基于金屬氧化物分流條的天線罩雷電防護

李秋良, 司曉亮, 李志寶, 段澤民*

(1.合肥工業大學電氣與自動化工程學院, 合肥 230009; 2.飛機雷電防護安徽省重點實驗室, 合肥 230031;3.強電磁環境防護技術航空科技重點實驗室, 合肥 230031)

據統計,一架固定航線的飛機,平均每年會遭遇一次雷擊,雷擊對飛機的飛行安全會產生巨大威脅[1-2]。由于飛機的安全越來越依賴電子設備,而復合材料的大量應用使得飛機電磁屏蔽效能降低,導致飛機更容易遭雷擊損壞[3-4]。機載天線罩作為飛機的護目鏡,以保護飛機內部脆弱的天線不受惡劣環境的影響。在設計天線罩時,主要考慮的是機械強度、熱應力、重量以及雷達電磁波的傳輸性能,這些因素與高介電強度和雷擊防護能力不完全兼容。因此,雷電分流條被設計出來用于天線罩的雷電防護,而雷電分流條的設計在滿足防雷需求的同時還要對天線性能影響較小[5]。常用的雷電分流條有金屬分流條、紐扣式分流條等。

國外對機載天線罩雷電防護做了大量研究,文獻[6]研究了金屬分流條和紐扣式分流條對不同天線罩壁試樣性能的影響,采用不同的高壓波形和具有代表性的大電流脈沖對防雷措施的有效性進行了測試;文獻[7]建立天線罩內放電發展過程的機制模型,揭示了在使用金屬和紐扣分流條防護時,天線罩模型中放電形成的特點;文獻[8]探討了利用三維建模來探索雷電防護方案的有效性。中國在天線罩雷電防護方面也開展了相關研究。文獻[9]比較不同分流條的優缺點,并對不同類型金屬分流條進行了雷電防護設計試驗;文獻[10]利用經驗公式和路徑比較兩種方法來設計布局分流條,并通過試驗驗證其可行性;文獻[11]對Z11直升機天線罩進行雷電仿真,通過試驗優化分流條結構和幾何尺寸來提高天線罩系統的防雷效果;文獻[12-13]通過仿真方法探究了飛機天線罩的相對介電常數、分流條長度和數量對罩體感應電場強度的影響趨勢。目前,國內外研究學者主要針對傳統分流條開展飛機天線罩的雷電防護研究,有關金屬氧化物分流條在飛機表面布局方法的研究報道較少,缺少金屬氧化物分流條雷電防護的指導性原則和方法。

現依據標準[14-15]中規定的雷電波形以及天線罩雷電防護試驗標準,首先,對金屬氧化物分流條的擊穿電壓開展試驗研究;然后,對某型機載天線罩進行雷電附著試驗,研究分流條布局對天線罩雷電防護的影響;最后,基于有限元軟件靜電場仿真建模,比較不同布局下天線周圍的感應電場,分析其雷電防護效果,驗證了試驗的有效性。研究結果對天線罩雷電防護設計具有重要的參考價值。

1 雷電防護設計

1.1 雷電分流條

金屬分流條通常應用于商用飛機的雷達罩,能夠有效地屏蔽天線外部電場,同時降低了天線上流注-先導轉換的概率。但是金屬分流條相對較重,對天線透波影響較大。紐扣式分流條對天線透波影響較小,但是擊穿特性和透波特性受金屬片段幾何形狀的影響較大。金屬氧化物分流條重量最輕,對天線透波影響最小。因此,對重量和天線透波有較高要求的防雷系統,可選金屬氧化物分流條,其實物如圖1所示。

圖1 金屬氧化物分流條Fig.1 Metal oxide diverter strip

金屬氧化物分流條相對于金屬分流條電磁波透明、重量輕、空氣動力阻力小、能承受重復雷擊以及安裝維護方便等優點。在正常情況下,金屬氧化物顆粒間存在微小間隙,使分流條處于絕緣狀態;當在雷電環境下時,由于雷電高壓電場的作用,金屬氧化物顆粒之間的小距離形成一系列的火花間隙;當電壓達到一定值后,將整個間隙電離,從而將顆粒上方的空氣變成等離子體,雷電的電壓很大,可以將分流條上的間隙全部電離,形成一個個獨立的等離子體區域;在雷電的作用下,這些等離子體區域繼續發展,相互連接,最后在分流條上方形成一條明亮的等離子體弧道。由于該通道具有很高的導電性,進而可以導走雷電能量,通過引下線連接到金屬機身釋放,使雷達和天線罩得到保護。分流條導走雷電能量后,其自身特性基本不變,可承受多次雷電沖擊。安裝示意圖如圖2所示。

