1 引言

閃電是一種高電壓和大電流的自然放電現(xiàn)象，在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生上升時(shí)間極快、持續(xù)時(shí)間極短的大電流脈沖。一般而言，閃電持續(xù)最短的時(shí)間可能只有幾百萬(wàn)分之一秒，但電流卻可高達(dá)幾萬(wàn)安培。這種高脈沖電流會(huì)向空間輻射很強(qiáng)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，對(duì)直升機(jī)的飛行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。同時(shí)，現(xiàn)代直升機(jī)為了提高綜合性能，越來(lái)越多的使用先進(jìn)的復(fù)合材料，高靈敏的電子設(shè)備和系統(tǒng)，因而在直升機(jī)遭到雷擊時(shí)，造成損失的幾率也就越來(lái)越大。為了保證直升機(jī)的飛行安全，必須對(duì)直升機(jī)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)進(jìn)行研究。

為了解決飛行器的飛行安全，歐美等國(guó)率先進(jìn)行了雷電防護(hù)試驗(yàn)，并制定了一系列的雷電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。雷電防護(hù)試驗(yàn)雖然可以完成飛行器雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的要求，但由于試驗(yàn)成本高昂，試驗(yàn)條件苛刻，人員組織困難，電子設(shè)備易損等因素增加了飛行器雷電防護(hù)試驗(yàn)的難度和降低了試驗(yàn)執(zhí)行的效率。因此，采用數(shù)值仿真方法對(duì)飛行器的雷電效應(yīng)進(jìn)行仿真分析是近幾年研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)對(duì)雷電電磁場(chǎng)的場(chǎng)線耦合問(wèn)題上進(jìn)行了理論計(jì)算、數(shù)值分析和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。文獻(xiàn)對(duì)飛行器系統(tǒng)雷電效應(yīng)的試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法和測(cè)試波形進(jìn)行回顧，并對(duì)飛行器的雷電效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真分析。文獻(xiàn)使用VAM-LIFE對(duì)C-27J運(yùn)輸機(jī)的雷電間接效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)使用TLM方法對(duì)空客A320的間接效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。由于國(guó)內(nèi)雷電效應(yīng)的研究起步比較晚，在飛機(jī)雷電防護(hù)方面缺乏仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在飛機(jī)設(shè)計(jì)前期，完成對(duì)飛機(jī)雷電效應(yīng)的數(shù)值仿真分析的對(duì)飛機(jī)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

本文通過(guò)使用三維電磁仿真軟件FEKO對(duì)直升機(jī)雷電間接效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)美國(guó)工程師協(xié)會(huì)的SAE-ARP5416和ASE-ARP5412等標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)方法的規(guī)定，本文在設(shè)定的雷電注入路徑下，對(duì)直升機(jī)表面電流分布、艙外電磁環(huán)境及艙內(nèi)線纜進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)分析找出影響直升機(jī)表面電流分布、電場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布的重要因素，為直升機(jī)的防護(hù)設(shè)計(jì)提供支撐。

2 仿真環(huán)境設(shè)置

2.1電磁場(chǎng)軟件的選擇

全波算法是求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的精確方法，對(duì)于給定的計(jì)算機(jī)硬件資源，此類方法所能仿真的電尺寸有其上限。電磁仿真軟件有一個(gè)共性，就是它們都與要仿真物體的電尺寸相關(guān)，電尺寸定義為被仿真物體的幾何尺寸除以所涉及最高頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，單位是波長(zhǎng)數(shù)。雷電的最高頻率達(dá)到50MHz，即使對(duì)于幾十米長(zhǎng)的現(xiàn)代大型航空客機(jī)，也屬于中小電尺寸的仿真對(duì)象。因此常用的數(shù)字仿真全波算法如MoM（矩量法）、FDTD（時(shí)域有限積分法）、FEM（有限元法）都是比較有效的工具，可以用來(lái)評(píng)定大型航空飛機(jī)的表面雷電電流分布。

FEKO是針對(duì)天線設(shè)計(jì)、天線布局與電磁兼容性分析而開發(fā)的專業(yè)電磁場(chǎng)分析軟件，它的核心算法是MoM，原理上MoM可以解決任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問(wèn)題。航空器表面雷電電流分布的求解問(wèn)題，屬于低頻、電磁兼容問(wèn)題的建模和仿真，采用FEKO的MoM進(jìn)行分析是非常合適的。

時(shí)域有限差分（FDTD）求解器的加入，標(biāo)志著FEKO在算法的完整性和解決各類問(wèn)題的有效性方面進(jìn)入一個(gè)新的里程碑。新增的FDTD求解器易于激活和使用，并可與其它求解器便捷切換。盡管該算法設(shè)定在時(shí)域，但通過(guò)傅立葉變化可以計(jì)算寬帶頻域數(shù)據(jù)。它采用一階數(shù)值微分可達(dá)到二階的精度。這種算法非常適合非均勻材料建模，也更加適用于多種并行技術(shù)。當(dāng)硬件系統(tǒng)有可用的GPU資源時(shí)，F(xiàn)DTD求解器支持GPU計(jì)算以提升性能，獲得顯著加速效果。新的時(shí)域求解器的加入，為關(guān)注寬帶天線和非均勻結(jié)構(gòu)仿真的FEKO用戶提供了更加有效的解決方案。

