典型艦載機(jī)掃雷達(dá)系統(tǒng)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

高 軼，張 鵬

(1.海軍裝備部項(xiàng)目管理中心，北京 100071；中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

隨著國內(nèi)海軍武器裝備建設(shè)的全面展開，大型水面艦艇數(shù)量日益增多，并已形成規(guī)模作戰(zhàn)能力。由于海上作戰(zhàn)的特殊性，海軍艦艇作戰(zhàn)面臨多頻次、復(fù)雜氣候環(huán)境、復(fù)雜海況環(huán)境下作戰(zhàn)使命任務(wù)的挑戰(zhàn)。其中，海上出現(xiàn)雷電環(huán)境的頻次較高，對(duì)電子設(shè)備雷電防護(hù)能力的需求顯得尤為緊迫。通過對(duì)雷電產(chǎn)生機(jī)理及雷電防護(hù)措施的研究，降低裝備在雷電惡劣環(huán)境中遭受損壞的可能性，提高武器裝備的戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率，對(duì)我國海軍武器裝備建設(shè)具有重大的軍事意義。

針對(duì)直擊雷，大型水面艦艇往往采取避雷針方式進(jìn)行防護(hù)。為達(dá)到最大效能，避雷針一般分布于艦艇主桅最高處。由于艦艇主桅具有空間局限性且安裝了較多的電子設(shè)備，因此無法滿足安全距離的要求。避雷針在遭受雷擊形成泄放通道時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場會(huì)沖擊周圍的電子設(shè)備。采取雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，一方面可提高設(shè)備抗雷電沖擊能力，另一方面也可提高系統(tǒng)設(shè)備的電磁兼容性。

1 雷電環(huán)境分析

如圖1所示，典型設(shè)備艙外設(shè)備分布于直擊雷防護(hù)區(qū)(O)，艙內(nèi)設(shè)備分布于艙室雷電防護(hù)區(qū)()。當(dāng)發(fā)生對(duì)地(避雷針)雷擊時(shí)，雷電流經(jīng)由主放電通道入地，附近存在的開口環(huán)出現(xiàn)電磁感應(yīng)過電壓：

圖1 雷電分區(qū)示意圖

(1)

式中：、、如圖2所示，根據(jù)某典型設(shè)備艦中位置分布，取=4 m，=0.1 m，=20 m，=200 kA，可達(dá)2.47 kV。

圖2 感應(yīng)電壓計(jì)算示意圖

由上述分析可知，感應(yīng)過電壓強(qiáng)度往往是kV量級(jí)。由于雷達(dá)天線座艙外電纜屏蔽性能不夠，對(duì)強(qiáng)雷電感應(yīng)防護(hù)能力不足，同時(shí)部分設(shè)備模塊耐電壓能力較弱，強(qiáng)電磁能量感應(yīng)至電纜內(nèi)部芯線后，進(jìn)而竄入天線座、艙內(nèi)機(jī)柜內(nèi)部的相關(guān)電路，導(dǎo)致器件損壞。

2 典型艦載機(jī)掃雷達(dá)特性分析

通過上一章節(jié)雷電環(huán)境分析，典型艦載機(jī)掃雷達(dá)艙外設(shè)備分布于O區(qū)，艙內(nèi)設(shè)備分布于區(qū)，艙外設(shè)備一般由電機(jī)、傳感器、饋源、反射體等組成，由信號(hào)電源線纜、波導(dǎo)、射頻線纜等連接至艙內(nèi)機(jī)柜。

通過對(duì)典型艦載機(jī)掃雷達(dá)設(shè)備傳輸信號(hào)特性分析，連接艙內(nèi)外設(shè)備間設(shè)備電纜中傳輸信號(hào)類型及特性如表1所示。

表1 信號(hào)特性分類

3 防護(hù)實(shí)施方案

雷電防護(hù)主要技術(shù)措施有：

(1) 屏蔽。對(duì)艙外暴露電纜進(jìn)行屏蔽加強(qiáng)，減弱雷電對(duì)電纜內(nèi)部芯線的感應(yīng)能量強(qiáng)度。其主要通過對(duì)典型雷達(dá)設(shè)備天線座艙外電纜增加屏蔽網(wǎng)，并對(duì)屏蔽網(wǎng)兩端作良好接地的方式來提高屏蔽效能。

(2) 接地。典型雷達(dá)設(shè)備天線罩內(nèi)部需增加等電位接地點(diǎn)，主要為天線座安裝基座以及在電纜穿艙孔附近設(shè)置等電位接地柱，確保天線座及電纜屏蔽套有效等電位接地。

(3) 搭接。典型雷達(dá)設(shè)備天線座一般為金屬材質(zhì)，與船體安裝基座直接接觸安裝。改善天線座接地的主要措施是在天線座與基座間的安裝螺栓上增加多點(diǎn)跨接接地線，并對(duì)接觸面的油漆進(jìn)行清除，以確保天線座殼體與船體接地良好。

(4) 濾波。典型雷達(dá)設(shè)備艙外穿艙電纜加裝雷電抑制模塊，針對(duì)表1中梳理的特定信號(hào)，用于對(duì)典型雷達(dá)設(shè)備艙內(nèi)外設(shè)備間長電纜芯線中的強(qiáng)感應(yīng)電壓進(jìn)行限幅和濾波，避免高電壓竄入天線座和伺服機(jī)柜內(nèi)部電路，造成器件損壞。

