射頻仿真/電磁兼容技術直升機載雷達雷電防護設計

陳皓暉 劉 潔 李萬玉

(1.中國人民解放軍32382部隊 北京 100071;2.西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直升機載雷達安裝在直升機平臺上，特別是雷達前端天線單元安裝在直升機機腹后部，遭遇雷擊可能性很大。一旦遭受雷擊可能造成雷達性能下降影響任務的完成，內部設備損毀影響正常的工作作業活動。因此需要對直升機載雷達系統進行綜合性的雷電防護設計。雷達系統雷電防護設計按雷達設備直接效應防護、雷達設備間接效應防護、雷達設備累積效應防護和雷達設備雷電防護搭接等設計進行[1]。

根據直升機上部件或設備受雷擊后損傷或功能失效可能對直升機飛行、著陸及乘員安全造成危害的程度，將機上部件和設備危害等級分成三類，其中雷達按二類設備進行雷電防護設計。二類是關系到直升機飛行或任務完成的分系統、設備和部件，雷電對其損害可能造成人員傷害或影響任務的完成。這類設備和部件有：雷達天線罩、綜合通信系統、戰場監視雷達、敵我識別/二次雷達、任務數據處理系統、雷達天線收放裝置、組合導航系統、機電管理系統等。

1 雷達雷電防護設計要求

根據GJB1389A-2005《系統電磁兼容性要求》、GJB 2639-1996《軍用飛機雷電防護》及HB 6129-1987《飛機雷電防護要求及試驗方法》要求，對雷達進行雷電防護設計，確保雷達在經受一次200kA的直接雷擊附著或鄰近發生的雷擊時，不影響飛行并安全著陸且不危及人員安全[2]。

在進行直升機載雷達雷電防護設計時，一般按照如下要求進行：

1)根據雷達所處的雷電區域，結合直升機結構外形，分析雷電導入導出點，設計雷電導流通道。借助機體結構或設計雷電導流條為雷電流提供穩定的低阻抗導流主通路，使雷電流安全分流。

2)機體結構、各部件結構之間通過安裝螺栓或使用金屬編織帶或搭接條搭接，使外部蒙皮在遭受雷擊時具有低阻抗通道傳輸雷電流，防止直升機受雷擊時關鍵部件或設備的損壞、內部機載設備功能降級或失效。

3)盡量在受雷擊可能性較低的區域，如3區等。

4)位于雷電分區1區的雷達采用復合材料結構部件，必須進行雷電防護設計。對復合材料部件進行金屬化防護時，可采用如下兩種方式：①復合材料結構外表面敷設金屬網(如銅網)或噴涂導電漆(如銀漆)，減少位于1區的部件受雷擊引起的損害；②復合材料結構外表面預埋金屬條(如銅條等)或非線性半導體材料(如紐扣式雷達天線罩導流條等)，防止雷電在系統關鍵部件或部位的附著，其中預埋的金屬條需良好搭接到直升機體主導電通道上，金屬條應盡可能短，金屬條和緊固螺釘應能承受雷電電流的沖擊[3]。

5)雷達結構和雷達關鍵性部件如雷達天線罩等進行雷電防護設計，不應由于雷擊造成災難性的損壞，以致直升機不能安全飛行和著陸。

6)二類機載設備進行雷電防護設計，不因雷擊產生永久性損壞，雷擊后功能恢復正常。

2 直升機載雷達雷電防護設計

在進行雷達雷電防護設計時，首先確定雷達安裝在直升機上的位置，即可確定雷達所在的雷電區域類別，然后再結合直升機結構機體結構設計雷電導流條，為雷電流提供穩定的低阻抗導流主通路，使雷電流安全分流[4]。對某直升機各區域劃分，雷達處于1B區，如圖1所示。1B區是雷達遭受初始附著和首次回擊可能性很大，雷電通道在直升機上的附著點長時間駐留可能性很大的區域，因此，需要對雷達進行綜合性的雷電防護設計。

