基于數值仿真的飛機雷電流傳導通路評估方法

甄國帥，臧家左，祁雪峰

(沈陽飛機設計研究所 電磁環境效應航空科技重點實驗室， 沈陽 110000)

0 引 言

飛行器不可避免的會遭遇雷擊，巨大的雷電及電磁輻射能量使得飛行事故時有發生，民航飛機的雷電防護有著嚴格的適航要求。雷電對飛行器的危害一般分為直接效應危害和間接效應危害。雷電直接效應危害可以根據SAE ARP5416A和RTCA/DO-160G通過部件級試驗進行驗證評估。雷電間接效應危害情形復雜，一般需要進行整機試驗，確認機載系統與設備的防護指標，指標過低，飛行器的雷電防護設計存在安全隱患，指標過高，則要付出重量、體積和成本的代價。

為降低雷電間接效應危害，研究者開展了大量研究，一方面通過理論計算或整機試驗，揭示飛機雷電電磁耦合的主要機制有開口耦合、擴散耦合及電流重分布等；另一方面，研究者提出了飛機雷電耦合的主要波形類型、參量范圍和防護手段等。隨著電磁仿真技術的發展，研究機構逐步具備模擬飛機雷電耦合、擴散和重新分布過程的能力，依靠飛行器整機數字模型也可以進行雷電間接效應仿真及防護設計，既可以節約大量試驗經費又避免了機載設備在試驗中毀傷的風險。

國外，雷電間接效應仿真軟件主要以EMA3D軟件為主，基于該軟件相關飛機設計公司及研究機構在20世紀末進行了大量的雷電間接效應仿真與試驗驗證工作，提升了仿真結果的可信度。國內，中國商用飛機有限責任公司、中國民航大學以及合肥航太電物理技術有限公司等也基于EMA3D進行了燃油箱、液壓系統、設備艙等相關雷電防護研究。國內大多數高校及研究機構出于EMA3D軟件成本或采購限制等方面的原因，主要基于另一款電磁仿真軟件CST進行地面目標和飛行器的雷電間接效應仿真研究工作。

在國內已經完成的飛行器雷電間接效應研究中，雷電流在飛行器的傳導通路主要為金屬蒙皮，既不符合新型飛機大量使用輕質化復合材料機體蒙皮的發展現狀，又不符合復合材料占比提升后主要依靠飛機內部金屬結構傳導雷電流的實際情況。尤其在飛機內部結構建模方面很少有人提及，嚴重制約著國內飛行器雷電間接效應仿真及評估技術的發展與工程應用。單純依賴雷電間接效應試驗進行飛機雷電防護設計，既不經濟又要承擔很大的設計風險，國內亟需針對復合材料飛機進行內部結構建模研究，并在飛機內部結構模型的基礎上進行雷電流傳導通路仿真評估研究。

本文提出基于飛機內部結構建模技術的飛機雷電流傳導通路評估方法，構建部分F22飛機內部金屬結構的電磁仿真模型，搭建從左機翼到右機翼的雷電流傳導通路，根據飛機內部的磁場分布和機載線纜感應的短路電流對傳導通路的防護效果進行評估。

1 機體內部結構電磁建模

飛行器內部結構復雜，各種機載系統、設備、線纜線束、油箱、發動機以及彈艙等占據了絕大部分的空間，如果不能根據雷電流的傳導特性進行裁剪，飛機內部結構的電磁建模幾乎不可能實現。

飛機內部結構的建模需要從電磁學出發抓住重點進行等效建模。從雷電流沿飛機內部金屬結構的傳導來看，內部結構的傳導電阻是最為重要的。結合飛機內部結構的安裝特點，飛機內部結構表面一般涂覆有防腐蝕層，內部結構之間一般是絕緣的，主要通過螺釘實現緊固并保持電連續性。因此飛機內部結構的建模既要考慮自身的傳導電阻又要兼顧結構之間的搭接電阻。

