飞机线路雷电感应仿真分析

黄军玲

（西南交通大学，四川 成都 610000）

0 引言

雷电对飞机的危害分直接效应和间接效应，直接效应可导致飞机发生熔融、击穿和结构变形等物理畸变，而间接效应则会使飞机电性能失效或损坏，导致飞机的极限损失。

民用飞机为取得适航证必须开展整机雷电间接效应防护试验，但是开展整机试验需要耗费大量人力物力财力，且易受干扰，导致试验结果不够精确。[1]近几年随着电磁计算方法与电磁仿真软件开发技术的不断提高，3D电磁仿真软件在对整机和设备进行电磁精确计算方面发挥了越来越大的作用。在国外，有学者利用各种数值算法对雷电间接效应进行仿真分析。国内对飞机雷击间接效应的研究主要集中在飞机雷击附着点及雷击附着区域的划分上。[2]因此，开展飞机线路雷电感应仿真分析研究非常有必要。

文章采用CST MS工作室的TLM（传输线矩阵法）求解器对西门诺尔PA44型飞机进行数值仿真分析。根据ARP5416A飞机雷击测试方法的要求，采用A分量来模拟雷击环境。建立飞机的3D模型，在模型中设置两个机箱、一根普通单线以及一根同轴线，设置飞机特定孔缝，分析特定雷击路径击中飞机时机身表面电流分布以及通过孔缝耦合后内部电缆的耦合情况。

1 西门诺尔PA44型飞机建模

1.1 飞机建模及参数设置

飞机模型长8.41米，翼展11.75米，高2.59米，因暂不考虑飞机窗户上的屏蔽金属网，机舱内的甲板以及甲板上的座椅等这些结构对电磁兼容的影响，故建模时将这些内容省略掉，模型如图1所示。

若要将飞机上许多细小的缝隙全部构建出来，工程量太庞大，因此，建模时利用软件“精简化模型”模块对模型中的部件进行“精简置换”，大大提高了仿真速度和精度。故在其缝隙置换设置中，在飞机的门与机身处设置宽0.006m，深0.002m的缝隙。另外，飞机窗户需要进行屏蔽金属网的设置，以免雷击信号直接进入飞机内部，造成仿真失败。模型设置中使用100格/英寸的金属网，其方格宽度为0.205mm，孔的深度为0.001mm。如图1所示。

图1 飞机模型

1.2 飞机机箱和线路的添加

建模过程中，为模拟飞机遭受雷击时内部线路所受到的影响，在飞机机头合适部位及机身后部各设置一个0.8m×0.4m×0.3m的金属机箱，并设置一根单线和一根同轴电缆连接两个机箱。

1.3 仿真设置

1.3.1 激励源设置

飞机闪电间接效应试验可采用大电流脉冲注入方法，将电流分量直接注入雷电附着点。为模拟脉冲电流注入试验条件，仿真中通过两段从飞机附着点和分离点延伸出来的理想导线来实现。仿真中雷电流注入方式有多条路径可供选择，文章将雷击路径设置为从飞机机头进入，从飞机机尾击出，如图1所示。

SAEARP5412和ARP5416标准给出的机载电子电气系统闪电间接效应试验波形主要以电流分量A为主，低空飞行的飞机会受到此类波形的影响，[3]下面以电流波形A为例进行分析，其表达式为I（t）=I0，波形如图 2 所示。

图2 雷击的电流信号

1.3.2 网格及边界设置

CST仿真中网格的设置决定了仿真的质量与速度。文章选择自适应网格加密，程序会进行网格加密迭代，并通过内置的专家系统，自动判断最佳的网格疏密，达到设定的精度后终止计算，从而得到速度和精度的统一。文章主要研究飞机在空中遭受雷击时的情形，选择吸收场作为边界，即飞机仿真的辐射等不会经过边界的其他作用后再次对飞机仿真产生干扰，则将维度设置为扩展30%。

1.3.3 探针设置

如图1所示，在飞机的表面和内部遍布探针，主要用于对飞机各点的状态的监控。每个探针均有电场和磁场在三个方向的分量，它们可以探测飞机在时域或频域求解所得的电流、电压量。

1.4 启动仿真

仿真启用CST MS时域全波电磁仿真，采用传输线矩阵算法（TLM算法）。启动算法时，该软件会自动对网格进行优化，并对仿真内容进行离散化处理，以此来减少仿真的时间。

2 仿真结果及分析

2.1 飞机金属蒙皮屏蔽效果

雷电击中飞机后会在飞机表面形成强大的震荡电流，同时也会在飞机内部产生相应的感应电场，西门诺尔PA44型飞机蒙皮采用铝合金，它有着很好的屏蔽效果。如图3所示为飞机蒙皮与机箱感应电场的频域图，由图可以看出，机箱上感应电场相对于飞机表面蒙皮感应电场大约有70dB的衰减。

图3 飞机蒙皮与机箱的感应电场

如图 4 所示为雷击过程中 75ns、225ns、750ns、1.5μs四个时刻的飞机表面电流分布图。从图中可以看出，在雷击作用下，飞机机翼前后缘、水平尾翼、垂直尾翼和发动机上会产生较强的感应电场，这些地方就有可能成为雷击附着点。

2.3 单线与同轴线的感应电流

遭受雷击后，会在飞机内部产生感应电场，飞机的各个线路上也会产生感应电流。单线与同轴线对于这些感应场会有不同的表现，由于单线没有外屏蔽层，所以其对于导线外的电场感应非常敏感，会产生较大的感应电流。而对于同轴线而言，因其内部导体外有一层屏蔽网，能够很好地屏蔽掉外部电场，所以同轴线内部导体受外部电场影响较小。如图5所示，在雷击作用下单线的瞬态冲击电流最高可达200μA，同轴线上的瞬间冲击电流最高只有约0.5μA。

单线与同轴线的感应电流频谱对比如图6所示，在0~30MHz的频段上，单线上的感应电流要比同轴线上的高出60dB，由此可见相对

图4 飞机四个时刻的表面电流分布

图5单线与同轴线上的感应电流对比

2.2 飞机表面电流分布

单线而言，同轴线具有非常好的屏蔽性能。因此，单线在飞机上主要用于远离雷电流通道区域及雷击不敏感设备的连接和电流传输，例如，照明设备电路。同轴线一般只用于飞机上重要敏感设备的信号传输，如导航系统。

图6 单线与同轴线的感应电流频谱对比

3 结论

数值仿真技术对飞机闪电间接效应的测试有着非常重要的工程价值。应用数值仿真软件的关键在于如何建立合理的模型及如何设置正确的仿真参数，使得仿真环境能更真实地反映实际情况。本文依据SAEARP5412和ARP5416等标准的相关规定，用基于传输线矩阵法的仿真软件CST对西门诺尔PA44型飞机闪电间接效应进行研究，重点分析了在特定雷击路径下，飞机表面电流分布情况以及内部特定线路的耦合情况，仿真结果基本符合相关理论成果。由此可见，该方法可以对飞机闪电间接效应测试进行有效地模拟，为飞机雷电防护设计提供实验方法和设计依据，具有重要的工程意义。

［1］陈奇平，方金鹏，王万富.整机雷电间接效应防护试验的若干技术探讨[J].微波学报，2012，8：305-308.

［2］温浩，侯新宇，王宏.飞机模型雷击附着点试验研究[J].高电压技术，2006，32(7)：90-92．

［3］SAE.ARP5412B(R)Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms[S].Warrendale,PA：Society of Automotive Engineers，2013.