機載天線罩雷電防護設計方法及應用

許 群，王云香，劉少斌，喬承曉，劉尚吉

(1.南京航空航天大學電子信息工程學院， 南京210016)

(2.高性能電磁窗航空科技重點實驗室， 濟南250031)

0 引言

雷電是一種常見的自然現象，它是由云中的電荷形成的［1］。當飛機處于云團的電荷中心附近時，飛機會遭到雷擊［2］。統計表明，一架固定航線的飛機，平均每年要遭到一次雷擊。一架軍用飛機，在其全壽命周期內，平均要遭到兩次雷擊［3］。飛機遭受雷擊后，所造成的損失與雷電的強度、雷擊的部位以及飛機的雷電防護措施等因素有關，有時所造成的危害是災難性的。1988年9月，越南一架客機在曼谷上空遭雷擊，76人遇難;1990年2月，一架滿載游客的客機在多米尼加北部加勒比海遭雷擊，墜入大西洋，機上190名乘客和機組人員無一生還。迄今為止，人類至少已有2 500架飛機遭雷電擊毀［4］。

因為雷電會對飛機的飛行安全構成威脅，所以，在飛機設計時必須關注雷電防護問題。機載天線罩由非金屬材料構成，很容易遭受雷擊，機載天線罩的雷電防護設計是飛機雷電防護設計的重要組成部分。特種飛機上有多個天線罩，這些天線罩位于不同的雷電附著區域，雷電對這些天線罩潛在的危害程度各不相同，并非每個天線罩都必須采取雷電防護措施。需綜合考慮各天線罩的雷電關鍵性類別、雷電防護系統對天線罩電性能的影響、天線罩所處雷電附著區域等因素，確定該天線罩是否需要進行雷電防護設計。通常，天線罩的雷電防護措施是在天線罩外表面安裝分流條，需要對分流條布局方法進行研究，合理確定分流條的數量和長度，使得既有足夠的雷電防護效果，又盡量降低分流條對天線罩電性能的影響。

1 天線罩雷電防護必要性的分析

既然機載天線罩遭遇雷擊的概率很高，那么，天線罩的雷電防護問題就顯得十分重要。就某個具體的天線罩而言，需要面對雷電防護的必要性和具體防護措施兩個問題。天線罩雷電防護的必要性取決于天線罩雷電關鍵性類別、防護成本和防護系統對天線罩性能的影響。飛機雷電關鍵性類別是根據飛機系統、分系統和部件遭遇雷擊時對飛行安全和任務完成的影響程度確定的，共分為三類［5］:1類是關系到飛行安全的系統、分系統和部件，雷電對它們的損害可能危及人身或飛機安全;2類是關系到系統安全和飛行任務完成的系統、分系統和部件，雷電對它們的損害可能導致人員傷害或影響飛行任務的完成;3類是影響較小的系統、分系統和部件，雷電對它們的損害不會明顯降低系統的效能。

確定機載天線罩雷電關鍵性類別，必須從整機和天線系統的角度出發，分析評估天線罩遭受雷擊時對飛行安全有無影響、是否影響天線系統正常工作。雷擊對天線罩的直接損害通常是罩壁穿孔、凹陷和局部撕裂，當天線罩處于半密封艙時，在極端情況下會導致天線罩脫落。除天線罩脫落可能影響飛行安全外，其他直接損害既不影響飛行安全，也不影響天線罩透波和保護作用的發揮。還必須考慮天線罩遭雷擊時對飛機的間接損害，也就是對天線系統和飛機其他系統的影響。比如:階躍先導附著在天線上，是否會損壞天線的射頻器件和供電線路;天線罩脫落的螺釘會不會影響發動機葉輪等。把雷擊對天線罩的危害分析清楚了，天線罩的雷電關鍵性類別也就容易確定了。當然，參照有關標準對雷電重要度進行劃分也是一種可行的方法。

CCAR-25運輸類飛機適航標準是運輸類飛機研制過程中必須遵循的適航技術標準，其581條款對雷電防護提出了要求，具體內容為:

1)飛機必須具有防止雷電引起的災難性后果的保護措施。

2)對于金屬組件，下列措施之一可表明符合第1)條的要求:

(1)該組件合理地搭接到飛機機體上;

(2)該組件設計成不致因雷擊而危及飛機。

3)對于非金屬組件，下列措施之一可表明符合第1)條的要求:

(1)該組件的設計使雷擊的后果減至最小;

