一種水面艦艇避雷針設計方案

王 萌，宋 鑫

(中國艦船研究院，北京 100192)

一種水面艦艇避雷針設計方案

王 萌，宋 鑫

(中國艦船研究院，北京 100192)

提出一種適用于水面艦艇的避雷針設計方案，在盡量不影響桅頂天線正常工作的情況下，實現與桅頂天線一體化設計，具有體積小、重量輕、便于工程實施等優點，可在水面艦艇防雷電設計工作中推廣應用。

水面艦艇；避雷針；一體化設計

0 引 言

在海洋環境下，雷電對水面艦艇的人員以及設備的安全性構成重大威脅，近幾年已經發生過多起雷擊事件，造成一定的損失,因此避雷針的設計也引起越來越高的重視。目前市場上商用的避雷針產品已經比較普及，但是在水面艦艇上，由于空間有限，并且設備眾多，導致無法直接采用成熟的避雷針產品，需要根據每一型艦的特點進行有針對性的設計。

我國新研制的驅逐艦，設備集成化程度高，艦面天線眾多，小桅上密集分布大量天線，桅頂天線體積大、重量重，桅頂不具備單獨安裝避雷針成熟產品的技術條件；同時，由于水面艦艇所處的環境條件，對避雷針的防風、振動、疲勞壽命等技術特點提出了更高的要求，因此，作者開展一體化、集成化設計，形成避雷針與天線一體化設計方案，節約空間，減輕重量，并且非常便于安裝，是一種工程應用中較理想的避雷針設計方案。

1 避雷針設計高度與防護范圍評估

根據GJB 4000-2000 (艦船通用規范)[1]，單根避雷針保護范圍確定方法如下：

(1)

(2)

式中：rx為hx高度保護半徑；h為高度；ha=h-hx為避雷針有效高度。

式中rx和hx是已知量，根據rx和hx可以得出避雷針的高度h。

根據桅頂天線的半徑，并綜合考慮艦上保護范圍，設計避雷針有效高度h=2.15 m。

2 避雷針對桅頂天線方向圖的影響

避雷針對桅頂天線影響可參照美國標準[2]:

1)沒有裝避雷針天線方位精度:有天線自身引起的15 Hz最大方位誤差不應超過8°，而135 Hz最大方位誤差不應超過1.5°，并且在0°-360°水平全方位范圍內，以及在2°-10°的仰角范圍內均應滿足以上2個要求。

2)對裝避雷針天線方位精度:由避雷針引起的135 Hz最大方位誤差在任何區域內都不超過1.5°，同時由所有因素造成的總誤差最大不超過3°；由避雷針引起的15 Hz最大方位誤差不超過2°，同時由所有因素造成的總誤差最大不超過10°。

為了滿足技術標準的要求，需要通過仿真分析避雷針對桅頂天線方向圖的影響，以避免因為加裝避雷針而導致桅頂天線出現不可接受的性能下降。避雷針設計如圖1所示。

圖1 避雷針設計示意圖Fig.1 The protection area of single lightning rod

從圖1可看出，rx反映避雷針與天線的距離，通過式(1)和式(2)可以看出，rx與避雷針高度h成正比，因此為了降低避雷針高度，應盡可能地減小rx。圖2是避雷針到天線距離分別為0.1 m和0.3 m時天線的歸一化增益值與天線在無避雷針時的歸一化增益值的比較結果圖。

圖2 增益歸一化比較Fig.2 The protection area of double same height lightning rods

天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。所謂輻射參量包括輻射的功率通量密度、場強、相位和極化，在通常情況下，輻射方向圖在遠區測定，并表示為空間方向坐標的函數[3]，方向圖是天線的一個重要指標。通過圖2可以看出，當L=0.1 m時，在部分角度增益下降較大，會影響通信距離；當L=0.3 m時，天線在各個角度的增益下降比較均衡，對天線性能的影響比較小，工程應用中可以接受。

3 避雷針結構強度仿真分析

通過上面分析計算，可以得出避雷針的高度、防護范圍等基本參數，但是艦載避雷針應滿足艦艇環境條件要求，其材質、結構強度等指標需要通過仿真分析加以確定。

避雷針安裝于船最高處，對避雷針結果強度影響最大的就是海面風，避雷針應滿足的風速計算公式如下：

(3)

式中：Uz為Z高度處的風速；Z為高度；U10為距海平面10 m處的風速值。

根據國軍標，12級風海平面10 m處的風速值[4]52 m/s,因此艦艇的環境條件要求可計算得出

UZ≈70 m/s。

避雷針材質參數如下：

1)玻璃鋼材料。彈性模量20.9 GPa；泊松率0.34；密度2.0。

2)銅棒材料。彈性模量110 GPa；泊松率0.34；密度8.39。

通過仿真分析，可以得出避雷針的桿變形如圖3所示。

圖3 避雷針形變圖Fig.3 The protection area of double different height lightning rods

通過圖2可以看出，避雷針與天線的距離設計為0.3 m，通過圖3可以看出，在最大風速情況下，避雷針最大形變不超過0.3 m的設計距離，因此不會出現惡劣天氣下，避雷針碰觸桅頂天線的情況，可以確保避雷針和桅頂天線的物理安全。

4 引下線與接地裝置

完整的避雷針設計方案包含接閃器、引下線和接地裝置。

按照國軍標要求，引下線為2根截面積70 mm2的銅線，外面包裹絕緣材料。引下線與避雷針在支撐桿內部穿行，并與避雷針連接。引下線另一端通過天線安裝座以及安裝架，并由安裝架實施固定。安裝時，安裝架與小桅內部的2根引下線焊接、固定，然后避雷針與天線一起安裝于小桅頂端。

艦艇的主船體應設置2個接地柱，分別與2根引下線牢靠焊接，并在焊接點進行防腐工藝處理。雷電接地柱應與其他接地裝置遠離，并且應嚴格避免引下線與其他電纜交叉放置，防止出現感應電流。

5 結 語

本文作者通過深入研究提出一種艦用避雷針與桅頂天線的一體化設計方案，并根據國軍標要求，分析避雷針的。

[1] 艦船通用規范 3組 電力系統[S].GJB 4000-2000(3).

[2] Antenna Group Tacan[S].MIL-A-29505 OE-273(V)/Urn.

[3] 魏文元，宮德明，陳必森.天線原理[M].

[4] 艦船通用規范(總冊)[S].GJB 4000-2000(3).

The lightening rod and the antenna incoprate project for surface warship

WANG Meng,SONG Xin

(China Ship Development and Research Institute，Beijing 100192,China)

This paper presents a suitable lightning rod for surface warship, as much as possible without affecting the masthead antenna work. The lightning rod is integrated designed with masthead, with small size, light weight, convenient construction. This program suitable to use in surface warship.

surface warship;lightening rod;incoprate project

2014-02-24;

2014-03-06

王萌(1980-)，男，高級工程師，研究方向為電磁兼容，雷電防護。

TM862

A

1672-7649(2014)12-0170-02

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.039