飞行器LEMP危害及防护研究

赵玉龙，刘光斌，余志勇

（解放军第二炮兵工程大学 陕西 西安 710025）

雷电灾害是自然界最严重的自然灾害之一，可定义为路径长达数千米的瞬时大电流放电。地球大气层中，平均每天发生约800万次雷电，一个中等强度雷暴的功率[1]可高达108W。飞行器的活动空间恰是雷电形成和发展的场所，雷电在其放电的过程中会产生极强的电磁场，可能干扰飞行器内部设备的正常工作甚至损坏，这将对飞行器的飞行安全造成极大的威胁，每年因雷电造成的飞行事故枚不胜举。因此，研究飞行器的雷电防护具有深远的意义。

1 雷电特性

雷电特性为雷电防护提供着重要参考，为方便深入研究雷电特性，学者们先后提出了双指数函数模型、Heidler函数模型和脉冲函数模型，用以描述雷电流波形，与双指数函数和Heidler函数相比，脉冲函数兼有两者的优点，即一阶导数在t=0时连续且可积。日本曾在1994～1997年，用 Rogowski线圈测量雷电流参数[2]。总之，由于其重要性，学者们对它的研究热情一直不减。

雷电流的典型波形是一双指数曲线[3]，IEC规定雷电的波形用上升时间t1和半峰时间t2来表示，一般表达为t1/t2的形式。美军标MIL1757A中定义了模拟雷电的4个电流分量和1个电流波形[4]。

美国SAE学会的ARP5412给出了模拟自然闪电特性的电压波形，如图1所示，以满足不同雷击试验的电压要求。GJB3567－99规定，电压波形A和D用于非导电试验件的击穿特性试验和用于判别试验件雷击附着特性的试验。电压波形B用于判别试验件的电晕、流光特性[5]。

图1 雷电模拟电压A、B、C、D波形Fig.1 Undee of lightning simulation voltage A、B、C、D

2 飞行器雷电危害研究

2.1 影响雷击的因素

雷电活动的分布高度主要在5 000 m以下，所以，飞行器飞行在大气对流层时，极易遭受雷击，影响其遭受雷击的因素主要有：

1）周围大气场强

发生雷电时，闪电附近电场强度[6]高达500 kV/m，由于飞行器基本上均采用整体铸造结构，所以壳体可看作是良导体，极易遭受雷电袭击。

2）飞行器自身携带电荷

飞行器自身携带的电荷主要来自发动机充电、感应带电和沉积静电3个方面。发动机充电是由于发动机燃烧室产生的带电粒子被尾气带走而导致的。感应带电是飞行器周围云层产生电场，在其壳体表面产生极化电荷。沉积静电是指尘埃、雨滴及其它物质粒子与飞行器不断发生摩擦、碰撞，致使壳体带电。

3）飞行速度

飞行速度决定雷电在飞行器上的作用范围，对于速度不同的飞行器，雷电作用不是一个点而是扩展到一定的长度L。以云对地雷电为例，此距离L可用以下公式计算[7]：

式中：V1为飞行器速度 （m/s），V2为雷电先导通道速度，约为 1.5×105m/s，h 为高度（m）。

4）飞行器的外形与材料

飞行器的外形与材料决定其电场提高的大小以及放电的可能性大小，电场提高系数有两种，即极化电荷（Kp）和壳体总电荷（Kn），有关系式如下：

式中：Et为飞行器表面总电场，En为飞行器上面静电荷所产生的电场，Ep为飞行器极化电荷产生的电场，Qn为飞行器上的静电荷，Ea为壳体周围大气的电场[8]。

2.2 雷电能量耦合

飞行器上存在窗口、孔缝、接缝等以及非导电性材料，雷电能量可通过这些部位耦合进入飞行器内部，从而影响飞行安全，如图2所示。雷电能量主要通过电场耦合、磁场耦合以及阻性耦合3种方式进入飞行器内部。

图2 雷电作用示意图Fig.2 Sketch map of lightning function

1）电场耦合 电场可以直接通过孔缝、窗口等部位进入飞行器内部，在接地的导体上产生位移电流Isc。Isc流过负载时，会在负载上产生感应电压Vsc。感应电压和电流幅值正比于电场变化率。