(2)具有可接受的分流措施，將產生的電流分流而不致危及飛機安全。

581條款的核心是飛機在雷電環境中遭遇雷擊是無法避免的，利用防護措施可以使雷擊的危害降低，避免災難性后果。飛機雷電防護的設計原則是使雷擊造成的影響最小，并且確保在被雷擊后可以繼續安全飛行和著陸。此條款是民用飛機天線罩雷電防護的基本要求。

確定了天線罩的雷電重要度等級后，就可以確定是否需要采取雷電防護措施。屬于1類雷電重要度的天線罩，必須采取雷電防護措施;屬于2類雷電重要度的天線罩，需要考慮防護成本和防護系統對天線罩性能的影響。如果雷電防護系統的成本遠低于天線罩的維修成本，并且雷電防護系統對天線罩電性能的影響較小，那么，天線罩應采取雷電防護措施，否則，可不采取雷電防護措施;屬于3類雷電重要度的天線罩，不必進行雷電防護設計。天線罩雷電防護的設計目標有高中低三個不同層次的目標:最高目標是確保天線罩的安全，天線罩不穿孔，雷電防護裝置可以重復使用，天線罩遭雷擊后不需維修或者只需少量維修;最低目標是天線罩遭雷擊后完全損壞，但是不影響飛機安全飛行和著陸;中等目標是天線罩有一定程度的損壞，但是飛機能安全返航。

2 天線罩雷電防護設計方法

2.1 雷電附著區域的劃分

天線罩具體的雷電防護措施，包括防護系統的組成、分流條類型和布局等內容，主要取決于天線罩所處雷電附著區域的類型。按照不同的雷電附著特性或傳遞特性，可將飛機表面劃分為3類區域，分別是1區、2區和3區［2］。1區是雷電的初始附著區，是雷電在飛機上的入擊點或出口區域。通常，飛機的機頭、機翼前后緣、翼尖、升降舵和安定面的端部等位置為1區。2區是掃掠沖擊區，是閃電通道與飛機之間由于相對運動而形成的一系列雷電附著點所構成的區域。雷電通道形成后其位置基本不變，在飛機向前運動的過程中，雷電的入擊點不斷后移，就象放電通道被氣流從前向后吹一樣。除了1區和2區外的所有飛機表面均為3區。按照放電懸停時間的長短，1區和2區又被劃分為A區和B區。A區是雷電懸停時間較短的區域，B區則是雷電懸停時間較長的區域。

現代飛機上天線眾多，一般飛機有20多部天線，最多的達到70多部［6］。有一些尺寸較小、結構簡單的天線不需要天線罩，而那些尺寸較大，形狀不符合飛機氣動要求的天線是需要天線罩的。因此，有的飛機上會有多個天線罩。圖1所示的飛機上顯示了6個天線罩，其中，L波段偵測天線罩和干涉儀天線罩均為左右件。在考慮這些天線罩的雷電防護問題時，必須首先確定各天線罩的雷電關鍵性類別和雷電分區，并據此進行雷電防護設計。在GJB2639、GJB3567、HB6129和SAE ARP5414中給出了部分典型飛機雷電附著區域的分布示意圖。要注意不同的飛機其形狀和結構尺寸都有所區別，因此，并不能完全根據這些圖來確定任意一款飛機的雷電分區。嚴格的做法是利用飛機的比例模型的雷電附著點試驗來確定該飛機的雷電分區。

2.2 雷電防護系統的組成

天線罩之所以遭雷擊是因為天線罩內金屬物體產生的流光比天線罩外金屬產生的流光更早地與階躍先導交匯。要想避免雷擊，就必須使天線罩的流光早于天線罩內的流光而與階躍先導交匯。通過在天線罩外表面適當布置分流條，合理設計分流條的數量、長度和方向，使分流條完全遮蔽罩內的金屬物體，能夠為天線罩提供充分的雷電防護。常見的分流條主要有金屬分流條和紐扣式分流條兩種形式。

圖1 飛機上多個天線罩示意圖

為了將雷電流從分流條傳到機身上，需要用搭鐵片實現分流條與機身的電搭接，形成了一個完整的低阻通道。搭鐵片采用銅條或鋁條，銅條的截面積不小于20 mm2，如果采用鋁條的話，其導流能力應與銅條相當［5，7］。

