高功率電磁環(huán)境效應(yīng)下艦船桅桿內(nèi)部電磁脈沖仿真分析

裴高飛,崔曉斌,李戴維,陳 鑫

(中國電子科技集團(tuán)第二十八研究所,江蘇 南京 210007)

近年來,在我國東南海域也曾多次出現(xiàn)艦載雷達(dá)裝備遭遇雷電事故[1],嚴(yán)重阻礙了設(shè)備的全天候工作。在雷達(dá)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,匡本賀[2]分析了雷達(dá)直擊雷防護(hù)裝置技術(shù)要求;潘鍇等[3]給出了新雷達(dá)綜合防雷設(shè)計(jì)方案;孫旭光等[4]提出主動(dòng)式防雷器是雷達(dá)雷電防護(hù)最為有效的方案。這些方案,在雷達(dá)雷電防護(hù)領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用,但對(duì)于艦船的桅桿內(nèi)部電磁環(huán)境效應(yīng)的研究較少,依據(jù)不足。

之于艦船,雷電間接效應(yīng)防護(hù)技術(shù)研究是艦船雷電防護(hù)的重要組成部分,由于桅桿高度較高,桅桿為便于設(shè)備維護(hù)還開有窗,大量工程實(shí)踐表明,孔口一直是影響艙室電磁防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)[5-6],導(dǎo)致雷電間接效應(yīng)所造成的影響主要集中于桅桿體上。本文主要通過大量數(shù)值計(jì)算,分析雷電磁脈沖環(huán)境下艦船桅桿內(nèi)部的電磁環(huán)境。

隨著人類社會(huì)文明的不斷進(jìn)步,船舶工業(yè)也得到了快速發(fā)展。艦船的結(jié)構(gòu)、裝備、性能等都是日新月異,艦船及其桅桿所使用的材料發(fā)展過程主要有以下3個(gè)階段:木質(zhì)、鋼鐵、復(fù)合材料。鋼鐵由于自身的堅(jiān)固性取代了傳統(tǒng)的木材,并得到了廣泛應(yīng)用;隨著科技步伐的邁進(jìn),艦船上的先進(jìn)設(shè)備層出不窮,而艦船上鋼材質(zhì)桅桿突出在外,會(huì)對(duì)艦船上的天線系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,且由于桅桿突出在外,處于水分含量較高的海面,極易被腐蝕,因此復(fù)合材料桅桿開始在艦船航海工業(yè)上應(yīng)用。

艦船桅桿高度較高且桅桿上載有的電力設(shè)備相對(duì)集中,因此導(dǎo)致雷電間接效應(yīng)所造成的影響較為嚴(yán)重。本文主要以艦船桅桿模型為例,分析雷電流泄放于避雷針、雷電流泄放于桅桿底部平臺(tái),及泄放于底部平臺(tái)復(fù)合材料桅桿3種情況下,桅桿內(nèi)部的瞬變電磁場(chǎng)分布,求解器所計(jì)算的數(shù)據(jù)為桅桿內(nèi)部設(shè)備布局提供理論指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 桅桿模型的建立

目前,復(fù)合新型材料在艦船工業(yè)上應(yīng)用越來越廣泛[7-8],在大型艦艇的非關(guān)鍵性部件或中小型艦艇上復(fù)合材料技術(shù)已得到大量運(yùn)用。本文研究的桅桿主要包括純鋼結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)兩種,對(duì)其內(nèi)部電磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真計(jì)算。桅桿模型參照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行建立,所建桅桿模型如圖1所示。

圖1 艦船桅桿仿真模型

圖1中,桅桿底座為9 m×10 m的艦島,頂面為純鋼結(jié)構(gòu);桅桿結(jié)構(gòu)為底部邊長2.8 m、頂部1.4 m的八棱柱;桅桿中部和上部分別開有1.7 m×1.5 m、1.1 m×0.5 m兩個(gè)窗口,便于為設(shè)備供電及電纜束布設(shè);頂部為艦船上所用天線。