式中：A为截取的位移电流Isc的面积，E为电场强度。

2）磁场耦合 磁场主要通过孔缝、接缝耦合进入飞行器内部。变化的磁场可以在非闭合回路上产生感应电压Voc，也可以在闭合回路上产生感应电流Isc。

式中：φ为穿过回路的电磁通量，L为回路的自感。

3）阻性耦合 雷电电流流经接缝、非导电材料等阻抗部位时会产生压降，设Ra为阻抗电阻，Rw为等效电路的电阻，Lw为等效电路的自感，Voc为开路电压，iL为雷电流，则：

2.3 LEMP对飞行器的危害效应

LEMP对飞行器的危害形式多种多样，根据作用方式的不同，主要可分为直接效应和间接效应[9]。

2.3.1 直接效应

直接效应主要是指由雷击直接造成的对飞行器结构的物理破坏，其破坏程度取决于壳体上通过的雷电流、电压大小。

1）机械效应 现代飞行器越来越多地使用了复合材料，如飞机的雷达罩等。雷电形成的高电压峰值很大，加之作用时间短（ms级），产生的冲力很大，所以极易造成雷达罩、蒙皮、绝缘材料等穿孔、变形、击穿。机械效应的受力可以通过安培定律进行分析。

2）热效应 雷电击中飞行器时，由于作用时间短，峰值很高，会导致被击中部位产生大量的热量，从而致使被击中部位燃烧或熔化。同时，趋肤效应也会导致飞行器壳体表面产生远远高于其内部的温度[12]。假设瞬时流过某部位的雷电流脉冲为i，该部位的阻抗记为R，则雷电流脉冲在此部位产生的焦耳热即为：

例如，某飞行器级间分离时，使用爆炸螺栓将包带打开，而热效应可能会使爆炸螺栓误操作，影响系统安全。可见热效应的产生对飞行器的飞行安全将构成致命的威胁。

3）火花效应 火花效应包括电火花和热火花两种。电火花是指介质由于强电压的作用而被击穿，热火花是指材料的燃烧碎片从热点喷发而出，其实两种效应也有可能同时出现。因为雷电能量是瞬间释放，当雷电流峰值很高而雷击点阻抗较大时，特别是在非导电性材料连接处，极易产生火花效应，引起燃烧甚至爆炸，威胁系统安全。

2.3.2 间接效应

间接效应主要是指LEMP对飞行器电子、电气设备的干扰或破坏，产生可能危及飞行器正常工作的间接危害。

1）电磁效应 雷电通道形成后，整个通道就是一个低阻抗导电通道，雷电带来的强电流可以产生强大的电磁场，电磁脉冲能量通过上述各种耦合途径进入飞行器后，可在设备、元器件上产生感应电压、感应电流，如果这种感应电压、感应电流超过了设备、元器件的损伤阈值，势必会干扰其正常工作，甚至造成设备的永久性损坏，造成系统故障甚至瘫痪。

2）静电感应效应 雷击瞬间，可使飞行器表面感应出与雷云下行先导电性相反的感应电荷，当雷电消失后，壳体上的感应电荷会重新分布，可能产生较高的电压，从而使飞行器尖端部位出现放电现象，甚至有可能会产生闪络，发生二次雷效应，即感应雷击。

3 飞行器防雷方案浅析

3.1 法拉第笼防雷原理应用

法拉第笼的重要作用就是屏蔽，它既能屏蔽电磁场，也能屏蔽磁场。完美定义的法拉第笼是一个能导电的、内部电位为零的空心体，电荷均匀分布在壳体表面，壳体内部是没有电场的，这就阻断了电磁场，达到了屏蔽效果。同时，法拉第笼对雷电流有均流和分流的作用，可以降低电磁场的干扰，这对于飞行器的防雷有很重要的应用意义。飞行器上的各种窗口、孔缝、接缝等以及可能存在的非导电性材料，是雷电能量进入其内部的重要通道，因此，必须抑制或切断这些耦合通道，形成完整的法拉第笼，可采取以下措施：

1）低阻抗电搭接 飞行器壳体上存在着各构件之间的搭接及舱段的对接，低阻抗电搭接的目的就是减小各构件之间、舱段对接处，以及构件和各系统之间的电位差，以实现均压等电位，使雷电流顺利流过机身。GJB2639-1996要求电搭接的直流电阻应控制在1 mΩ以下。例如，某飞行器壳体是由一块块铝合金铆接在一起的，所以壳体从头到尾类似于一个电阻器，这就要求这些铆接部位要有良好的电搭接，以保证电气连通性，形成低阻抗的导电通路，确保雷电流流经壳体时，不产生电火花，不致损坏仪器设备。

