某系留气球的雷电电磁仿真

刘 涛，张红卫，司晓亮，仇善良，李志宝，段泽民

(1.空军军械通用装备军事代表室， 北京100166； 2.中航工业特种飞行器研究所， 湖北荆门448035)(3.中航工业合肥航太电物理技术有限公司， 合肥230031)

0 引言

系留气球做为一种无需动力依靠浮力升空的浮空气球，成为一种理想的空中平台，受到人们的广泛青睐［1-2］。作为空中平台，系留气球适合搭载各种通信、干扰、侦查、探测等电子设备和系统，具有留空时间长、有效载重大、部署方便、费用低等优点。系留气球雷达系统就是系留气球的一重要应用方向，这一系统广泛应用于预警探测、通信中继、电子干扰、防灾减灾等军民领域［1］。由于悬浮于数千米甚至更高的空中，系留气球及其携载的电子系统不可避免地要受到大气雷电活动的影响，甚至是直接遭到雷击损毁。无论是气球本身还是其球载电子设备和系统，雷电防护均是不可或缺的。系留气球本体的直击雷防护可像通常地面设施和建筑物的雷电防护那样，在气球外围布置避雷线或网实现。但考虑系留气球应用的特殊性，避雷线和避雷网必须进行精心设计以便减轻重量。可基于滚球法［3］对系留气球进行直击雷防护设计，这也得到了实践和试验的检验。

即便球体可避雷线或网保护，但球载电子设备和系统并不能保证不受雷击的影响。当雷电击中避雷线时，伴随强大雷电流的强雷电电磁脉冲能在电子设备互联电缆上感应出雷电浪涌电压和电流，这些感应电压和电流将通过设备接口进入设备内部，对设备及其正常工作造成破坏和干扰，这也称为雷电间接效应［4-5］。兼顾成本和有效性，对电子设备和系统进行恰当的雷电间接效应防护是困难的，因为需要事先具备同电子设备有关的雷电感应电压或电流数据，而这些数据通常难以直接获得。在飞机雷电防护领域，通常采用称为整机雷电试验［6］、相似性分析或仿真方法［7］来获得这些数据，经多年努力，飞机雷电间接效应防护技术标准已非常成熟。在系留气球方面，尚无气球雷电间接效应防护相关的技术标准发布，因此也无可用于支撑开展球载电子设备雷电防护设计和试验的有效数据。诚然，飞机雷电防护相关标准能为球载电子设备雷电防护设计提供有益参考，但有效性却无严格的保证。为此，需要开展独立研究，掌握相关球载系统的雷电间接效应规律和基础数据，用于支撑系留气球雷电间接效应的防护设计和试验。

既然成本、周期高昂且无试验标准，进行整球的雷电试验研究将是困难的，而计算机仿真由于无需真实物理样件且不失精确性显现出了巨大优势［4-5，7］。计算机电磁仿真不仅可以用来分析雷击的电磁作用机理和过程，而且还可以用来计算电子设备及其互联电缆上出现的雷电感应电压和电流，用于直接指导防护设计和试验。随着计算机技术和电磁仿真软件的快速发展，电磁仿真的可信度越来越高［7-9］，雷电间接效应仿真的也越发受到认可和重视。

本文围绕某系留气球及其球载雷达电子系统，展开相关系留气球雷电间接效应的电磁仿真研究，分析其雷电电磁环境的特性和规律，及其球载电子设备互联电缆的雷电电磁响应(感应)特性和规律，并简述系留气球雷电电磁仿真的建模方法。

1 研究对象及其雷电电磁仿真建模

本文所研究的某系留气球及其避雷索(避雷线)设计如图1所示。该系留气球主体由主气囊体、副气囊体、尾翼等部分组成，气球整体长约52 m，宽约23 m，高约28 m，有效载荷设计大于500 kg。主气囊中冲注氦气以提供气球的升力，尾翼为气球提供稳定性和操纵性，雷达电子设备等悬挂于位于副气囊中的挂架上。此外，气球整体由系留缆绳及其他拉索提供系留约束力，而且缆绳还提供了电力和数据传输。该系留气球系统的直击雷防护设计采取了地面建筑物一类防护标准要求，即30 m半径的滚球防护设计。为减小总重量，我们精心设计了避雷索的空间布局，使得避雷索用材长度尽可能最少。同时，为防止雷击期间避雷索对气球球皮的滑闪作用，避雷索距离球面的最小距离设计大于1.4 m，且由固定在气球球面上的多个绝缘支架支撑和固定。