1.2 仿真頻率范圍的選取

由于艦船雷電間接效應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少,本文參照飛機(jī)雷電間接效應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)艦船桅桿雷電間接效應(yīng)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。由于雷電脈沖產(chǎn)生的電磁波耦合到艦船桅桿內(nèi)部后會(huì)發(fā)生諧振,會(huì)有新的高頻分量在桅桿內(nèi)部作用。GJB 1389A—2005標(biāo)準(zhǔn)[9]表明,對(duì)于飛機(jī)雷電間接效應(yīng)測(cè)試來說,其頻率范圍為0～10 MHz。因此本文中桅桿內(nèi)部雷電間接效應(yīng)仿真應(yīng)主要分析0～30 MHz頻率范圍內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。艦船桅桿閃電間接效應(yīng)仿真時(shí)間與激勵(lì)源持續(xù)時(shí)間保持一致,本文取200 μs,在時(shí)域范圍進(jìn)行求解。

1.3 網(wǎng)格剖分參數(shù)設(shè)置

仿真計(jì)算的速度與網(wǎng)格的數(shù)量密切相關(guān),網(wǎng)格的數(shù)量與所設(shè)定的網(wǎng)格域有關(guān),包括所設(shè)置激勵(lì)源的持續(xù)時(shí)間、所分析雷電的頻率范圍等有關(guān)。網(wǎng)格剖分的越細(xì)致,所計(jì)算的結(jié)果誤差越小,越趨于實(shí)際,但網(wǎng)格數(shù)量、計(jì)算量都會(huì)急劇增加,使得計(jì)算速度變慢,對(duì)計(jì)算機(jī)的性能、配置要求也比較高,甚至?xí)?dǎo)致仿真失敗。故而,在進(jìn)行網(wǎng)格大小的設(shè)定時(shí),應(yīng)保證仿真結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)時(shí),適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格大小,使得仿真達(dá)到預(yù)期效果。

1.4 激勵(lì)源的選擇

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GJB 1389A—2005,閃電環(huán)境的電流波形如圖2所示。

圖2 直接影響測(cè)試的電流分量A～D

除了分量A、Ah、B、C、D外,還有D和D/2組成的多回?fù)?MS)、分量H的一連串脈沖組成的多脈沖(MB)。本文分析艦船桅桿雷電間接效應(yīng),雷電流采用A分量,該分量的波形為雙指數(shù)波(見圖3)。

圖3 A分量電流波形

雷電流的表達(dá)式為

i(t)=i0(e-αt-e-βt)

(1)

式中,i0=218 810 A,α=11 354 s-1,β=647 265 s-1。

雷電流上升時(shí)間tr:從峰值的10%上升至90%所經(jīng)歷的時(shí)間,tr≈3.7 μs;半峰值寬度thw:從上升沿峰值的50%至下降沿峰值的50%所經(jīng)歷的時(shí)間,thw≈65 μs。本文中雷電流波形取200 μs,波形如圖4所示。

圖4 激勵(lì)源波形

在艦船桅桿雷電間接效應(yīng)計(jì)算中,采用雷電流注入仿真模型中的方法進(jìn)行計(jì)算,在模型注入雷電流激勵(lì),將產(chǎn)生垂直的電場(chǎng),即在激勵(lì)源的四周產(chǎn)生磁場(chǎng)分量[10](見圖5)。

圖5 雷電流激勵(lì)示意圖

磁場(chǎng)分量的計(jì)算式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

2 艦船桅桿雷電間接效應(yīng)分析

2.1 避雷針接閃雷電間接效應(yīng)分析

通過雷電先導(dǎo)發(fā)展模型艦船避雷針接閃試驗(yàn)評(píng)估體系,通過大量先導(dǎo)放電計(jì)算所得結(jié)果中發(fā)現(xiàn),在某一特定計(jì)算區(qū)域內(nèi),經(jīng)合理設(shè)計(jì)的避雷針是雷擊概率最高的位置,因此本節(jié)以此狀態(tài)為例,研究在此狀態(tài)下,艦船桅桿的雷電間接效應(yīng)。鋼材質(zhì)桅桿屬于應(yīng)用較為廣泛的桅桿,當(dāng)艦船桅桿腔體遭受雷電襲擊時(shí),雷電磁脈沖將沿著桅桿壁,經(jīng)船體泄放于大海;為了分析雷電流對(duì)艦船艙室內(nèi)部設(shè)備所造成的電磁干擾,本節(jié)建立了桅桿上避雷針接閃的數(shù)值計(jì)算模型(見圖6)。