圖1 直升機分區圖

2.1 雷達設備直接效應防護設計

雷達前端單元安裝在直升機機腹后部雷電分區1B區，遭遇雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波可能性很大。一旦遭受雷擊可能造成雷達性能下降或影響任務的完成，內部設備損毀，影響正常的工作作業活動。因此需對雷達前端單元進行直接效應防護設計[5]。在雷達前端單元中，伺服單元為金屬結構件，通過螺栓直接與機體結構進行連接固定，并通過搭接在電氣上形成整體，能夠使雷電電流安全分流。而最容易因受到雷擊的是雷達天線罩，雷達天線罩為玻璃纖維復合材料結構件，位于雷電分區1B區，因此需對雷達天線罩采取適當的防護措施[6]。雷達天線罩由石英布制成，為蜂窩夾層結構，厚度 9mm，天線罩外形為長方體，內部天線為長方體，與天線罩距離較近，最小距離為7mm。考慮雷達天線有一面透波要求，雷達天線罩直接效應防護采用五面敷設導流條，對天線罩進行雷電防護設計，該設計包含導流條選擇、設計布局、雷電流通路布置、導流條安裝工藝等重要內容。

2.1.1 導流條設計

雷達天線罩五面敷設雷電導流條進行直接雷擊效應防護。SZ-DLT10片段式導流條是一種新型雷電導流條，它包含一系列薄的導電片，用阻性材料互相連接，緊固于復合材料基帶上，之后基帶再粘接于雷達天線罩表面。SZ-DLT10片段式雷電導流條工作原理如圖2所示。

圖2 片段式導流條導流原理圖

在正常情況下，由于金屬片段之間存在間隙，導電通道處于斷開狀態，整個導流條屬于絕緣體；當飛機遭遇雷擊時，相鄰金屬片段兩端開始聚集大量電荷，并產生羽毛狀的電弧，當電壓達到一定值時，金屬片段便會擊穿上方空氣，形成電離通道，雷電流可以經過此通道，傳導到安全的地方[7]。由于雷電流是從導流條上方的空氣電離通道傳導，并不經過導流條本身，因此不會對導流條自身造成破壞。SZ-DLT10片段式導流條如圖3所示，具有重量輕、厚度薄、透波性能好、雷電防護性能力強等特點，對天線干擾小。因此國外新設計的飛機,包括F15J、F16、F18、F22、C-130、EC-1、Boing787、Airbus400M等型號基本都采用這種導流條。

圖3 SZ-DLT10段式導流條

2.1.2 導流條布局

1)導流條排布方向：為使雷電順利導入機身，導流條應盡量按照離接地位置最短距離方向原則進行分布， 因此確定導流條排布方向為從罩體中心向邊緣處延伸，并平行于兩側邊框。

2)導流條間距：對于導流條的最大間距，有經驗公式(1)為

(1)

其中：Dmax為雷達天線罩上導流條允許的最大間距，單位為mm；T為雷達天線罩壁厚，單位為mm；k為表面狀態系數，與外表面雷達天線罩涂層有關，適用于表面電阻系數不低于0.5MΩ的各種涂層，如防雨蝕涂層等，通常情況下，k=1；S為安全因子，與雷達天線罩壁厚有關，S與T之間的關系可以用圖5表示。由于雷達天線罩壁厚度為9mm，相應的S為1.1，根據公式(1)可得到雷達天線罩上導流條允許的最大間距Dmax為370mm。如存在兩根導流條覆蓋范圍可能重疊的情況，可適度進行調整。

結合雷達天線罩的尺寸形狀，布局7根導流條進行雷電防護設計，如圖4所示。其中：1#導流條沿天線罩長度方向布置，由天線罩一層貫穿天線罩表面，對天線罩上表面進行防護；2#、3#、4#和5#、6#、7#導流條位于天線罩側面，對側邊進行防護，導流條間距為365mm，由于側面遭受雷擊概率較低，因此導流條間距適當寬一些。

圖4 導流條在雷達天線罩面初步布局

圖5 安全因子S與雷達天線罩壁厚度T曲線

3)導流條接地

導流條布局解決了雷電接閃的問題，雷電流如何傳導至機身形成雷電流通路，必須考慮傳導路徑的通流能力。金屬緊固件與安裝邊框需形成可靠的電連接，根據GJB2639的要求，二者間搭接電阻不大于5mΩ；采用搭接線通過緊固螺栓連接，使天線金屬邊框的搭接線與滑環防雷接地導線和直升機基本結構構成良好的搭接，形成低阻抗通路。