圖2 金屬氧化物分流條安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of metal oxide diverter strip installation

1.2 金屬氧化物分流條擊穿電壓

為獲得金屬氧化物分流條的擊穿特性,對不同長度分流條進行擊穿試驗。試驗采用雷電壓A波和D波其電壓波形如圖3所示。

圖3 電壓波形Fig.3 Voltage waveform

試驗布置如圖4所示,對不同長度分流條進行擊穿試驗,給高壓電極加上電壓,按2 kV為梯度逐漸加壓,直到分流條擊穿,取該值為擊穿電壓。不同電壓波形下分流條擊穿電壓隨長度變化如圖5所示,金屬氧化物分流條擊穿電壓與電壓變化率成正比,雷電壓A波擊穿電壓大于D波。長度在20～100 cm區間內,A、D波平均擊穿電壓分別為0.46、0.42 kV/cm;在100～200 cm區間內,A、D波平均擊穿電壓分別為0.17、0.14 kV/cm;圖6為不同波形電壓擊穿圖。

圖4 高壓擊穿試驗設置方案Fig.4 Setting scheme of high voltage breakdown test

圖5 金屬氧化物分流條擊穿電壓隨長度變化Fig.5 Breakdown voltage of metal oxide diverter strip varies with length

圖6 分流條擊穿前與擊穿時Fig.6 Before and during breakdown of diverter strip

2 天線罩雷電防護試驗研究

2.1 試驗方法

基于某型飛機天線罩雷電防護,該天線罩位于飛機機頭,屬于雷電1A區。

目前國際上關于飛機雷電附著點的研究主要是飛機雷電標準中的雷電壓波形A和D,按照SAE ARP5416標準,對天線罩進行全尺寸雷電附著試驗。根據沖擊電壓回路的相關電路原理,建立了雷電壓波形A和D的雷電試驗環境。對某型飛機天線罩進行了雷電壓試驗,圖7為構建的雷電壓附著試驗平臺原理示意圖。

圖7 雷電壓試驗平臺原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of lightning voltage test platform

2.2 試驗結果分析

在安裝分流條之前,通過經驗公式對其數量進行確認。根據經驗公式,分流條最大間距滿足關系式

(1)

式(1)中:Dmax為分流條的最大間隔;T為天線罩厚度;k為表面光滑系數,一般取1;S為安全因子。試驗天線罩參數選取為:T=8 mm,S=1.12,k=1,由式(1)得Dmax=343.45 mm。

(1)根據上述最大間距進行初步設計,在天線罩表面安裝6根金屬氧化物分流條,分流條長度為250 mm,寬度為13 mm,在天線罩底部用螺栓固定,使分流條與集流環連接,通過搭鐵線使集流環與機體連接,為導走雷電流提供低電阻通道。

根據GJB 3567—99標準,對初始設計進行雷電附著試驗,發現天線罩穿孔,如圖8所示。此次試驗結果不滿足防護要求,試驗終止。經過分析,出現穿孔的原因是因為分流條不能完全覆蓋天線,無法給天線罩提供充分的保護。

圖8 天線罩在正極性D波下穿孔Fig.8 The radome perforates in positive D wave

(2)在第一次的基礎上對分流條布局進行改進,增加分流條長度至300 mm,寬度不變。根據試驗標準,對改進布局后的樣件進行第二次試驗。從試驗中可觀察到雷電全部附著在分流條上,對天線罩進行檢查,并未發現穿孔或分層,滿足雷電防護要求。為了更好地驗證防雷系統的可靠性,還需考慮天線偏轉對分流條布局的影響。

(3)在第二次改進設計的基礎上,以圓盤天線中心建立空間坐標系,如圖9所示,選定水平面為基準,沿角度φ方向調整天線偏轉角,d1為天線距罩壁的最大距離,d2為天線距罩壁的最小距離;旋轉天線,使其偏轉到離罩壁最近的位置,根據試驗要求,對天線罩進行第三次試驗。在試驗中,依然在天線罩罩壁上出現了穿孔,試驗終止。

