航空電磁超材料沿面及組合間隙操作沖擊電壓放電特性

蔡力， 劉偉， 周蜜， 李泉新， 王建國

(武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

電磁超材料是一類具有自然界中材料所不具備超常物理性質的人工復合材料。由于大量金屬微結構的存在，超材料具有完全不同于絕緣介質基板的電磁特性，呈現出帶內透射率高、帶外截止能力強、寬入射角范圍內頻率特性好等優異電磁性能，十分契合航空飛行器天線罩的需求[1-5]。

傳統復合材料雷達天線罩通常采用雷電分流條進行雷電防護，因為雷電分流條相比復合材料天線罩具有空間優勢，在雷電場中會優先產生感應電荷和上行流注，隨后發展為上行先導，使雷電更容易擊中分流條從而起到保護天線罩及天線的作用。與傳統復合材料天線罩不同，電磁超材料天線罩具有亞波長量級的人工金屬微結構單元陣列，這些微結構單元的存在使其具有了一定的導電性能，在雷電環境下也會產生感應電荷和上行先導，其結果是分流條屏蔽失效[6-9]，因此傳統基于電磁感應屏蔽的雷電防護方式已不能完全適用。

但隨著電磁超材料在飛行器天線罩應用的推廣，超材料天線罩的雷電防護方式急需解決[10-13]。但目前國內外針對超材料天線罩的雷擊附著過程認識還不足，對于雷電環境中的超材料天線罩雷擊機理認識尚不清晰[14-18]。

電磁超材料用于天線罩時，天線罩的邊緣通常與飛機的機身接地部分相連，等效于超材料平板單側接地，雷電直擊天線罩不同位置時，其接地條件發生變化，電磁超材料不同的接地方式是否會影響其雷擊特性。

雷電擊中電磁超材料天線罩后，其放電過程可分為兩部分：雷云與超材料天線罩之間空氣間隙放電和天線罩表面雷電附著點至邊緣接地位置的沿面閃絡放電。沖擊電壓的極性和接地方式的不同會影響雷云與天線罩之間空氣間隙的沖擊放電電壓和沿面閃絡放電形貌。為模擬自然雷電接閃過程中電磁超材料附近空間電場情況，采用250/2 500 μs 標準操作波。在該波形下，電磁超材料表面產生的場強變化率與實際雷擊過程相似[19]。

本文開展電磁超材料沿面及組合間隙操作沖擊電壓放電試驗，結合高速攝像對沿面放電過程中空間流注發展階段進行觀測，研究沿面自放電現象的發展過程、組合間隙的擊穿特性以及雷電附著特性。研究結果可以為電磁超材料雷電防護提供參考。

1 試驗設計

1.1 電磁超材料結構與設計

試驗設計并定制了典型的十字交叉型電磁超材料微結構單元作為研究對象。其超材料平板由人造金屬微結構單元陣列、絕緣介質基板構成，電磁超材料一般將單層或多層人造金屬微結構單元陣列通過化學等方式嵌入絕緣介質基板中得到。金屬微結構單元具有很多不同的幾何形狀和尺寸，大致可分為兩類：電氣連通型和非電氣連通型，而本文選用的十字交叉型屬于非電氣連通型，以環氧樹脂為基板，采用銅作為微結構單元，通過電鍍印刷的方式嵌在環氧樹脂的表面。由于是通過對微結構單元在水平方向和豎直方向進行周期性重復鑲嵌方式得到整個電磁超材料的表面陣列，因此存在兩個互相垂直的周期性方向。十字交叉型電磁超材料的結構示意圖如圖1(a)所示。

本文試驗采用的十字交叉型電磁超材料單個微結構單元尺寸為4 mm×4 mm，相鄰兩個微結構單元間距為1 mm，整個電磁超材料的尺寸為500 mm×500 mm。圖1(b)是十字交叉型電磁超材料的實物樣品。