2.3 紐扣式分流條

紐扣式分流條由基條、紐扣和高阻層三部分結構組成。基條是復合材料結構，用來固定一粒一粒的紐扣。紐扣是金屬紐扣，最好采用銅的，可以是圓形、菱形、橢圓形，也可以是其他形狀，紐扣在基條上間隔分布，相互之間有一定的間距。如果采用鉚釘作為紐扣的話，可以用鉚接的方法把紐扣固定到基條上。高阻層位于基條的背面，涂覆在紐扣的翻邊處，把紐扣一個一個連接在一起。紐扣式分流條的結構如圖2所示。

圖2 紐扣式分流條結構示意圖

紐扣式分流條可以看作一系列的導體，當分流條安裝在天線罩上并與機身搭接后，每個導體到機身都有雜散電容，在沒有電場時，整根分流條上的電位差是零，每個電容兩端的電壓也是零。當外界電場迅速增加時，因為電容兩端的電壓不能突變，因此，沿分流條的電位差仍保持接近零。這將導致在分流條的外端首先形成電暈放電，這個放電電流最初通過最外端紐扣對應的雜散電容和系列電阻。因為從分流條這一點流到機身的電流的時間常數比整根條的時間常數小，因此，在最外端紐扣之間電阻里流動的電流比別處多，這些紐扣間的IR電壓就比較高，并首先達到使間隙擊穿的水平。換句話說，雜散電容在紐扣間引起不平衡的電壓分布，在最外側的間隙上施加的電壓最高，首先引起這些間隙打火。該過程一直持續到全部間隙都打火為止，這樣分流條的閃光從最外端開始向另一端傳播，與此同時，流光迎著先導方向向外傳播。在大多數情況下分流條擊穿發生在流光與先導交匯之前。實驗表明，紐扣式分流條的擊穿時間遠小于同等長度空氣的擊穿時間，從而有可能為天線罩提供有效的雷電防護。

天線罩是雷達天線的電磁窗口，它的性能尤其是透射性能的好壞已成為影響雷達綜合性能的重要因素［8-9］。天線罩上安裝分流條以后，勢必對天線罩的電性能造成不利影響，使傳輸效率降低、功率反射增加。紐扣式分流條的基條厚度小于1 mm，紐扣的長度為2 mm～4 mm，對工作于X波段的天線罩而言，紐扣式分流條對電磁波的遮擋和反射遠低于金屬分流條，因此，紐扣式分流條是是一種低反射分流條。試驗表明，使用紐扣式分流條后，天線罩的傳輸效率下降1%左右。在天線罩電性能要求很高的場合，適合采用紐扣式分流條。

2.4 分流條布局設計

在進行天線罩雷電防護設計時，主要任務是確定分流條的排布方向、數量和長度。通常，雷電1區的天線罩上分流條大致沿飛機縱向排布，分流條的長度應能夠覆蓋天線的掃描包絡，分流條的最大間隔為

式中:Dmax為天線罩上分流條之間允許的最大間距，單位為mm;T為天線罩壁厚，對于夾層結構天線罩，T為所有蒙皮厚度之和，單位為mm;k為表面狀態系數，與天線罩外表面涂層有關，k適用于表面電阻系數不低于0.5 MΩ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，與天線罩壁厚有關，S與T之間的關系可以用圖3表示。式(1)是英國學者R.H.J.Cary和D.A.Conti在大量試驗的基礎上總結出來的。在天線罩壁厚和表面涂層狀況已知的情況下，根據式(1)能夠確定分流條之間的最大間距。在天線罩表面布置適當數量和長度的分流條，使得天線罩表面任意點到鄰近分流條的距離都不大于Dmax，就能夠為天線罩提供充分的雷電防護設計。

圖3 安全因子S與天線罩壁厚的關系曲線

式(1)的使用有很大的局限性，它沒有考慮天線罩內天線的安裝位置，不管天線與天線罩的間隙大小如何，按照式(1)確定的分流條間距都是相同的。從雷電附著特性可知，影響分流條安全保護間距的主要因素有:天線與雷達罩內壁的距離、雷達罩壁的電壓擊穿強度、分流條的擊穿電壓等。根據這些影響因素，通過比較不同路徑的擊穿電壓，可以得到分流條布局的另一個公式

式中:Dmax為天線罩上分流條安全保護間距，單位為mm;u1為單位長度空氣間隙的擊穿電壓，單位為kV/mm;d1為天線與天線罩內壁之間的距離，單位為mm;U2為天線罩罩壁的電壓擊穿強度，單位為kV;U3為分流條的擊穿電壓，單位為kV;u4為天線罩外表面單位長度的沿面放電電壓，單位為kV/mm。

