飛行器雷電附著仿真研究

沈威+白焱

摘要：飛機的雷電直接效應對飛行安全構成危害，在飛機設計時必須要充分考慮到這些危害。以某航空器為研究對象，對雷云起電、發展機理、飛行中航空器的帶電機理以及雷電先導初始附著機制等進行研究，建立飛機的等比3D模型， 再借助CST EM工作室對飛機進行雷擊仿真，初步分析雷擊時純金屬飛機機身表面電流分布，進一步理論劃分航空器雷電附著區域。可為飛機雷電防護設計以及試驗提供參考依據。

關鍵詞：雷電直接效應；危害機理；CST仿真；雷電防護

飛機在飛行過程中遭受雷擊事件，在國內外時有發生。雷擊經常會給飛機造成嚴重的損失，尤為嚴重的是雷擊會擊穿飛機的油箱從而引起飛機的爆炸。飛機在遭受雷擊之后，雷電會產生強大的電流，形成電磁場、光輻射、沖擊波和電弧，這些現象都嚴重威脅著飛機的安全。

本文利用CST電磁仿真軟件的EM工作室對某飛行器模型進行雷電附著點仿真研究，并討論了飛行器飛行姿態對飛行器雷電分區的影響。

1 雷電的損傷機理

雷電對飛機的危害可分為物理效應和電磁效應。物理效應指的是在雷擊前階段，飛機周圍高電場的引發是來自飛機尖端部位的電子流，如果電子流經過含有易燃油氣混合物存在的燃油口，就有可能發生點燃現象，如果火苗竄入油箱，就可能會導致猛烈的燃油爆炸。雷電對燃油系統的危害最大。僅0.2毫焦耳能量的電火花，便足以點燃一定濃度比例的燃油蒸汽從而引起爆炸。在雷電的高峰值電流階段，會在幾微秒內傳送大量能量，將導致物質材料汽化，并會造成結構性破壞。雷電電流流經飛機時，會在搭接不良的結構交接部位出現打火現象。附著到整體油箱外殼上的雷電也會在油箱上燒出孔洞，或者使表面發熱以致點燃存在的易燃氣體。在雷擊的恒定電流階段，會給飛機結構帶來嚴重的燃燒和腐蝕性破壞。如果在雷電電弧存在的整個時間內，雷電通道停止于飛機的某一點上，會在飛機的蒙皮上形成直徑幾厘米的孔洞。

電磁效應指的是由電流或者電壓使機載設備遭受破壞或失常，即使這些電流或電壓可能是由于雷電電弧直接附著到一個外部的電氣裝置上引起的。如果雷電將其防護玻璃損壞或燒穿其金屬罩并接觸到燈泡的燈絲，則電流將進入導線，從燈泡流至電源匯流條。這種瞬時電流將導線燒毀或汽化，或者擊穿絕緣物，會破壞其他電氣設備。即使雷電不直接接觸導線，也會在飛機的周圍建立起變化的電磁場，電磁場能夠透過金屬蒙皮，或者直接穿透諸如接縫、孔洞或其它非金屬部位。由于場隨時間變化，因此會在飛機內部的電路中感應出瞬時電壓和電流。當雷電電流流經飛機構架上的高阻抗部位時，也會產生比較大的電壓和電流。

2 雷擊附著點試驗設計

2.1仿真模型的建立

雷電附著點仿真模型示意圖如圖所示，采用高壓電極模擬雷電通道的先導，其上加載3000kV的電壓，飛行器模型放置其中，并根據不同姿態調整模型位置，為的是研究不同的飛行姿態時雷電的附著點情況。飛行器飛越雷擊區域時，機身結構會改變周圍的電場分布。飛行器表面某些區域電場強度加強，并伴隨著放電現象的發生，則該區域即為雷電初始附著區域。雷電初始附著區域將由雷電先導靠近至目標一定距離后決定，此時，雷電先導電荷產生的電場貢獻較大，先導頭部電流產生的輻射場相對較小，可以采用靜電場效應模擬飛行器觸發雷擊前的瞬態過程。由于自然雷電放電中階躍先導的速度約為800km/m，而飛機的飛行速度約為0.8km/m，因此，速度的影響可以忽略。

CST仿真中網格的設置決定了仿真的質量與速度。文章選擇自適應網格加密，程序會進行網格加密迭代，并通過內置的專家系統，自動判斷最什的網格疏密，達到設定的精度后終止計算，從而得到速度和精度的統一。考慮實際情況，背景材料設為Normal（空氣/真空），并在模型各個方向擴充一定的距離。邊界條件設為電邊界，即等效于理想導體，電場垂直于邊界表面，磁場平行于邊界表面。

2.2試驗中飛行器雷擊方位模擬

綜合該飛行器的實際飛行情況和雷電發生的空間方位不確定性和隨機性，試驗中確定模型的姿態為平飛、上仰30°、俯沖30°，橫滾30°四種。

3 仿真結果及分析

分別對四種飛行狀態下的飛行器進行仿真求解，為了能更好的對比觀察航空器的表面電場，把飛行器統一調整到相同的飛行姿態。

試驗中，整個求解區域采用四面體網格進行剖分。其中飛行器模型、棒電極采用精細網格、空氣區域采用粗網格，這樣即可確保飛行器表面電場強度計算數據的準確性，還可以提高求解效率。采用的電極為棒電極，其上加載3000kV的電壓，飛行器模型放置其中，并根據不同姿態調整模型位置。棒電極與模型最小距離應代表50m的打擊距離按模型的縮比系數進行縮比。同時，模型上任何位置到地面的距離要大于模型的最大尺寸。飛行器飛越雷擊區域時，機身結構會改變其周圍的電場分布，飛行器表面某些區域電場強度加強。

根據仿真結果，飛行器的初始雷擊附著點分布于各處突起部位，分別為：機頭、翼尖、水平尾翼尖端、機翼上安裝的吊艙以及其他明顯的突出物。這為該飛行器的雷電分區提供了有力的參考依據，也為飛行器的防護設計提供了有利的參考依據。

4 結論

應用數值仿真軟件的關鍵在于如何建立合理的模型及如何設置正確的仿真參數，使得仿真環境能更真實地反映實際情況。本文依據SAEARP5412和ARP5416等標準的相關規定，用仿真軟件CST對飛機雷電間接效應進行研究，重點分析了在特定雷擊路徑下，飛機表面電流分布情況，仿真結果基本符合相關理論成果由此可見，該力法可以對飛機雷電間接效應測試進行有效地模擬，為飛機雷電防護設計提供實驗力法和設計依據，具有重要的工程意義。

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