圖1 十字交叉型電磁超材料平板樣品

1.2 試驗方法與試驗系統

試驗采用沖擊電壓發生器作為試驗平臺，研究超材料板的沖擊電壓放電特性，圖2是超材料的沿面及組合間隙沖擊電壓試驗系統示意圖，包括沖擊電壓發生器、高壓電極、分壓器、示波器、試驗平臺及相機。本試驗采用的是3 000 kV沖擊電壓發生器，可以產生1.2/50 μs標準雷電沖擊電壓與250/2 500 μs標準操作沖擊電壓兩種沖擊電壓波形；分壓器分壓比為1∶3 000，經過100倍衰減器接入示波器；沖擊測量系統的不確定度經現場校準為1%。試驗采用針電極作為高壓電極，模擬雷電放電時先導；試驗用到兩臺普通相機和一臺高速相機，其中一臺普通相機和高速相機布置于試驗臺正前方(高速相機型號為Phantom V2512，以46 kpfs的幀率進行拍攝，曝光時間1.46 μs，死區時間2.17 μs，鏡頭焦距35 mm，圖像分辨率128×128；普通相機型號為NIKON D3300，鏡頭焦40 mm，曝光時間6 s，圖像分辨率6 000×4 000)，另一臺相機布置于45°或者90°方向(普通相機型號為Canon ESO 80D，鏡頭焦145 mm，曝光時間6 s，圖像分辨率6 000×4 000)，共同記錄沖擊放電形貌及放電發展過程。

圖2 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓試驗系統

1.3 電磁超材料接地方式布置

由于電磁超材料的沿面放電電壓遠低于傳統的復合材料，具有和紐扣型分流條相似的功效，因此需研究天線罩雷電防護失效情況下，雷擊直接擊中電磁超材料天線罩后的沿面放電特性，以及天線罩表面接地方式對雷電泄流的影響，基于上述分析設計了以下6種不同的接地方式，接地片為圓環形緊貼于電磁超材料表面，如圖3所示。

圖3 接地電極布置示意圖

1.4 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓放電形貌測量平臺

為觀測在不同接地方式下航空飛行器天線罩遭受沖擊電壓的兩個放電階段，試驗設置不同沖擊電壓極性、不同接地方式分析其組合間隙沖擊電壓放電特性，圖4為試驗布置。為了方便拍攝觀察其沿面放電形貌，試驗臺設計為45°傾斜平面，試驗臺平面尺寸為1.2 m×1.2 m，電磁超材料等效平板尺寸為1 m×1 m；針電極豎直布置于試驗臺中心點正上方，距離電磁超材料垂直距離D1=35 cm，垂點距試驗臺下邊緣距離D2=85 cm；接地電極布置于超材料平板靠近底部位置5 cm寬條形區域。其中一臺普通相機通過長時間曝光拍攝其電磁超材料的沖擊電壓放電形貌；一臺高速攝像機用于拍攝高幀率沿面放電發展過程。進行試驗時的環境溫度為9 ℃、濕度46%、大氣壓為101.4 kPa。本文中的擊穿電壓數據都已經過標準大氣條件的換算。

圖4 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓放電試驗

試驗中采用多級法測試操作沖擊放電電壓，電壓級數設置≥3，每級電壓試驗10次，兩次試驗之間相隔2～3分鐘，記錄10次試驗中組合間隙發生擊穿次數，每組加壓的電壓水平依據前一組試驗結果增加或減少ΔU，直至10次試驗均發生擊穿或者10次試驗均不發生擊穿。圖5為試驗所用的正、負極性操作沖擊電壓的波形。操作沖擊50%放電電壓可表示為

圖5 250/2 500 μs操作沖擊電壓波形

(1)

2 試驗結果與分析

2.1 不同接地方式超材料板放電電壓及波形

針對十字交叉型電磁超材料，采用不同接地方式，開展電磁超材料沿面及組合間隙沖擊放電試驗，電磁超材料平板試驗件各有3種對稱的接地方式和3種不對稱的接地方式，每種接地方式進行10次放電試驗，通過示波器記錄放電電壓波形。

表1為十字交叉型電磁超材料在6種接地方式下正極性、負極性的平均擊穿電壓。其負極性下的最高沖擊擊穿電壓是右邊緣-左中部接地(523.2 kV)和右邊緣-中心接地方式(523.3 kV)，兩者數值相差不大；而正極性下最高沖擊擊穿電壓是在右邊緣-左中部接地方式(292.3 kV)下。統計表明，在右邊緣-左中部接地方式下，其正、負極性的操作沖擊擊穿電壓值最大。

表1 十字交叉型超材料組合間隙操作沖擊擊穿電壓

試驗結果還顯示出十字交叉型電磁超材料的沖擊電壓擊穿特性有明顯的極性效應：在相同的接地情況下，其負極性沖擊擊穿電壓明顯大于正極性電壓，基本上是1.60～1.85倍之間。在對稱邊緣、對稱中部、對稱中心三種對稱接地方式下，負極性電壓分別是正極性電壓的1.77、1.62、1.85倍，在右邊緣-中心、右邊緣-左中部、右邊緣-右中部三種不對稱接地方式下，負極性電壓分別是正極性電壓的1.87、1.79、1.81倍。并且十字交叉型電磁超材料的擊穿波形與沖擊電壓極性也有明顯聯系，在正極性沖擊電壓下的擊穿總是發生在波前時刻，而負極性沖擊電壓下的擊穿總是發生在波尾時刻，如圖6所示。