图1 待研究系留气球及其避雷索设计

开展系留气球雷电间接效应分析研究，应事先明确影响整球雷电电磁环境特性的主要因素及电缆感应耦合的主要因素。影响气球雷电电磁环境的主要因素有避雷索、系留缆绳的空间布局和雷击方式等。避雷索结构相对简单，基本为金属实心导线。系留缆绳结构则相反较复杂，内部往往配备有电力、通信电缆或光缆等，但为泄放雷击大电流，缆绳最外层为导雷网层。就分析整体雷电电磁环境而言，考虑导雷网层的影响已足够，系留缆绳能像避雷索那样视为导线。在确立了主要影响的结构基础上，可采用仿真或解析计算等不同方式，分析相关雷电电磁环境和电缆雷电电磁感应特性。但由于系留气球避雷索布局结构较为复杂，解析计算往往难以实施，宜充分发挥计算机仿真的优势。

雷电电磁过程作为瞬态电磁现象，宜采用时域仿真算法开展雷电间接效应电磁仿真研究，应用到雷电电磁仿真分析中时域算法主要有时域限差分法(FDTD)、时域有限积分法及传输线矩阵法等［7-12］。在雷电间接效应电磁仿真方面，基于FDTD算法而开发EMA3D软件开发较早且行业认可度较高，在飞机雷电防护领域，该软件还受到了美国FAA(美国联邦航空局)的认可。作为专业化软件，EMA3D软件已被美国和西欧等国家成功应用于各类舰船、飞机、火箭、导弹等雷电、高强度辐射场(HIRF)及核电磁脉冲(NEMP)的电磁仿真分析和设计中［11］。本文将主要采用EMA3D软件开展相关系留气球雷电电磁仿真的研究工作。

开展各种对象的雷电(雷击)电磁仿真分析，均需要进行准确的建模，这包括机械建模和物理建模两个方面，EMA3D软件也不例外。机械建模是指建立准确的能反映问题电磁特性的几何模型，即建立主要结构的几何模型;而物理建模是指设定能够反映问题的物理情形、参数及条件等，如指定结构的材料特性、设定雷电附着通道和雷电环境、设定计算边界、实施网格剖分及指定输出量等。

由于整个系留气球涉及的尺度变化很大，例如气球为数十米尺度，而避雷索、系留缆绳和设备互联电缆等则显得很细小，特别是各类互联电缆，其直径在数十至上百毫米范围。任何差分类算法如时域有限差分等［10］若要分辨尺度如此大范围改变的结构，其计算内存需求将是巨大而不切实际的。幸好开发了细线算法，能用细线模型建模细小直径的导体，并获得精确结果［12］。在EMA3D软件建模中，细线模型是常规模型之一。在系留气球雷电电场仿真中，避雷索、雷电通道、系留缆绳及电缆等由于相对细小，均应按细线模型建模，需要设定参数包括线单位长度阻抗、终端阻抗及线径等。在本文仿真中，避雷索、系留缆绳和雷电通道的等效线电阻、电感均设置零，其影响也较小，电缆屏蔽层线电阻则取典型值10 mΩ/m。

开展系留气球雷电间接效应电磁仿真，雷击附着方式要尽可能根据实际情况选取那些对挂架设备电缆耦合为最严酷情况，本文研究所采取的几种典型的雷击附着方式设置，如图2所示。

图2 典型雷击附着方式矩形边框—计算边界示意

图2中的矩形边框为计算边界，仿真仅计算边界内的电磁场，计算边界作为一种人为电磁边界能极大的缩小计算空间和内存。图2同时示出了雷电附着通道，雷电附着通道上将直接注入雷电流波形。需要指出，雷击大电流将通过系留缆绳泄放至大地，缆绳自然充当了雷击的退出通道。国际飞机雷电防护标准SAE ARP5412B规定了标准化雷电流波形，这些波形是对自然雷电特性的理想化描述。在SAE ARP5412B中，云地雷电的首次严酷雷击用雷电流分量A来描述，它是雷电间接效应最严酷的雷电分量，雷电电磁仿真主要考虑该雷电分量。在SAE ARP5412B标准中，分量A规定为由一双指数函数描述的电流波形(图3)。分量A其峰值为200 kA，最大上升率为1.4×1011A/μs，最大上升率发生在零时刻。