從內部結構的傳導電抗來看，包含電容和電感控制兩個方面。內部結構之間的相對位置應與實際情況保持一致，保證內部結構之間電容的一致性；電感主要產生在內部結構表面，需要保證內部結構表面積的一致性。

出于減重等目的，飛機內部結構大量采用“工”字型，為了表面積的一致性可以簡化為“口”字型，同時可以保證內部結構與機體蒙皮搭接面積的一致性。

從上述限制因素出發，構建的F22飛機機翼段內部結構模型如圖1所示。該模型主要有三個部分：一是飛機機體蒙皮，主要參照結構專業的數字模型進行修復建模；二是機體內部結構，機體內部結構的建模主要基于上述限制，在保證內部結構外形、相對位置一致性的同時，對其電導率進行等效替代；三是機體內部金屬結構與機體蒙皮的搭接面，搭接面一般為密集的鉚釘緊固件。

(a) 飛機及內部結構示意圖

(b) 機體蒙皮與內部結構搭接面示意圖

F22飛機機體內部的金屬結構如圖1(a)所示，根據直流情況下的電導率匹配結果，機體內部金屬結構的電導率大致為4×10S/m，厚度為5 mm；機體蒙皮與飛機內部結構的搭接面如圖1(b)所示，搭接面的電導率設置為1×10S/m，厚度為1 mm；非搭接區域的機體蒙皮假定為電導率為1×10S/m的復合材料，厚度為1 mm，并可能鋪設有電導率為1×10S/m的金屬網，金屬網厚度為0.075 mm。上述材料的相對介電常數和相對磁導率均設置為1，不同材料的差異主要體現在電導率方面。

2 仿真場景的布置

考慮雷電流從左機翼進入和右機翼流出的場景，如圖2所示。

圖2 飛機雷電間接效應仿真場景示意圖

在機體內部傳導通路附近區域布置電磁場監測器如圖3所示。在機體內部傳導通路附近區域布置1 m長的線纜如圖4所示，線纜分為兩部分，一部分監測短路電流，一份監測開路電壓。雷電流激勵波形參照SAE ARP5412-2013的雷電流A分量設置。

圖3 電磁場探針布置示意圖

圖4 線纜布置示意圖

三種仿真場景類型說明如表1所示，場景1和場景2用于對比1 mm厚復合材料和0.075 mm厚金屬網的防護效果，場景2和場景3用于對比機體內部結構對雷電流傳導的影響。場景3中由于存在機體內部金屬結構，機體蒙皮與內部結構之間存在搭接面。

表1 仿真場景類型說明

3 磁場強度分布分析

3.1 擴散耦合和電流重分配機制

通過機翼三個不同位置的磁場探針分布(如圖5所示)，觀察飛機雷電耦合時的擴散耦合機制。場景1和場景2磁場強度仿真結果如圖6所示，可以看出：距機翼后緣位置越近曲率半徑越小，磁場越快達到最大值，表明擴散耦合機制越快；場景1中三個探針的磁場強度更快達到最大值，表明復合材料機體蒙皮的擴散耦合機制更快。

圖5 機翼三個不同位置的磁場探針布置示意圖

(a) 場景1

(b) 場景2(探針1)

(c) 場景2(探針2、3)

在圖5中，探針1接近機翼后緣，場景1和場景2中的磁場強度基本一致，這種現象還可以在接近機翼前緣的探針位置觀察到，代表著在曲率半徑過小的區域幾何結構對雷電屏蔽效果的影響強于材料的影響。

通過對比不同時刻的雷電流分布，可以觀察雷電耦合時的電流重分配機制。場景1的雷電流再分配機制如圖7所示，可以看出：場景1下，8 μs時刻雷電流的能量以高頻分量為主，雷電流沿機體邊緣(機翼外緣)傳導，但到了180 μs時刻，雷電流能量以低頻分量為主，雷電流沿最短傳播路徑傳導。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