根據式(2)確定天線罩表面任意位置處分流條的間隔，因而能夠確定分流條的數量和長度。在工程實踐中，假定某根分流條的位置和長度，根據天線罩的有限元模型，計算該分流條臨近區域各節點的Dmax，確定相鄰分流條的初步位置和長度，并用同樣的方法確定其它分流條的初步位置和長度。用這種方法初步確定的位置，可能有兩根分流條覆蓋范圍重疊，所以，需要統一微調分流條的位置并最終確定下來。

對于2區的天線罩而言，閃電通道在高速氣流沖擊下不斷向后彎曲、移動，當導電通道彎曲、移動到一定程度時，導電通道上的電壓達到足以擊穿導電通道與鄰近機體表面的絕緣層時，就在機體表面上建立起新的雷擊放電附著點，雷擊放電就從先前的接觸點脫開，在新的附著點上重復先前的過程，以此形成接觸點不斷向氣流方向跳躍、更新的掃掠雷擊現象。

雷電通道從2區的天線罩上掃過，天線罩會受到高電壓和大電流的影響，因此，必須考慮分流條布局問題。雷電2區的天線罩所需承受的電壓與掃掠距離有關，平均每米的距離對應170 kV的弧壓。施加在天線罩上某處的弧壓為

式中:d為沿飛機縱向從天線罩最前端到該點的尺寸。天線罩表面上任意點對地的擊穿電壓如果都大于該點的弧壓，則該點不用加分流條，否則需要加分流條。

因為弧壓與掃掠距離有關，所以，分流條沿橫向布置，才能得到較好的效果。可以根據式(2)來確定分流條的位置，u4取0.17 kV/mm。

位于3區的天線罩不會有雷電的直接附著，也不會受到掃掠沖擊，所需承受的只是雷電流的傳導考驗。對于3區的天線罩的雷電防護問題，應結合飛機的結構考慮。如果天線罩附近的飛機結構有足夠的金屬截面，滿足傳導200 kA雷電流的能力，則天線罩不用采取雷電防護措施。否則，就需要在天線罩縱向加一條分流條，分流條的載流能力應足夠。

2.5 應用實例

以圖1所示的機頭天線罩為例說明1區天線罩的雷電防護設計方法。該機頭天線罩位于圖1所示飛機的雷電1區，之所以說是1區，可以以相關標準或成品技術協議書為依據。機頭天線罩內有ESM天線、低頻段高增益天線和高頻段高增益天線三組天線，天線的布置如圖4所示。天線罩采用三層夾層結構，內外蒙皮厚度均為0.8 mm。機頭天線罩對電性能要求很高，故選用紐扣式分流條。根據式(2)，確定分流條的數量和長度，結果如圖5所示。1#分流條的長度為1 400 mm，2#、4#和6#分流條的長度均為 1 000 mm，3#和 5#分流條的長度均為560 mm。分流條沿飛機航向布置，分流條末端通過搭鐵片與飛機機身搭接，以構成低阻電流通道。

圖4 機頭天線罩內天線的布置

圖5 機頭天線罩分流條布局

圖1所示飛機上的衛通天線罩屬于雷電2區，其外形尺寸如圖6所示。該天線罩采用五層夾層結構，內蒙皮、中蒙皮和外蒙皮的總厚度為1.6 mm，天線與罩壁之間的最小間隙為51 mm。天線罩的耐壓等于罩壁耐壓加最小空氣隙的擊穿電壓，根據天線罩沿飛機對稱面的曲線長度可以計算出對應的掃掠電壓，結果顯示掃略電壓大于天線罩的耐壓，所以，必須在天線罩上安裝分流條。根據式(2)，u4取0.17 kV/mm，確定需要一根分流條，該分流條沿飛機橫向排布，位于天線罩中間位置。

圖6 衛通天線罩外形尺寸

以上兩個實例，無論是機頭罩還是衛通罩，都進行了雷電鑒定試驗。機頭罩進行了A波和D波附著點試驗、電流A分量和B分量試驗，試驗均順利通過。衛通罩通過了掃掠通道附著點試驗和電流B、C、D分量試驗。

3 結束語

天線罩的雷電防護涉及飛機飛行安全、飛行任務完成和天線罩電性能等方面，是一個復雜的問題。需要綜合考慮各方面因素，確定天線罩是否需要采取雷電防護措施。在天線罩雷電防護設計過程中，分流條的布局設計非常重要，無論是采用經驗公式法還是比較不同路徑的擊穿電壓，都有一定的不確定性，都需要借助雷電模擬試驗加以檢查和驗證。

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