圖6 艦船桅桿接閃仿真模型

計(jì)算分析了桅桿內(nèi)部工作平臺(tái)上在雷電磁脈沖環(huán)境下所能感應(yīng)到的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)桅桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為研究雷電對(duì)其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響,建立直角坐標(biāo)系。將桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)探測(cè)點(diǎn)設(shè)置在中心軸上,其坐標(biāo)分別為(0,0,1)、(0,0,3)、(0,0,5)、(0,0,7)、(0,0,9)、(0,0,11),桅桿沿Y軸方向剖視圖可見內(nèi)部探測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖7所示,在各點(diǎn)上分別探測(cè)出雷電磁脈沖環(huán)境下各點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖7 桅桿內(nèi)部探測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在避雷針尖端注入雷電流,仿真計(jì)算桅桿內(nèi)部中心軸處不同高度各探測(cè)點(diǎn)上的電磁場(chǎng)波形(見圖8～圖13)。

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

當(dāng)避雷針接閃時(shí),對(duì)于鋼材質(zhì)桅桿,雷電流經(jīng)桅桿殼體對(duì)艦船殼體及大海進(jìn)行泄放,泄放過程中桅桿內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁脈沖場(chǎng),桅桿內(nèi)部各點(diǎn)處電磁場(chǎng)峰值見表1。

表1 避雷針接閃桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)峰值

通過仿真結(jié)果可知,當(dāng)雷擊桅桿上避雷針時(shí),桅桿內(nèi)部不同高度處感應(yīng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的差異很大,尤其是桅桿內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度,在不同的高度處電場(chǎng)強(qiáng)度差異尤為明顯,在底端(0,0,1)電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.58 kV/m,而在桅桿中心部位則高達(dá)28 kV/m,雷擊點(diǎn)位于接閃器時(shí),桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)會(huì)受到很大影響,尤其是在桅桿開窗較大的部位,耦合的雷電電磁脈沖場(chǎng)越大;在高度方向,由于中部開有窗口,桅桿內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)中間大兩頭小的特性。桅桿內(nèi)部各探測(cè)點(diǎn)上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大致隨著高度的增加而增加,在桅桿底端磁場(chǎng)強(qiáng)度最小,約為0.51 A/m,在桅桿頂端磁場(chǎng)強(qiáng)度最大。可見,當(dāng)艦船遭遇雷擊時(shí),放置在窗口及桅桿高處的設(shè)備受雷電電磁環(huán)境的影響較大,安放在此處的設(shè)備上應(yīng)進(jìn)行有針對(duì)性的防護(hù)設(shè)計(jì),減小雷電的影響。

2.2 雷擊甲板雷電效應(yīng)分析

本節(jié)建立了雷擊桅桿甲板尖端的數(shù)值計(jì)算模型(見圖14)。在雷擊桅桿底部平臺(tái)桅桿艙室內(nèi)雷電間接效應(yīng)計(jì)算中,采用雷電流注入的方法進(jìn)行計(jì)算,雷擊點(diǎn)位于桅桿底部平臺(tái)邊緣上,距離桅桿中心軸12 m處。仿真計(jì)算了雷擊甲板時(shí),桅桿材質(zhì)對(duì)其內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的影響;分析了鋼材質(zhì)、復(fù)合材料桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的變化規(guī)律。

圖14 雷擊甲板仿真模型

1)鋼材質(zhì)桅桿雷電磁環(huán)境分析。

當(dāng)落雷點(diǎn)位于艦船桅桿周圍時(shí),一方面流過雷擊通道的雷電流會(huì)在周圍產(chǎn)生強(qiáng)的雷電電磁脈沖環(huán)境,會(huì)影響安裝在桅桿內(nèi)部的電子、電氣設(shè)備的正常工作;此外,當(dāng)雷電擊中桅桿附近的甲板時(shí),雷電流會(huì)經(jīng)艦船殼體向大海散流,會(huì)在船體表面產(chǎn)生瞬時(shí)大電流分布,并通過艦船上的孔縫、窗口耦合到船艙、桅桿內(nèi)部,產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾騷擾,影響設(shè)備正常工作。

按照?qǐng)D14所示,在艦船甲板上注入雷電流,仿真計(jì)算桅桿內(nèi)部中心軸處不同高度上各探測(cè)點(diǎn)的電磁場(chǎng)波形(見圖15～圖20)。