場景3的雷電流再分配機制如圖8所示，場景3中存在機體內部金屬結構，可以看出：雷電在180 μs時刻主要沿機體內部金屬結構傳導，因為機體內部金屬結構的傳導能力遠強于金屬網蒙皮。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

3.2 機體內部結構對磁場強度分布的影響

機體截面選取前視圖及俯視圖如圖9所示，圖中紅色橫線所示即為選取的水平截面，通過該截面對比場景2和場景3中的機體內部感應的磁場分布。

(a) 截面選取前視圖

(b) 截面選取俯視圖

場景2和場景3中從2 μs到200 μs選取100個時刻的磁場分布情況分別如圖10～圖11所示，可以看出：場景2和場景3中磁場的差別主要集中在機體內部金屬結構所在區域，雷電流沿機體內部金屬結構傳導，增強了金屬結構周圍區域的磁場。

圖10 場景2中選取截面的機體內部磁場強度

圖11 場景3中選取截面的機體內部磁場強度

在圖3所示的34個磁場探針中，場景2和場景3中的探針磁場強度對比如圖12所示，根據對比結果可以將機體劃分為四個區域，四個區域對應的磁場探針位置布局如圖13所示。

圖12 場景2和場景3探針磁場強度對比

(a) 區域1

(b) 區域2

(c) 區域3

(d) 區域4

從圖12～圖13可以看出：在內部金屬結構附近區域，受內部金屬結構傳導雷電流影響，場景3的磁場大于場景2的磁場，例如區域1；相反的，遠離內部金屬結構的區域，則是場景2的磁場大于場景3的磁場，例如區域2和區域4；區域3受所處位置曲率半徑過小的影響，雷電能量很容易進入機體內部，內部金屬結構的有無對該區域無影響。

4 線纜感應電流強度分析

飛機內部的線纜布置如圖4所示，共計26根線纜，13根用于監測短路電流，13根用于監測開路電壓。三種場景監測到的短路電流形式均如圖14所示，電流強度的差別如表2所示。監測到的開路電壓如圖15所示，開路電壓在15 V以內，部分開路電壓過小未顯示。

圖14 場景3中線纜監測到的短路電流

圖15 場景3中線纜監測到的開路電壓

在表2中，場景1比場景2中線纜感應的短路電流最大值高25倍左右，表明復合材料對雷電的屏蔽效果遠弱于金屬網，而且場景1中的線纜短路電流普遍大于SAE ARP5412B中電流波形5A和5B最高防護等級5 000 A短路電流。對比場景2和場景3，除線纜3、9和12以外，場景3的線纜短路電流強度均小于場景2的短路電流強度，其中一半線纜的短路電流最大值下降了1/2。

表2 三種場景的線纜短路電流最大值

結合機體內部的磁場強度分布，雖然機體內部金屬結構將雷電流引入到機體內部導致機體內部的磁場增強，但是由于內部金屬結構的雷電流傳導能力遠強于金屬網，更多的雷電能量以電流的形式沿著內部金屬結構傳導，向外輻射的電磁能量反而較弱，線纜感應到的電流也更弱。對于機載系統和設備雷電防護而言，由內部金屬結構組成的雷電流傳導通路起到了很好的防護效果。

5 結 論

(1) 飛機機體復合材料的雷電防護效果極差，在不對復合材料進行金屬化處理的情形下，機載線纜感應短路電流最大值遠高于最高級5級的指標。

(2) 飛機機體復合材料采取敷設金屬網等防護措施后，雷電防護效果顯著提升，與復合材料機體相比，機載線纜感應短路電流最大值下降25倍。

(3) 飛機內部的金屬結構對雷電流傳導起到了很好的分流作用，雷電流通過重分配機制，主要沿內部金屬結構從左機翼傳導至右機翼，與內部金屬結構缺失的情形相比，一半機載線纜的感應電流最大值下降1/2。