武器裝備防雷標準體系及應用研究

熊秀，李紅軍

（1.西安愛邦雷電與電磁環境實驗室，西安 710077；2.空裝駐西安地區第一軍事代表室，西安 710089）

雷電對空中、地面及水面的各類裝備均會構成威脅，隨著我國裝備研制水平的不斷提高，對雷電防護的重視程度越來越高。在裝備防雷工作實踐中，標準至關重要，但目前航空、地面、水面各類裝備的防雷標準較多存在不完善、不協調甚至沖突的情況，嚴重制約了防雷工作的開展。鑒于國內防雷標準制定基本參照國外主流標準，文中首先對國外雷電標準體系進行了梳理和比較，進而對國內不同類型武器裝備的防雷標準進行技術來源及存在問題的分析。最后結合國內外的探索經驗，提出一些標準制訂和應用的建議。

1 國際防雷標準體系

國際防雷標準主要包括三大類型：針對航空器的SAE ARP系列標準；針對各類民用設施和設備的IEC標準；針對軍用設施和設備的美軍標。

1.1 針對航空器的SAE ARP系列標準

美國機動車工程師學會（SAE）制訂了一系列與航空器雷電相關的 ARP（Aerospace Recommended Practice）標準，具體包括：ARP 5412B—2013《雷電環境及相關試驗波形》；ARP 5413—1999《飛機電氣電子系統的雷電間接效應的驗證》（2007年取消，由AC 20-136A替代，AC 20-136已更新為B版本）；ARP 5414B—2018《飛機雷電分區》；ARP 5415B—2020《雷電間接效應驗證指南》；ARP 5416A—2013《飛機雷電試驗方法》；ARP 5577—2002《飛機直接效應驗證》。

圖1中的 DO160[1]第 22章及 23章雖然不屬于ARP標準，但其技術內容完全來源于ARP 5416[2]，可視作 ARP的衍生標準。歐洲的航空雷電標準（EUROCAE發布的ED系列標準）通常與ARP標準等同，且同步發布。另外，一些發布較早的針對軍用航空器防雷的標準（如MIL-STD-1757A[3]《航空航天器及硬件的雷電鑒定試驗方法》、MIL-STD-1795A[4]《航空航天器及硬件的雷電防護》）均已廢止，不再使用，而是直接采用ARP及DO160標準。因此，ARP系列防雷標準幾乎可視作國際航空器防雷標準的統一源頭。

1.2 針對各類民用設施和設備的IEC標準

針對地面設施和設備的防雷標準以IEC 62305為基礎，包括4個標準，如圖2所示。

圖2 IEC 62305系列標準Fig.2 IEC 62305 standard group

1）IEC 62305-1[5]《雷電防護 第一部分：總則》。該標準主要描述了雷電環境及各類雷擊的參數，是進行防護設計、仿真及驗證的基礎。

2）IEC 62305-2[6]《雷電防護 第二部分：風險管理》。該標準描述了雷擊損失相關的風險評估方法。

3）IEC 62305-3[7]《雷電防護 第三部分：建筑物的物理損壞和生命危險》。該標準描述了直接雷擊防護系統，包括外部接閃系統和內部搭接系統，以及對接觸和跨步電壓威脅人身安全的防護措施。

4）IEC 62305-4[8]《雷電防護 第四部分：建筑物內的電子電氣系統》。該標準描述了建筑物內部雷電間接效應的防護措施。

IEC 62305標準最新版本于2011年發布，其余的針對各類地面設施或系統的防雷標準基本上都是以該標準為基礎。如風力發電機標準 IEC 61400-4:2010[9]《風力發電機 第24部分：雷電防護》，其中規定的環境、風險評估方法和部分接地搭接方法引自IEC 62305標準，但防護設計方法及試驗方法等是根據自身特點來規定的。

IEC 62305-1與ARP 5412B[10]中的標準雷電參數因選用的數據源不同而略有差異，更大的不同體現在試驗及分析的波形描述上，見表1。從表1可以看出，2個標準規定的雷電波形參數有明顯區別，必然會導致基于這些不同波形的分析、設計及試驗也存在較大差別。

表1 標準雷電波形參數差異Tab.1 Lightning waveform parameter differences between two standards

1.3 針對軍用設備的美軍標

MIL-STD-464C[11]《系統電磁環境效應要求》由美國國防部于2010年發布，該標準對軍用設備（包括飛機）的雷電防護能力提出了要求。其5.5節規定：“對于雷電的直接效應和間接效應，系統都應滿足其工作性能的要求……符合性應通過系統、分系統、設備和部件（如結構件和天線罩）級試驗、分析或其組合來驗證。”MIL-STD-464C中的雷電波形引自 SAE ARP 5412，與IEC系列標準中的雷電參數有差異。

MIL-STD-461G[12]《對分系統和設備的電磁干擾特性的控制要求》中新增“CS117雷電感應瞬態敏感度傳導試驗”主要針對機載設備，依據DO160G制定。

另外有一些針對地面設施的美軍標，如MIL-STD-188-124B[13]《包括地基通信電子設施設備在內的遠程戰術通信系統通用的接地、連接、屏蔽》和針對軍用地面設施的 UFC 3-575-01[14]《雷電與靜電防護系統》中，關于防雷的技術內容則類似于前面所述的IEC標準。