本文針對(duì)上述技術(shù)措施提出了以下改進(jìn)方案：

(1) 雷電防護(hù)加強(qiáng)

雷電防護(hù)加強(qiáng)主要涉及屏蔽、接地、搭接3個(gè)方面的技術(shù)措施，具體實(shí)施方案及技術(shù)要求如下：

(a) 艙外電纜屏蔽加強(qiáng)，主要涉及天線座內(nèi)部短接電纜以及天線座與艙內(nèi)伺服機(jī)柜間的連接電纜的艙外暴露部分。將天線座電纜頭脫開，從電纜頭處套入防波套套至電纜穿艙孔位置，恢復(fù)電纜連接后屏蔽套環(huán)扎固定處理(確保單端能夠良好接地)，并將防護(hù)套與附近接地點(diǎn)進(jìn)行搭接，做等電位接地，搭接處使用5782-2000-M8以上規(guī)格銅接地螺栓進(jìn)行搭接。

(b) 天線罩內(nèi)部增加2處等電位接地柱，分別位于天線座基座安裝處及線纜穿艙孔附近，以利于雷電能量快速泄放。

(c) 天線座與安裝基座多點(diǎn)跨接處理(安裝面每個(gè)側(cè)面不少于3個(gè)跨接點(diǎn))，需船廠對(duì)跨接銅帶安裝接觸面油漆做清除，提供規(guī)格M16穿孔跨接銅帶，并進(jìn)行跨接安裝。該措施需船廠進(jìn)行漆面打磨，并提供跨接銅帶焊片進(jìn)行施工。

(2)雷電抑制模塊加裝

濾波技術(shù)措施，考慮加裝雷電抑制模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)過電壓、過電流進(jìn)行抑制的功能。通過前期分析及設(shè)備阻抗特性分析，雷電抑制器必須安裝于艙內(nèi)外設(shè)備連接電纜中，且原則上必須與設(shè)備端就近安裝。由于艙內(nèi)外設(shè)備在3次雷擊中均有一定程度損壞，因此，對(duì)艙內(nèi)外設(shè)備端電纜連接處均需考慮雷電抑制模塊加裝。以下將對(duì)抑制模塊防護(hù)原理作進(jìn)一步描述。

根據(jù)典型設(shè)備艙內(nèi)外傳輸線纜中芯線定義，筆者進(jìn)行了雷電抑制模塊設(shè)計(jì)。雷電抑制模塊分為艙外部分和艙內(nèi)部分。其中艙內(nèi)部分就近安裝于艙內(nèi)雷達(dá)設(shè)備端。由于先前天線座端僅有霍爾器件損壞，且天線座內(nèi)與線纜連接其他模塊、器件均具有無源、耐高壓的特點(diǎn)，因此艙外雷電抑制模塊僅對(duì)單根芯線(霍爾器件控制)進(jìn)行防護(hù)，單根電纜雷電抑制模塊采用單進(jìn)單出形式，可就近安裝于艙外雷達(dá)設(shè)備端，如圖3所示。雷電抑制模塊均使用密封防水結(jié)構(gòu)，接口采用航空插座，與原插座型號(hào)保持一致，雷電抑制模塊接地線采用截面積不小于4 mm的銅線，就近進(jìn)行等電位接地。

圖3描述了上述實(shí)施方案中，加裝雷電抑制模塊工作原理圖。在第一級(jí)采用泄放大電流的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如氣體放電管等，主要泄放大的雷電流；在第2級(jí)設(shè)計(jì)響應(yīng)較快的防護(hù)器件，如TVS二極管等，將殘余的電壓進(jìn)行鉗位，減小電壓尖峰的沖擊，在第3級(jí)通過限流和濾波電路，將殘余的雷電能量進(jìn)一步限值到最小。加裝抑制模塊前后通過電壓對(duì)比見圖4。

圖3 防護(hù)電路原理圖

圖4 電壓對(duì)比圖

圖5給出了典型濾波裝置提高可靠性措施原理圖，雷電抑制模塊中使用較多的是半導(dǎo)體器件TVS二極管。由于其瞬態(tài)響應(yīng)快，對(duì)雷電間接干擾的泄放效果好，在防雷電路中作為最常見的防雷器件使用。TVS二極管的失效模式有85%是短路，在防雷電路中，當(dāng)TVS損壞后，設(shè)備的信號(hào)會(huì)因此短路；因此，在使用TVS二極管做雷電防護(hù)時(shí)，需要避免出現(xiàn)短路現(xiàn)象或盡可能降低短路概率。圖5中，信號(hào)輸入后，經(jīng)過第1級(jí)氣體放電管的防護(hù)后，再由第二級(jí)的TVS二極管進(jìn)行電壓鉗位。中間串聯(lián)有抗浪涌電阻，能將電流限制在一定范圍內(nèi)，同時(shí)經(jīng)過2組限流+電壓鉗位，保證輸出的雷電殘余電壓和電流最小，保護(hù)后端設(shè)備不被雷擊損壞。

圖5 防護(hù)電路冗余設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語

本文研究了典型的雷電環(huán)境，并結(jié)合艦載典型機(jī)掃雷達(dá)的安裝特點(diǎn)及信號(hào)特性，提出了一套完整的針對(duì)典型艦載機(jī)掃雷達(dá)設(shè)備雷電防護(hù)解決方案。該方案具有較好的操作性，可滿足艦載作戰(zhàn)雷達(dá)設(shè)備的雷電防護(hù)需求。