2.2模型建立

本文以某直升機(jī)為例進(jìn)行雷電間接效應(yīng)仿真分析，該直升機(jī)模型如圖1所示，其尺寸為22m×18.6m×7.8m,為了使模型更精確使用FEKO的擋風(fēng)玻璃擴(kuò)展功能能將駕駛窗前面設(shè)置為三塊玻璃，厚度為3mm,如圖1(a)。為了分析雷電對(duì)直升機(jī)表面天線影響，設(shè)置了如圖1(a)的3個(gè)單極子天線；為了分析雷電對(duì)機(jī)載設(shè)備的影響，在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置了一根線纜，線纜兩端分別端接50Ω負(fù)載，線纜的類型為RG58的同軸線，線纜分布如圖1(b)所示。

圖1 阿帕奇直升機(jī)模型

2.3激勵(lì)源設(shè)置

根據(jù)SAE-ARP5416-2005試驗(yàn)試驗(yàn)方法的規(guī)定，全機(jī)閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)需進(jìn)行大電流脈沖注入試驗(yàn)和掃頻試驗(yàn)，本文主要針對(duì)大電流脈沖試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析。FEKO中設(shè)置外加電流為飛機(jī)雷電擊中點(diǎn)，用與注入電流反相表示電流流出點(diǎn)。ASE-ARP5412中對(duì)雷電試驗(yàn)波形進(jìn)行了規(guī)定，間接試驗(yàn)需采用試驗(yàn)波形A，D和H進(jìn)行脈沖注入試驗(yàn)，由于直升機(jī)屬于低空飛行器，因此選擇波形A進(jìn)行電流脈沖試驗(yàn)的仿真分析。該波形是一個(gè)雙指數(shù)形式，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

公式1 波形表達(dá)式

其時(shí)域波形如圖2所示。由圖可知雷電注入6.4μs時(shí)達(dá)到峰值電流200KA，在69μs時(shí)，波形A衰減到最大值的一半100KA。

圖2 雷電波形A的時(shí)域曲線

2.4仿真設(shè)置

根據(jù)圖2可知當(dāng)波形A的電流幅值下降到峰值的50%時(shí)的時(shí)間為69us，而ASE-ARP5412中規(guī)定試驗(yàn)波形A的整體時(shí)間為500us以內(nèi)。由于仿真時(shí)間的需要至少應(yīng)包括雷電流流過(guò)整個(gè)機(jī)身的時(shí)間t1=73ns和波形A的半寬度時(shí)間t2=69us。為了能準(zhǔn)確、快速的完成直升機(jī)間接雷電的仿真分析，本文仿真設(shè)置時(shí)間設(shè)為200us，仿真頻率范圍為1kHz-50MHz。由于本文主要分析直升機(jī)在飛行過(guò)程中，遭受間接雷電的影響，因此設(shè)置直升機(jī)的六個(gè)面均為開放邊界條件。其中雷電注入路徑如圖3所示，電流注入點(diǎn)設(shè)在機(jī)頭部位，從機(jī)尾流出。

圖3 雷電注入路徑

3 仿真結(jié)果分析

3.1機(jī)身表面電流分布

根據(jù)圖2可知在6.4μs的時(shí)候，波形A到達(dá)峰值電流200KA，這時(shí)注入直升機(jī)上的電流最大，機(jī)身表面電流密度也達(dá)到最大。在69μs時(shí)，波形A到達(dá)100KA，即最大電流的一半，這時(shí)注入直升機(jī)上的電流比6.4μs時(shí)有所減小，仿真結(jié)果如圖4所示，直升機(jī)表面電流在雷電注入點(diǎn)和分離點(diǎn)處達(dá)到最大，其數(shù)值達(dá)到幾百KA/m2。并且在路徑中，機(jī)頭、駕駛艙，發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、主旋翼、尾梁、尾翼等位置處的表面電流也比較大，駕駛艙玻璃上邊緣處有小電流流過(guò)。同時(shí)，雷電流流經(jīng)的直升機(jī)表面棱邊(如：駕駛艙、尾梁的邊沿)的電流密度也比較大，其數(shù)值達(dá)到100KA/m。

圖4 直升機(jī)表面電流分布

為了更加清晰、準(zhǔn)確的了解機(jī)身不同表面電流密度的分布情況，得到直升機(jī)表面三個(gè)天線的耦合電流分布如圖5所示。其中antenna_1、2、3分別為機(jī)頭、機(jī)中、機(jī)尾單極子天線。