2 國內防雷標準體系

對照國際防雷標準，國內的防雷標準也可以相應地分為航空類、民用設施設備類和武器裝備類。

2.1 航空類

由于國內以前的航空產業主要針對軍用裝備，航空器的防雷標準主要為軍標。現行有效的民用標準為：

1）HB 6167.24—2004[15]《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法 第24部分：雷電感應瞬態敏感度試驗》，該標準等同翻譯RTCA/DO-160G Section22。

2）HB 6167.25—2014[16]《民用飛機機載設備環境條件和試驗方法 第25部分：雷電直接效應試驗》，該標準等同翻譯RTCA/DO-160G 第23章。

2.2 民用設備類標準

民用設備通常是位于建筑物內，因而其防雷主要是針對間接效應，在標準中通常作為建筑物（設施）雷電防護的一部分。

GB/T 21714—2015系列標準等同翻譯IEC 62305系列標準，包括：GB/T 21714.1[17]《雷電防護 第 1部分：總則》、GB/T 21714.2[18]《雷電防護 第2部分：風險管理》、GB/T 21714.3[19]《雷電防護 第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險》、GB/T 21714.4[20]《雷電防護 第4部分：建筑物內電氣和電子系統》。

國內民用設施方面，影響較大的標準還包括GB 50057—2010[21]《建筑物防雷設計規范》與GB 50343—2012[22]《建筑物電子信息系統防雷技術規范》。這兩部標準內容較全，包括防護要求、防護方法、防護系統等，除了雷電參數和風險評估方面的內容，大致可以對應IEC 62305系列標準。

其余的標準主要針對具體行業的設施設備和防護器件，技術源頭基本來自IEC 62305。主要包括：GB 18802.1—2011《低壓電涌保護器 第一部分：性能要求和試驗方法》、GB 15599—2009《石油與石油設施雷電安全規范》、GB 50601—2010《建筑物防雷工程施工與質量驗收規范》、GB 50650—2011《石油化工裝置防雷設計規范》、GB/T 3482—2008《電子設備雷擊試驗方法標準》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》、GB/T 7450—1987《電子設備雷擊保護導則》、TB/T 3074—2003《鐵道信號設備雷電電磁脈沖防護技術條件》、NB/T 31039—2012《風力發電機組雷電防護系統技術規范》等。

2.3 武器裝備類

武器裝備類防雷標準包括：GJB 1389A—2005《系統級電磁兼容性要求》、GJB 8848—2016《系統電磁環境效應試驗方法》、GJB 2639—1996《軍用飛機雷電防護》、GJB 3567—99《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》、GJB 1804—93《運載火箭雷電防護》、GJB 7899—2012《航天發射場雷電預警與報警規程》、GJB 5080—2004《軍用通信設施雷電防護設計與使用要求》、GJB 6784—2009《軍用地面電子設施防雷通用要求》、GJB 7581—2012《機動通信系統雷電防護要求》、GJB 8007—2013《地地導彈武器系統雷電防護通用要求》。

針對以上標準作以下說明：

1）GJB 8848—2016[23]中關于飛機的試驗方法依據GJB 3567執行，地面裝備的試驗方法參考了飛機類標準中的直接效應試驗方法和間接效應試驗方法。

2）GJB 2639—1996[24]提出了軍用飛機的雷電防護要求，要求包括雷電防護計劃、設計要求及檢驗3個部分。

3）GJB 3567—99[25]和 GJB 1804—93[26]均參考了MIL-STD-1757A中的試驗方法，只規定了直接效應試驗方法，沒有機載設備雷電感應瞬態敏感度試驗方法。GJB 1804—93中關于雷電防護要求的部分則參考了MIL-STD-1795A。

4）最后4項標準為地面設施防雷要求，這4項標準的內容主要參考針對地面建筑的IEC和GB，與前面的幾項標準在內容來源上有很大差異。

3 航空與地面裝備的防雷標準差異

以GJB 2639—1996《軍用飛機雷電防護》和GJB 6784—2009[27]《軍用地面電子設施防雷通用要求》為例，來說明航空與地面裝備防雷標準的差異。從表2可以看出，兩個標準差異明顯。大體而言，同樣是提防雷要求的標準，航空防雷標準重點在提要求和驗證，而地面裝備的防雷標準重點在設計實現和工程實施。這些差異，一方面是因為地面設施和航空器本身特點不同，另外也與技術來源及標準架構有直接關系。

表2 航空與地面裝備防雷標準的差異Tab.2 Differences between airborne and ground equipment lightning protection standards

4 裝備防雷標準應用及存在的問題

4.1 軍用航空器防雷標準的應用

目前軍用航空器使用的標準如圖3所示。國際上航空器的防雷標準體系較為完善，在軍用航空的防雷實踐中，當沒有可依據的國軍標時，往往直接參考國際標準，因此目前實際發揮作用最大的標準還是ARP5416及DO160。