圖9 對天線建立空間坐標系Fig.9 Establish a spatial coordinate system for the antenna

經過分析,造成天線罩穿孔的主要原因是:天線的偏轉導致分流條不能完全地遮蔽運動的天線;天線的偏轉導致天線與罩壁的間隙變小,使得天線罩擊穿強度下降。針對上述問題,對分流條的布局進行優化。

將分流條1#和4#延長至天線罩頂部相對接,優化后的試驗布局和分區如圖10所示。

圖10 優化后的布局和天線罩試驗分區Fig.10 Optimized layout and radome test partition

確定好最后的布局,按照試驗大綱要求對天線罩進行第四次雷電附著試驗。對于天線罩和天線的各種狀態進行試驗過程中,雷電全部都附著在分流條上面,天線罩上面沒有出現穿孔或結構分層,試驗結果符合天線罩雷電防護要求。圖11為典型的試驗放電圖。

圖11 雷電附著天線罩試驗圖Fig.11 Test diagram of lightning attachment radome

3 仿真研究

3.1 有限元模型

雷電附著試驗處于低頻狀態,試驗設備的尺寸遠小于電磁波的波長,內部電場和磁場的耦合非常弱,將其看作電準靜態場[16]。

參照文獻[14-15]試驗要求,利用有限元仿真軟件建立天線罩仿真模型,搭建棒-板電極放電模型,模擬飛機遭遇雷擊時的雷電環境,文獻[12-13]基于雷電對天線罩機理,通過大量試驗和仿真,得到天線罩內部天線起暈閾值。在較復雜的模型中,電暈場幾乎是恒定的,正極性下約為5 kV/cm,負極性下約為7.5 kV/cm。本仿真基于正極性電極模型,以金屬圓盤代替天線,當內部天線周圍的電場小于 5 kV/cm(0.5 MV/m)時,分流條達到防護要求。

本文仿真模型構建與試驗件相同,有效模擬天線罩實際情況。天線罩高度H=430 mm,天線高度h=200 mm,底部開口半徑R=330 mm,厚度T=8 mm;為了更好地測量內部天線電場,天線用圓盤天線,直徑d=150 mm,如圖12所示。高壓棒電極施加2 MV的電壓,板電極設為接地。

圖12 天線和天線罩外形尺寸Fig.12 External dimensions of antenna and radome

3.2 仿真結果分析

3.2.1 分流條長度對天線的感應電場的影響規律

為研究金屬氧化物分流條長度對天線周圍感應電場的影響,先固定分流條的數量,天線罩外面鋪設6根分流條,天線無偏轉。定義其電場變化率α為長度增加前后峰值電場差值與變化前電場峰值之比。根據場強變化率公式計算的數值仿真結果如表1所示。

表1 內部天線邊緣電場隨分流條長度變化的規律

從表1中可以得出,當分流條長度增加,內部天線邊緣的峰值電場逐漸遞減,這一趨勢與先前仿真相吻合[9-10]。當分流條從200 mm增加到300 mm時,內部天線邊緣電場的變化率逐漸增加,尤其在250～300 mm時變化率達到最大,為15.8%,并且電場由0.57 MV/m下降至0.48 MV/m,基本上滿足天線罩的雷電防護指標和要求;當分流條從 350 mm 增加到500 mm時,內部天線邊緣電場下降趨于平緩,這是由于天線固定,分流條高于天線,抑制天線起暈,與試驗結果吻合。

圖13為4個不同長度分流條的場強值對比圖,從上到下依次是:250、300、350、400 mm。從中可以看出,分流條長度增加到300 mm以后,內部天線邊緣電場變化比較小,最后趨于穩定數值。圖14為不同長度分流條雷電防護仿真圖形x-y平面截面圖。

圖13 不同長度分流條防護時天線周圍的電場強度Fig.13 Electric field intensity around the antenna when the diverter strips of different lengths are protected

圖14 不同長度分流條防護時天線周圍的電場強度3D圖Fig.14 3D diagram of electric field intensity around antenna with different length diverter strip protection