圖5 3個(gè)單級(jí)子天線電流分布

從圖中可以看出，在雷電注入點(diǎn)處的電流密度最大，如耦合到機(jī)頭部天線的電流最大（藍(lán)色）；直升機(jī)機(jī)身中部天線耦合最小（紅色）；機(jī)身尾部天線耦合因靠近尾部雷電流出點(diǎn)，電流進(jìn)行匯聚導(dǎo)致比中部耦合電流大。從上面的分析和電流分布圖可以看出，除了在雷擊的附著點(diǎn)和分離點(diǎn)處的電流比較大以外，在發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩，尾梁、窗戶等位置的邊沿的電流比較集中。因此，在進(jìn)行直升機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該避免不連續(xù)棱邊和不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這些地方是進(jìn)行雷電防護(hù)的重要位置。

3.2艙外電磁環(huán)境

雷電是一種高能量的脈沖信號(hào)，它在空間中分布的電磁場(chǎng)對(duì)直升機(jī)電子系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的威脅。在雷電擊中飛機(jī)時(shí)，6.4μs（最大）和69μs（衰減至一半）時(shí)直升機(jī)表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖如圖6所示。

圖6 直升機(jī)艙外電場(chǎng)分布圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在此路徑下直升機(jī)注入電流最大時(shí)表面附近的瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了上百M(fèi)V/m。從圖中可以看出，直升機(jī)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度主要集中在機(jī)頭、旋翼、尾翼等結(jié)構(gòu)比較突出的地方。在雷擊條件下，直升機(jī)附近的電場(chǎng)可以看成是機(jī)體表面電流產(chǎn)生的近場(chǎng)電磁環(huán)境，而近場(chǎng)電場(chǎng)的分布與直升機(jī)表面電荷的分布有著緊密的關(guān)系，而機(jī)身表面比較突出的結(jié)構(gòu)，如機(jī)翼、尾翼、機(jī)頭等尖端處容易集聚大量的電荷，從而造成尖端附近的電場(chǎng)環(huán)境比較惡劣。

圖7顯示了6.4μs和69μs時(shí)機(jī)身表面電流和直升機(jī)外部磁場(chǎng)的分布圖。從圖中可以看出，機(jī)身表面電流密度越大，其附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布與電流密度的分布保持一致，這是因?yàn)殡娏魇谴艌?chǎng)產(chǎn)生的源。

圖7 直升機(jī)空間磁場(chǎng)分布圖

磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值達(dá)到了170KA/m，其中機(jī)頭，發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩等關(guān)鍵部位附近的磁場(chǎng)環(huán)境比較嚴(yán)峻。機(jī)頭、機(jī)尾是雷電的注入和輸出點(diǎn)，因此這兩處附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯比較大。

由機(jī)艙外部電磁環(huán)境的分析可知，直升機(jī)表面電場(chǎng)分布與機(jī)身不連續(xù)的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)；而磁場(chǎng)強(qiáng)度分布與表面電流的分布有關(guān)，而表面電流密度的分布不僅與雷電路徑相關(guān)，同時(shí)和機(jī)身表面的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。因此直升機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)艙外電磁環(huán)境有著重要的影響，良好的直升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能最大限度的使雷電流均勻分布在直升機(jī)表面，從而使得艙外電磁環(huán)境更加良態(tài)。

3.3艙內(nèi)線纜

直升機(jī)由于裝配、焊接等操作產(chǎn)生了的孔縫和窗、門等部件嚴(yán)重降低了直升機(jī)的屏蔽效能。預(yù)先設(shè)定的直升機(jī)內(nèi)部線纜在100us以內(nèi)耦合電流分布如圖8所示。

圖8 線纜耦合電流

由于模型的簡(jiǎn)化，只是將直升機(jī)駕駛艙設(shè)置為玻璃而機(jī)身采取精密的全封閉機(jī)身進(jìn)行仿真，線纜耦合的電流比實(shí)際略小。這是因?yàn)閷?shí)際情況中駕駛艙和機(jī)身的孔縫是不能避免的，對(duì)艙內(nèi)線纜影響更加劇烈。

因此，對(duì)于雷電間接效應(yīng)的防護(hù)，應(yīng)該盡量避免機(jī)身孔縫等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并對(duì)關(guān)鍵部位采取加入屏蔽隔板的措施增強(qiáng)電磁屏蔽效能。

4 結(jié)論

本文根據(jù)SAE-ARP5416和ASE-ARP5412相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用FEKO的強(qiáng)大的時(shí)域分析功能對(duì)直升機(jī)機(jī)身表面電流分布、艙外電磁環(huán)境、艙內(nèi)電磁環(huán)境和線纜感應(yīng)電流進(jìn)行了仿真分析。得到直升機(jī)表面電場(chǎng)分布與機(jī)身不連續(xù)的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)；而磁場(chǎng)強(qiáng)度分布與表面電流的分布有關(guān)。根據(jù)仿真結(jié)果給出了影響機(jī)身表面電流分布和電磁環(huán)境的一些主要的因素，仿真結(jié)果表明該方法能有效的模擬直升機(jī)在飛行過(guò)程中的雷電間接效應(yīng)，為直升機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和雷電防護(hù)提供了依據(jù)。