图3 雷电流分量A的波形(SAE ARP5412B)

一旦完成几何和物理建模，即可执行仿真计算，计算过程中及计算结束后，可分析、研究各计算结果。

2 计算结果与分析

通过仿真计算，获得了大量该系留气球及其球载设备互联电缆的雷电间接效应仿真结果，包括瞬时雷电电磁场分布、避雷索瞬时雷电流分布及互联电缆感应电流和电压等结果。特别是电缆响应结果和数据，它们是进行球载雷达电子设备的雷电间接效应防护设计和试验的基础。以下将讨论主要仿真结果。

1#雷击附着方式下气球及周围空间的雷电磁场的分布演化过程如图4所示。容易发现，在雷击早期阶段，磁场随时间逐步增强，同雷电流前沿电流幅值不断增加一致。与此类似，空间电场也呈现相同变化特征。相反，在雷电流脉冲的后沿，空间电、磁场会逐步减弱消失。2#、3#雷击附着方式下的气球及周围雷电电磁场空间分布情况分别如图5、图6所示。可以发现，靠近避雷索处，电场和磁场为最强，而远离避雷索处，电场和磁场逐步减弱。综合图4～图6，可发现在不同雷击方式下，气球及其周围空间雷电电磁场分布是存在差别的，且空间分布较复杂并难以统一概括。雷击方式不同导致雷电电磁场分布差异是容易理解的，因为各避雷索上分配得到的雷电流因雷击方式的不同而异。

图4 气球空间及周围雷电磁场的分布演化(1#雷击方式)

图5 2#雷击方式下系留气球周围的雷电电磁场分布

图6 3#雷击方式下系留气球周围的雷电电磁场分布

无论气球空间雷电电磁场具体分布如何，气球副气囊中挂架处雷电电磁场均较弱。从仿真来看，位于气球副气囊中的挂架处的磁场接近1 000 A/m左右，即磁感应强度约10 Gs左右。按磁场变化率同外部雷电流变化率为线性关系估算，磁感应强度变化率将达到5 Gs/μs，但实际仿真数值略小。气球副气囊中的挂架处的磁场大小及其变化率基本上决定了挂架设备处的电磁感应大小。

在雷电瞬变电磁场的作用下，球载电子设备互联电缆上将耦合出雷电瞬态感应电压和电流。视电缆位置、电缆特性的不同，各电缆的雷电瞬态响应结果可在很大范围内变化。该系留气球球载雷达电子系统典型互联电缆的雷电响应结果(屏蔽层感应电流)如图7、图8所示，其中电缆长度在2 m～3 m范围。

图7 1#雷达方式下典型球载雷电电子设备互联

图8 2#雷达方式下典型球载雷电电子设备互联

对比图7和图8，容易可发现，尽管雷击方式不同，但各电缆响应的波形结构却很接近，响应波形的波峰时间T约为6.4 μs，这是磁耦合的典型波形特征。不同于飞机电子设备，图7、图8所示的雷电感应波形没有复杂波形模式(在飞机电子设备雷电间接效应方面，与分量A相关的基本波形有5种)，这可能是因为重新分布效应和结构电压效应［4-5］均不明显所致。在图7、图8中，除少数幅值较低的电缆电流外，多数电缆屏蔽层响应电流主脉冲持续时间很接近，大约为60 μs左右;此外，脉冲半峰值时间在30 μs以下。而且还可发现，图7、图8中的响应波形同飞机雷电防护标准-RTCA DO-160F及SAE ARP5412B标准中定义的电流波形1结构形状类似，特别是在响应脉冲的前沿(时间在6.4 μs内段);差别在于电流波形1为单极性脉冲波，而图7、图8中波形却为双极性的，且图7、图8中的电流波形持续时间较电流波形1为短(电流波形1的半峰值时间为69 μs)。图7、图8中所示电流波形同电流波形1在结构上具有相似性绝非偶然，因为它们均由磁耦合导致。在波形时间参数和特征波形模式上的差别表明，直接采用飞机电子设备的雷电防护标准，实施球载电子设备的雷电防护设计和试验似乎并不合适，应进行必要波形修订和裁剪。