HB7695-2001规定，安装在复合材料结构件上的燃油管与基本结构的搭接电阻值最大不应超过0.1。

2）复材制件的处理 复材制件可使用高导电率或高磁导率的材料，也可以通过覆盖金属网或使用导电涂层增强其屏蔽效能。另外，火焰喷涂铝对提高复材制件的电磁屏蔽效能最有效，目前世界上各国针对复材制件防雷击、抗静电的热喷涂铝涂层均采用的是封孔剂涂刷技术。

3）接缝的处理

①接缝处涂导电涂料。尤其在用螺栓机械加固或连接的部位。其结合面可能只是点接触，导电涂料可以流入接缝缝隙，改善结合处的电接触，提高屏蔽效能。

②增加接缝的重叠面积。屏蔽效能与接缝的重叠面积也有很大的关系，加大重叠面积，就是加深了缝隙的深度，也就提高了屏蔽效能。

③加装导电衬垫。通过安装导电衬垫来减小缝隙长度，从而可以改善电接触。

④使用密封材料。例如波音和空客飞机，在复合材料盖板与整流罩之间的缝隙填充导电密封剂。这种导电密封剂是在硅橡胶中加入导电碳黑制成的，从而提高了接缝的电磁屏蔽效能。

3.2 飞行器内部设备的LEMP防护

1）优化布线及线路设计

应根据线缆上信号传输的特点选择最优布线方式，合理布线，避免环路及大面积长走线，以减少线缆回路面积和回路感应电压，防止内部浪涌，提供差模和共模的能量传输最佳抑制。如某飞行器供电与信号电路采用双线制，电源负线接地，有效地减小了传导干扰。

2）屏蔽重要设备

屏蔽是阻止干扰的最佳途径，对于一些极为重要的仪器设备，可考虑用屏蔽体将其完全屏蔽起来，使其处于电磁场最弱的位置。电磁屏蔽须采用良导体材料，尽量少开孔，而对于必须穿过屏蔽体的系统，可用光纤连接。

3）滤波技术应用

滤波技术是指应用RLC电路，让所需频率的信号通过而阻止其它频率的信号。所以，设计合理的滤波器，阻止雷电流的通过，可减小和抑制LEMP干扰，从而对重要的线路、设备进行保护。不过在设计滤波器时，要考虑充分，既要让所需要的信号顺利通过且不衰减，还要阻止其他频率的信号通过，这样才能达到滤波目的。

4）电源系统的保护

由雷电引起的电源损失占所有雷电致损[10]的70%，所以，飞行器的电源系统防护也很重要。由于飞行器的电源系统都位于壳体内部，可主要应用屏蔽原理、滤波技术等进行保护。

5）旁路保护

旁路保护就是在被保护设备前并联保护电路或过压保护器件，当电路中出现瞬间过电压时，旁路先被击穿，从而起到限制瞬态过电压，分流浪涌电流的目的，以此保证被保护设备的安全。常用的旁路保护器件有火花隙、压敏电阻（MOV）、瞬态抑制二极管（TVS）等。

4 结束语

LEMP对飞行器的安全飞行影响很大，飞行器雷电防护实际上是电磁兼容控制的一部分，是一项技术要求很高的工程。我国飞行器雷电防护尚处于起步阶段，所以需要投入更多的力量对其防护设计、试验和标准进行更深一步的研究，为飞行器的更新换代提供技术准备。

[1]虞昊.现代防雷技术基础[M].2版.北京：清华大学出版社，2005.

[2]Okabe T J.Observational results of lightning current on transmission towers[J].IEEE Transactlons on Power Dellvery，2007，22（1）：547-556.

[3]IEC1312-1996.Protection to Lightning Electromagnetic Pulse[S].2009.

[4]MIL-STD-1757A Lightning Qualification Test Techniques For Aerospace Vehicles and Hardware[S].1980.

[5]GJB3567-99.军用飞机雷电防护鉴定试验方法[S].1999.

[6]张友文.巡航导弹在飞行中的雷电效应及其防护研究[D].西安：第二炮兵工程学院，2006.

[7]Anon DOT/FAA.Aircraft Lightning Protection Handbook[M].FAA.1989.

[8]NAWCADPAX-95-306-PRO.Proceedings of International Aerospace and Ground Conference on Lightning and Static Electricity[R].1995.

[9]Perez R.Hoodbook of electromagnetic compatibility[M].Academic Press，Inc.1995.

[10]CHAI Ya-jing， ZHOU Wen-jun， HE Ruidong， et al.Test on lightning characteristics of electronic equipment’s power supply[J].IEEE Spectrum，2007:1357-1360.