圖3 軍用航空器標準應用現狀Fig.3 Current standards application on military aircraft

4.2 地面武器裝備

目前可用的標準除了 GJB 1389A與 GJB 8848外，還有2.3小節所列的GJB 5080、GJB 6784、GJB 7581、GJB 8007。這些標準由于其來源主要針對設施，重點在設計實現上，沒有提供明確的雷電波形及試驗考核方法，在進行驗證時，只能參考GJB 8848中提供的方法，因此不利于在軍用裝備上的實施貫徹。

水面裝備目前可依據的防雷標準則更少，目前主要依據GJB 8848進行試驗，在防護設計中，參考民用建筑類的標準（比如GB 50057等）。

4.3 武器裝備防雷標準體系存在的問題

當前武器裝備防雷標準體系存在的問題包括以下幾個方面。

1）標準體系不完善。從上文的討論中可以看出，雖然航空器的防雷設計及驗證已經大范圍開展，但與國外相比，仍滯后不少。地面與水面裝備的防雷標準欠缺更多，很多裝備沒有可直接依據的標準。

2）來源于SAE與IEC的標準不協調。系統級的2個標準GJB 1389與GJB 8848中的雷電環境是按照航空器的標準來確定的，而其他防雷國軍標基本參照IEC，基本的雷電波形及參數就不一樣，其他的諸多差異在表2中已列出。

3）地面裝備的軍標沒有明確的試驗方法與指標。這些標準對于設計規定較為詳細具體，但往往沒有明確的試驗方法和雷電參數，這與武器裝備研制中以試驗考核牽引設計的原則不符合，使得標準的可執行性不夠。比如 GJB 8007[28]“4.4.6 質量要求”中規定：“車輛的雷電防護裝置試驗應參照GJB 3567進行全尺寸部件附著點試驗、結構直接效應試驗、電暈和流光的直接效應試驗，參照GB/T 18802.21—2004[29]進行電氣入口端浪涌電流試驗，參照GJB 2093[30]進行屏蔽效能試驗”。這樣規定可視作考慮到了設計驗證的問題，但也必然帶來以下問題：按照GJB 3567進行直接效應試驗導致設計時考慮的雷電波形參數與試驗時的參數不一致；GB/T 18802.21—2004是針對SPD的試驗考核方法，并不能覆蓋設備及分系統的間接效應試驗。

4）間接效應防護驗證不協調的問題。航空器與地面裝備標準的不協調在間接效應防護驗證上體現得最為明顯。航空裝備的間接效應按照不同等級進行設備或系統的瞬態注入考核，而IEC標準中對間接效應的試驗主要是針對 SPD防護器件，而且由于民用SPD一般為貨架定型產品，通常是由生產廠商進行出廠試驗，地面裝備的防雷標準中沒有明確規定系統或設備的防雷試驗方法。

5 裝備防雷標準應用及編制的建議

鑒于上述不同來源軍用標準之間的不協調，在防雷工作實施及一些新的標準規范制定中，已經開始考慮標準的協調融合問題。最典型的需要融合的場景包括：

1）系統中包含不同類型的分系統。比如軍用浮空器系統，空中部分的雷電環境跟航空器類似，而地面部分的設施和設備明顯與空中不同。近期的實踐中是將空中部分參照ARP 5416和DO160進行設計和試驗，而地面部分更多地參考GB 50057來設計，其直接效應試驗驗證參照空中部分，而間接效應驗證主要體現在對SPD的試驗上。SAE AE2近期即將發布一項關于無人機系統地面設備的雷電試驗標準[31]。該標準的思路是參照DO160設定5個試驗等級，但試驗波形融合了DO160中的試驗波形與IEC電信防雷標準中的波形，確保試驗波形盡可能體現實際場景可能出現的波形。這應該是一種值得參考的標準融合的思路。

2）一個標準同時兼顧不同類型的裝備對象。典型實例是GJB 8848《系統電磁環境效應試驗方法》，該標準需要兼顧海陸空等多類型的裝備，在規定了統一的雷電試驗波形的基礎上，對不同裝備的試驗方法分別進行規定：航空裝備直接采用GJB 3567，而地面裝備則另外規定了試驗方法。對于下一層級的設備/分系統級的試驗，如果能在雷電波形與試驗方法方面與GJB 8848保持一致，則更有利于標準的執行。

3）將地面設施與裝備區分對待，地面設施與裝備的防雷措施經常是密切相關的。對于軍用設施，可以按照IEC標準體系進行防護設計及工程實施，但裝備的防雷標準應著重明確研制要求和試驗鑒定方法。

6 結論

隨著裝備雷電防護需求越來越多，防雷標準存在的問題會越來越突顯，因此需要引起相關單位的重視。武器裝備的防雷標準應進行梳理和協調，使用統一的雷電標準參數，同時考慮不同裝備的特點，明確防護要求和考核驗證方法，如此才能更有效地推動裝備防雷能力的提升。