在飞机雷电防护方面，由于飞机机身结构的传输线效应及空腔效应，脉冲雷电流沿飞机机身传导能引起机身电流的谐振(共振)及机身内部振荡的雷电电磁场，从而在设备电缆上耦合出振荡形式的感应电流或电压波［4-5］。考虑到系留气球避雷索系统的由多段避雷索在空间不均匀布置构成，因此我们猜测也应存在类似的谐振效应。既然谐振频率和谐振长度满足半波长整数关系，而避雷索系统特征长度在10 m～100 m间，因此谐振频率至少在1.5 MHz以上。这一点可由图7、图8中电流波形上的波纹证实。1.5 MHz对应的振荡周期为0.67 μs，因此需在更小的时间尺度上细致观察这些振荡。

图9a)则展示了这些振荡的电流波形特征，由于电缆电阻的阻尼作用，振荡幅值呈衰减趋势，振荡特征仅在响应波形的前沿可见。由于谐振频率基本同谐振级次成正比，感应振荡的特征往往是在基本振荡模式叠加上更高频率的振荡模式。尽管雷击方式有异，但各电缆响应振荡特征却很接近，这是因为振荡是系统的固有特性。在图9a)中，基本振荡周期T在0.6 μs～0.7 μs，同估算吻合。研究振荡更有效的方式是在频域讨论问题，图9b)则给出了典型电缆屏蔽层电流的频域特性。在9b)图中，谐振表现为一系列谐振峰。在图9b)中，容易发现1.5 MHz附近存在强谐振峰，这表明基本谐振频率约1.5 MHz，其对应的振荡周期约0.67 μs，同估算一致。高频段上存在更多的谐振峰，但雷电频谱随频率增加呈衰减的特征导致高频谐振的能量较低。尽管存在振荡，但不同于飞机情形，振荡的幅值较低，这似乎表明无需引入飞机上的振荡电流波形3。因此，仿真再次证实需要裁剪飞机的雷电间接效应防护标准，以便更恰当地进行球载电子设备的雷电防护设计和试验。

图9 1#、2#及3#雷击方式下某一屏蔽电缆的屏蔽层雷电响应电流的时频域特性

从图7、图8来看，该系留气球球载电子设备互联电典型响应电流幅值(电平)均较低(在10 A～100 A之下)，加上6 dB安全裕度［4-5］，其级别基本在RTCA DO-160F标准规定的3等级之下。当然，这不是最终定论，因为可能存在更剧烈耦合的雷击附着方式以及仿真的偏差，以上仿真数据会偏小。但可以推测，如果气球尺寸增加，以致气球副气囊中的挂架及电子设备同避雷索的距离更远，则电缆感应幅值(设备防护等级)会降低;如果气球尺寸变小或挂架同避雷索的距离减小，则电缆感应幅值(防护等级)会提高。

不论如何，如果直接采用飞机雷电间接效应的标准开展该系留气球球载雷达电子系统雷电间接效应防护设计和试验工作，则似乎需进行适当的波形修订和裁剪。

3 结束语

本文对某系留气球的瞬态雷电电磁环境及其球载雷达电子设备的雷电感应特性进行了仿真研究，并讨论了系留气球雷电电磁仿真的主要建模方法。

针对典型雷击附着方式，基于EMA3D电磁仿真软件，分析了该系留气球及周围空间的雷电电磁场分特性和球载电子设备互联电缆的雷电响应特性，并获得了球载设备典型雷电间接效应数据。从仿真结果看，该系留气球雷电电磁环境具体空间分布较为复杂，但整体变化趋势却较为简单，即距离避雷索越远，其空间电磁场越弱。同时，仿真获得的气球副气囊挂架空间处的峰值雷电磁感应强度为10 Gs(1Gs10-4T)左右，而变化率为5 Gs/μs左右。对典型2 m～3 m长的屏蔽电缆，仿真获得的屏蔽层响应电流基本在数安至上百安培之间，对应的电平值基本在RTCA DO-160F标准规定的3等级之下。仿真同时表明，电缆响应电流波形结构较为单一，特征波形模式较RTCA DO-160F标准为少，且特征时间参数有别。分析结果表明，对于开展球载电子设备的雷电的防护设计和试验而言，直接采用飞机雷电间接效应标准可能并不完全合适，应进行适当的波形修订和裁剪。关于如何进行修订和裁剪，需进一步研究确定。

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