圖6 導流條接地方式

2.1.3 導流條安裝

SZ-DLT10導流條采用粘接和螺釘固定方式安裝在雷達天線罩上，粘接效果如圖7 所示。粘接劑采用環氧結構膠黏劑，保證導流條牢固附著在雷達天線罩表面。導流條需粘接在未噴涂的雷達天線罩表面，即在雷達天線罩進行表面噴涂之前，應完成導流條安裝工作；導流條金屬片應暴露在外，不能進行噴漆和涂覆。如果雷達天線罩已經完成噴漆，也可以將導流條粘接在雷達天線罩表面。粘接完成后，如果天線罩使用環境惡劣，還可以使用邊緣密封劑在導流條四周進行封邊處理，對粘接界面進行保護，提高安裝可靠性，具體如圖8所示。

圖7 導流條安裝效果圖

圖8 導流條安裝效果圖

2.2 雷達設備間接效應防護設計

雷電間接效應是雷電放電在電子設備中引起的過電壓和過電流所造成的設備損壞或干擾。在雷達中，雷電放電將會引起雷達前端單元(天線/伺服單元)、信息處理單元、操控單元及敵我識別等電子設備的過電壓和過電流損壞或干擾，因此需對此進行雷達設備間接效應防護設計，確保遭受雷擊時，不會出現故障、永久性的損壞或有害的瞬態誤動作。雷達各單元電子設備中的電源、通訊及控制線路安裝雷電抑制器進行間接效應防護措施如下：

1)電源防護措施：為了避免雷擊瞬間感應的強大雷電流沿外掛雷達天線電纜侵入艙內，對艙內設備造成損壞，應在AC設備電源前端分別并聯安裝一套電源復合SPD。另外在DC設備電源前端分別安裝一套電源復合SPD，可以有效地保護供電系統的安全。

2)控制信號接口防護措施：雷達控制信號進入艙內設備前端，應串聯安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應雷電流通過控制信號線路對雷達設備造成損壞。

3)中頻控制信號接口保護措施：雷達天線中頻控制信號進入艙內設備前端，應串聯安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應雷電流通過中頻控制信號線路對雷達設備造成損壞。

4)伺服控制信號接口保護措施：雷達天線旋轉控制信號進入艙內設備前端，應串聯安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應雷電流通過旋轉控制信號線路對雷達天線設備造成損壞。

2.3 雷達設備累積效應防護設計

雷電防護應考慮多次雷擊的累積效應。在進行雷電直接效應防護設計時，選用雷電導流條以及雷電間接效應選用的各型雷電抑制器，均能夠在設備最大電流范圍內經受反復多次雷擊[8]，保證設備器件完好；同時所有設備的安裝均考慮備件更換的便捷性。

2.4 雷達設備雷電防護搭接設計

雷電防護搭接是雷電防護重要的環節，良好的搭接，可形成低阻抗通路，保證雷電電流通過時不損壞直升機系統或部件、設備，不產生火花，不產生超過500V的感應電壓。

雷電防護搭接線的設計要求：

1)主搭接線要求能承受雷電放電電流。

2)在雷電附著可能性小并具有足夠數量的搭接線來傳遞雷電電流的情況下，單根銅質搭接線的截面不得小于4mm2。

3)在雷達天線罩直接附著的導流條、搭接線的截面不得小于20mm2。

4)搭接線應盡可能短，搭接線的接頭不允許使用焊接方式連接。

5)需附加搭接線以加強結構或設備的原有搭接線路時，銅線的橫截面積不應小于3mm2；若該搭接線承受絕緣段全部電荷時，其橫截面積則不應小于6mm2。

6)雷達伺服分系統搭接到直升機基本結構上，搭接電阻不大于2.5mΩ。

7)艙內雷達金屬部件及雷電抑制器與直升機基本結構之間的搭接電阻應不大于2mΩ。雷達前端單元(天線/伺服單元)、信息處理單元、操控單元與機體結構進行良好搭接，搭接電阻應不大于2.5mΩ。

4 結束語

本文就直升機載雷達雷電防護進行了設計，對導流條的設計選擇、布局和安裝進行了詳細的分析設計。在直升機載雷達系統中集中了大量的電子設備，電磁環境差且防護困難的問題增加了雷電防護的難度。針對直升機載雷達進行了雷電直接效應防護、間接效應防護、雷電的累積效應防護設計以及雷電搭接防護的設計。通過對雷達進行雷電防護設計，確保雷達在經受直接雷擊附著或鄰近發生的雷擊時，不影響飛行并安全著陸且不危及人員。能消除或抑制雷電對雷達系統內或與系統有關的電子、電氣分系統或設備產生的影響,將直升機載雷達受雷擊后可能對直升機飛行和著陸及乘員安全造成危害減小到最低，使直升機載雷達性能在復雜電磁環境下充分發揮。