3.2.2 不同數量分流條對天線罩的防護效果

為探究不同數量的分流條對天線罩內部天線周圍電場的影響,在天線罩上分別鋪設0、2、4、6、8、10根長度為300 mm的金屬氧化物分流條,然后進行仿真結果分析。其分析數據如表2所示。

表2 不同數量時天線周圍場強的變化情況

從表2中數據可以看出,在沒有分流條保護時,天線周圍電場高達1.35 MV/m;隨著鋪設分流條數量的增加,天線周圍的場強逐漸降低;當鋪設2、4根分流條時,天線周圍電場遠大于0.5 MV/m,沒有達到防護效果;當分流條增加到6根時,內部天線周圍電場從1.35 MV/m下降到0.48 MV/m,下降了64.4%,滿足雷電防護要求。

根據上述設計,可以算出分流條的最大間隔是Dmax=345.58 mm;由式(1)得Dmax=343.45 mm,仿真計算的最大間隔與經驗公式得出的最大間隔相差0.6%,基本上滿足要求。

圖15為金屬氧化物分流條數量為2、4、6、8根時天線周圍場強變化曲線圖。圖16為不同數量金屬氧化物分流條仿真模型的x-z平面電場分布圖。

圖15 不同數量金屬氧化物分流條時天線周圍場強變化情況Fig.15 Variation of the field intensity around the antenna with different number of metal oxide diverter strips

圖16 不同數量金屬氧化物分流條電場分布情況Fig.16 Electric field distribution of metal oxide diverter strips in different quantities

3.2.3 天線的偏轉角度對雷電感應電場的變化規律

為了研究飛機在飛行時雷達天線偏轉對天線周圍電場的影響,金屬氧化物分流條取6根,長度為300 mm,按圖9的坐標系統沿φ方向的偏轉角分別取0°、3°、6°、9°、12°、15°進行仿真分析。通過軟件后處理,得出天線峰值場強如表3所示,偏轉后的場強峰值都超過了閾值場強;天線周圍電場隨偏轉角變化的變化規律如圖17所示,隨著偏轉角增大,天線周圍峰值場強也隨之增大,且都超過閾值場強,不符合雷電防護要求。

表3 不同天線偏轉角天線周圍場強的變化情況

圖17 優化前天線周圍電場隨天線偏轉的變化規律Fig.17 Variation of electric field around the optimized antenna with antenna deflection

根據上述分析結論,采用優化措施保證天線罩的防雷性能可靠性。將1#和4#分流條延長到天線罩頂端,得出優化后的峰值場強如表3所示,全部都小于0.5 MV/m,符合雷電防護要求,圖18反映了優化后天線周圍電場隨偏轉角變化的變化規律,優化后的電場分布如圖19所示。

圖18 優化后天線周圍電場隨天線偏轉的變化規律Fig.18 Variation of the electric field around the antenna with the deflection of the antenna after optimization

圖19 優化后隨天線偏轉時天線周圍的電場分布Fig.19 The electric field distribution around the antenna when the antenna is deflected after optimization

4 結論

本文分析了金屬氧化物分流條的結構和原理,采用高壓擊穿試驗研究金屬氧化物分流條的耐壓特性。根據試驗和仿真結果對比,研究金屬氧化物分流條布局對防雷效果的影響,并得出以下結論。

(1)當外部電壓大于金屬氧化物分流條的擊穿電壓時,金屬氧化物分流條金屬顆粒間的空氣間隙迅速電離,形成等離子體通道導走大電流;金屬氧化物分流條擊穿電壓與電壓變化率成正比,雷電壓A波擊穿電壓大于雷電壓D波。

(2)天線周圍的電場強度隨金屬氧化物分流條長度和數量的增加逐漸遞減,按經驗公式安裝6根300 mm的金屬氧化物分流條,天線罩內天線周圍電場下降了64.4%。

(3)天線的偏轉導致分流條不能完全地遮蔽運動的天線,而且天線的偏轉導致天線與罩壁的間隙變小,使得天線罩擊穿強度下降。通過優化分流條布局使天線周圍的電場強度由無防護時的 1.35 MV/m 降到起暈閾值0.5 MV/m以下,滿足雷電防護的要求。

為進一步驗證分流條布局的可行性,接下來將結合試驗與仿真研究該布局對天線罩透波特性的影響。