圖6 十字交叉型超材料正、負極性操作沖擊電壓波形

在針電極-超材料平板接地的情況下，操作沖擊電壓作用時，高壓電極率先開始電暈放電，隨后電極周圍空間充斥著大量電荷，繼而進一步形成流注放電，流注開始由高壓電極向著相向的板電極發展，也就是下行流注的向下發展過程；在下行流注發展至超材料平板表面之前，由于超材料平板含有大量的導電金屬微結構單元，會產生大量的感應電荷，但超材料平板的一端接地，雷電附著點周圍大量的感應電荷會向著接地點流向“大地”，在此過程中，微結構單元之間的間隙、微結構單元內部間隙會形成類似于電容平板結構，若此間隙的電場強度達到擊穿閾值，則間隙擊穿，大量連續微間隙擊穿，則會造成電磁超材料平板的沿面自放電現象，下行流注的發展與超材料表面的自放電現象是同一時間內進行的。總而言之，雷電擊中電磁超材料天線罩的放電過程分為兩部分，第一部分是空氣間隙未擊穿時，由高壓電極開始的下行流注發展以及電磁超材料平板的沿面自放電同時進行；第二部分是空氣間隙擊穿后，下行流注發展至超材料表面，由雷電附著點至接地邊緣的沿面閃絡放電。

2.2 不同接地方式超材料板沿面放電形貌

圖7、圖8分別為十字交叉型電磁超材料負極性、正極性下沿面放電形貌，沿面閃絡路徑與放電極性沒有明顯聯系，都表現為：從放電附著點至接地點沿超材料周期方向放電路徑，單次放電拐點一般不超過兩處，放電擊穿路徑只有一條明亮的主通道。

圖7 十字交叉型電磁超材料負極性沿面放電形貌

圖8 十字交叉型電磁超材料正極性沿面放電形貌

對于對稱性接地方式，放電附著點距兩處接地位置放電距離大致相等，因此沿面放電最終流入左右兩側接地位置的概率相同，沿面放電形貌也表現出對稱性。

對于不對稱接地方式，放電附著點距兩處接地位置放電距離不相同，沿面放電最終大部分流入放電距離短的一處接地位置，也有少數流向放電距離較長的接地位置。由高速攝像拍攝的空氣間隙擊穿之前超材料平板表面的自放電通道對比可以看出，負極性放電時的間隙自放電通道明顯比正極性通道更粗及更加密集，一定程度上反映出負極性放電強度明顯高于正極性。

2.3 不同極性自放電通道形貌

高速攝像下十字交叉型電磁超材料在對稱邊緣接地方式下負極性組合間隙放電形貌如圖9所示，圖9(c)的第3幀為間隙放電連接至超材料表面瞬間的高速攝像，第2幀為連接前一瞬間的高速攝像即流注發展過程的高速攝像。在放電通道連接至電磁超材料表面之前，超材料表面微結構陣列會產生自放電現象，各條自放電路徑有競爭現象，自放電路徑從附著點區域的多個方向與通道發展，發起向接地位置匯聚最終流入接地點，形成明亮的沿面放電路徑。

圖9 組合間隙負極性放電形貌圖

其中競爭現象主要是在高壓電弧接觸到超材料板的附著點后，每一條自放電路徑到接地點的電導大小相互競爭，其中較短路徑的電導較大，有競爭優勢，所以沿面放電最終大部分流入放電距離短的沿面放電路徑，最終匯入接地點。但并不是放電距離越短其電導就越大，也有例外情況，在右邊緣中部接地方式下，最終沿面放電路徑有的連接較短路徑的中部接地點，也有的連接較長路徑的邊緣接地點。

流注發展過程中形成的自放電通路與最終的沿面閃絡路徑有著密切關系，放電電弧由高壓電極發展至超材料表面附著點后，沿面閃絡路徑會沿著自放電通路中放電路徑電導較大的一條發展，形成完整的組合間隙放電通路。其中沿面閃絡路徑形成時，可以觀察競爭成功的自放電路徑亮度小、幅增強，而競爭失敗的其余自放電路徑會在最終沿面閃絡路徑形成后亮度逐漸減弱，相比主放電通道亮度有明顯區別。