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

雷擊艦船甲板上時(shí)對(duì)桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的影響,經(jīng)計(jì)算分析桅桿內(nèi)部各探測(cè)點(diǎn)處電磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值見表2。

表2 雷擊甲板時(shí)鋼材質(zhì)桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)峰值

通過仿真結(jié)果可知,當(dāng)雷擊在該艦船桅桿附近時(shí),桅桿內(nèi)部不同高度處感應(yīng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的差異很大,尤其是桅桿內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度,在不同的高度處電場(chǎng)強(qiáng)度差異尤為明顯,在底端(0,0,1)電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.2 kV/m,而在桅桿中心部位則高達(dá)21～25 kV/m,可見,近距離雷電磁脈沖對(duì)艦船桅桿內(nèi)部的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響十分嚴(yán)重。對(duì)比雷電直接擊中避雷針接閃器的雷擊現(xiàn)象,所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度較小。

2)復(fù)合材料桅桿內(nèi)部雷電磁環(huán)境效應(yīng)分析。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷發(fā)展,使得復(fù)合材料在艦船工業(yè)上得到極大應(yīng)用,作為艦船上較大、較突出的建筑物-桅桿的材質(zhì)也逐步由復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的鋼質(zhì)。當(dāng)雷電流擊于復(fù)合材料桅桿底部平臺(tái)上時(shí),在桅桿內(nèi)部軸線各探測(cè)點(diǎn)上分別探測(cè)出各點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度(見圖21～圖26)。

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

a) 電場(chǎng)波形

脈沖電流泄放時(shí),復(fù)合材料桅桿內(nèi)部各探測(cè)點(diǎn)處電磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值見表3。

表3 復(fù)合材料桅桿內(nèi)部電磁場(chǎng)峰值

通過仿真結(jié)果可知,當(dāng)雷擊在該艦船桅桿附近時(shí),復(fù)合材料桅桿內(nèi)部高處感應(yīng)出較強(qiáng)的電磁場(chǎng),尤其在桅桿頂端(0,0,11)點(diǎn)處,電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)1.5 MV/m,其對(duì)桅桿內(nèi)部設(shè)備的危害性將十分嚴(yán)重。在該復(fù)合材料內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算中發(fā)現(xiàn),隨著探測(cè)點(diǎn)高度的增加,探測(cè)點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度具有明顯增大的整體趨勢(shì)。但在桅桿窗口附近(0,0,5)、(0,0,7)處電場(chǎng)強(qiáng)度變化不符合增大趨勢(shì),主要原因可能是由于艦船窗口的影響,兩處窗口的大小影響艦船桅桿內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)大小。不同高度處感應(yīng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的差異很大,尤其是桅桿內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度,在不同的高度處電場(chǎng)強(qiáng)度差異尤為明顯,在底端(0,0,1)電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.2 kV/m,而在桅桿中心部位則高達(dá)21～25 kV/m,可見,近距離雷電磁脈沖對(duì)艦船桅桿內(nèi)部的電磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響是相當(dāng)嚴(yán)重的。

磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定,各探測(cè)點(diǎn)上的磁場(chǎng)值均在1.65 kA/m上下范圍之內(nèi)浮動(dòng),在桅桿頂端略有增大趨勢(shì)。

3 結(jié)語

本文主要分析了高功率電磁環(huán)境(雷電環(huán)境)對(duì)艦船桅桿內(nèi)部的影響,通過大量數(shù)值仿真計(jì)算出桅桿內(nèi)部不同高度點(diǎn)處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,主要表現(xiàn)如下。

1)當(dāng)雷擊附著點(diǎn)在甲板尖端時(shí),雷電間接影響相對(duì)雷擊附著點(diǎn)在避雷針時(shí)較小。

2)復(fù)合材料桅桿較于鋼鐵材質(zhì)桅桿其雷電環(huán)境下,電磁環(huán)境影響較大。

通過大量數(shù)值計(jì)算,能夠?yàn)槲U內(nèi)部雷電間接效應(yīng)防護(hù)提供可靠數(shù)據(jù),并為艦船桅桿內(nèi)部設(shè)備布設(shè)提供工程指導(dǎo)。