩(wěn)壓模塊，能夠起到穩(wěn)壓隔離作用。

4 特種車輛雷電間接效應(yīng)試驗

以某航天特種車輛的雷電間接效應(yīng)試驗為例，車輛停放在距離避雷針20 m 處，在避雷針處進行高電壓放電和強電流放電，模擬雷電的發(fā)生。1.2 MV高電壓放電過程中，放電側(cè)靠近車輛處電場最大幅值為2672 V/m；20 kA 強電流放電過程中，車輛附近磁場強度最大幅值為145.7 dBpT，可折算為15.3 A/m；試驗過程中在車輛外露線纜上產(chǎn)生的耦合電流最大為0.3 A。

由以上測試結(jié)果可以看出，高電壓放電和強電流放電過程，分別在車輛附近產(chǎn)生了較強的電場和磁場，并且在車輛外露線纜上產(chǎn)生了耦合電流。GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[3]規(guī)定的地面系統(tǒng)外部電磁環(huán)境，10 kHz～40 GHz 范圍內(nèi)峰值為2500 V/m，以上試驗電場最大幅值為2672 V/m，超過國軍標(biāo)規(guī)定限值，該試驗進一步說明，特種車輛應(yīng)采取額外的雷電防護措施。

5 結(jié)束語

本文在梳理雷電特性的基礎(chǔ)上，針對航天特種車輛特點及雷電間接效應(yīng)的產(chǎn)生機理和危害，定性提出了具體防護技術(shù)和措施，并總結(jié)了某特種車輛雷電間接效應(yīng)試驗的電磁場特性，對后續(xù)特種車輛雷電防護研究具有一定的借鑒意義。

特種車輛雷電間接效應(yīng)防護技術(shù)研究仍處于起步階段，后續(xù)需要對實際雷電環(huán)境特性、特種車輛雷電耦合特性、雷電環(huán)境試驗方法及損傷評估方法等進行系統(tǒng)性研究，提出切實有效的防護措施，進而提升特種車輛雷電防護水平。