研究不同電壓極性下流注發展過程特點及對沿面閃絡路徑的影響。圖10是十字交叉型電磁超材料在右邊緣-中心接地方式下正極性組合間隙放電形貌。與負極性操作波相比較，兩者共同特點：流注發展階段沿面形成的自放電通路對最終的沿面放電路徑有著決定性的作用；不同的是：正極性時，在放電通道連接至電磁超材料之前沒有明顯的電暈放電區域，但可以觀察到由針電極發出的明顯下行流注；正極性電磁超材料表面微結構陣列的自放電比負極性操作波下弱，自放電通道也較清晰，無雜亂分叉。總而言之，正極性電壓下更容易由高壓針電極產生下行流注，電磁超材料表面微結構產生的電暈較弱。

圖10 組合間隙正極性放電形貌圖

2.4 超材料板自放電通道對沿面放電路徑影響分析

以十字交叉型電磁超材料在右邊緣-中心接地方式下兩次組合間隙放電為例，如圖11所示，其中兩次試驗條件相同，但第一次放電路徑連接至放電路徑較短的中心接地點處；另一次的放電路徑連接至放電路徑較長的右邊緣接地點處，兩條路徑有著明顯差異，如圖11(a)、圖11(b)所示。可以看出，附著點與中心接地點間的放電距離更小，但形成的卻是由附著點至右邊緣接地點沿面放電通路，結合高速攝像觀察其自放電路徑形成過程發現，其十字交叉型的放電路徑在發展過程中首先通向了右邊緣接地點，但是其高壓電極的電弧發展至超材料接地板后，又有一條明顯的放電路徑發展至中心接地點，放電沿著兩條路徑進行，結合圖11(b)發現最終的沿面閃絡路徑是右邊緣放電路徑，結果表明，在十字交叉型電磁超材料最終沿面放電路徑的發展與形成過程中，流注發展過程形成的自放電通路起著決定作用。

圖11 十字交叉型在右邊緣中心接地的兩次沿面放電路徑對比

2.5 不同極性間隙流注發展特性

對比不同極性下單層十字交叉型電磁超材料操作沖擊試驗流注發展差異如圖12所示，正極性操作沖擊放電試驗中，高壓棒狀電極率先發生電暈放電，產生下行流注，但超材料板基本不產生上行流注，其下行流注發展期間產生多個分叉，直至其中一個分叉連接到電磁超材料表面后，其余的分叉逐漸消失，只留下一條主放電通路；負極性操作沖擊放電試驗中，整個間隙放電過程為：由高壓端針電極率先發生電暈放電，產生向下發展的下行流注，同時超材料板表面微結構會產生較小的上行流注，上、下流注繼續發展，基本在間隙的中間部分連接，連接后會形成一片明顯的電暈放電區域，只留下一條主放電通路，且放電強度明顯高于正極性放電，同時可以看出負極性的下行流注的分叉明顯要少于正極性。

圖12 單層十字交叉型電磁超材料操作沖擊電壓擊穿特性試驗流注發展對比

3 結 論

本文針對十字交叉型航空電磁超材料進行沿面及組合間隙操作沖擊放電試驗，結合普通攝像分析了不同接地方式、不同沖擊電壓極性下沿面放電形貌特性，結合高速攝像分析了流注發展過程中的放電特性。試驗結果表明：

1)十字交叉型電磁超材料的沖擊擊穿電壓有明顯的極性效應：在相同的接地情況下負極性沖擊放電電壓明顯大于正極性電壓，約是正極性電壓的1.60～1.85倍。

2)十字交叉型電磁超材料沿面放電路徑特征：從放電附著點至接地點沿著超材料周期方向放電，單次放電拐點一般不超過兩處，放電擊穿路徑只有一條明亮的主通道。

3)操作沖擊電壓作用下，組合間隙在擊穿前電磁超材料表面的微結構單元間會感應自放電，形成明亮的沿面自放電通路，各放電通道相互競爭，并決定最終的沿面主放電通路。

4)組合間隙沖擊放電流注發展過程的放電特性主要與電壓極性相關，正極性沖擊電壓下，由高壓針電極產生向下發展的下行流注，電磁超材料表面只有較弱的起暈；負極性沖擊電壓下，則會分別產生對向發展的上、下行流注，基本在間隙的中部連接。