飞机舱内雷电电磁环境仿真研究

赵忠义唐召胜黄海龙

飞机舱内雷电电磁环境仿真研究

赵忠义1唐召胜2黄海龙1

（1.辽宁工业大学，辽宁锦州121001；2.四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳621000）

为了进一步提高飞机舱内电子设备对雷电间接效应的防护能力，依据SAEARP5412等相关标准的规定，以飞机舱内电子设备所在位置的电磁环境为研究对象，建立了雷击时飞机舱内电磁环境的仿真模型，对仿真参数进行了设置.仿真比较了雷击飞机时不同舱室内的耦合场，并获得了舱内电子设备所接线缆的瞬态耦合电流.仿真结果表明：同一放电通道下驾驶舱内的耦合场最强；舱门处定义了缝隙结构以后，舱门附近的电场和磁场强度都增大；同轴线缆有较好的屏蔽效能，在飞机遭受雷击时，可以有效避免芯线产生较大的瞬时感应电流研究结果对飞机舱内电子设备的雷电防护具有一定的指导意义.

电磁环境；模型；耦合场；数值仿真

引 言

当雷电附着在飞机机头或在其邻近位置放电时，雷电电流的瞬态过程会产生强大的雷电脉冲电磁场，在电磁耦合效应的作用下，将会有部分雷电能量传导或辐射到机载电子电器设备上，导致计算机、显控台、燃油仪表、雷达等危及飞行安全的设备出现故障，而使飞机出现灾难性事故，我们通常称这种现象为雷电的间接效应.

雷电对飞机作用的后果往往是灾难性的［1］，例如1987年洛杉矶机场，在2月24日这天几小时之内有6架飞机被雷电击中，当时天气是阵雨并偶有雷电，其中4架波音727飞机在1.1～2.4km的高度上受到雷击，雷达天线罩等被击穿；另有一架波音737飞机在大约1km的高度上受到雷击；还有一架T－38A喷气式飞机在高度约为0.8km处受雷电感应而发生爆炸，随即着火，烧坏飞机中部外壳.一架典型的商用飞机大约每3 000飞行小时遭遇雷击一次，亦即约每年一次.据美国军方统计，20世纪70年代这10年间平均每年有一架飞机因遭受雷击而坠毁，各种等级的事故每年不下百起.

随着现代航空航天技术发展，飞机越来越多地使用电子计算机、电传操纵系统以及航空电子设备，它们对外部电磁环境的敏感程度比传统的机械系统要高得多.当遭遇雷击时，雷电对飞机的耦合效应会对飞机舱内的电子设备产生影响或干扰从而导致飞行器电子设备的工作异常甚至可能失灵，而飞机电子设备的异常无疑是会对飞机的安全飞行造成重大影响［2－6］.因此，研究飞机的雷击耦合特性具有重大意义.

1 仿真方法研究

1.1仿真软件选择

雷击时飞机舱内电磁环境仿真研究，是在CST MS studio中进行的.CST MS工作室利用传输线理论、电路仿真与3D全波电磁场仿真的方法得到精确和快速的电磁兼容结果，消除了必须在纯2D横截面仿真分析和纯3D全波电磁场仿真分析之间做出选择的难题.在CST MS工作室中，可以便捷定义复杂线束模型.CST MS工作室的线缆库中有四类基本线形：单线，排线，双（多）绞线与屏蔽线（实体屏蔽层或编织线）.也可以在这些基本线形的基础上自行定义任意复杂线缆线束.

CST MS工作室基于传输线理论基础，根据线缆线束模型生成等效电路模型.自动对线缆线束进行网格剖分，并将每一个网格划分为足够多的段来计算传输线参量.时域与频域仿真时都计及趋肤效应与介质损耗.采用通常的全波算法仿真类似缝隙等的精细结构的电磁泄漏很困难，需要耗费大量的仿真时间和计算机内存.CST MS提供一整套精简模型，将电尺寸微小结构：通风板、碳纤维板、屏蔽栅网、燕尾槽、散热孔阵和缝阵、搭接紧固螺钉等置换为相应的等效模型，由于采用了这些精简模型，避免对它们划分网格，使得此类电磁干扰（ElectroMagnetic Interference，EMI）问题得以快速准确地进行仿真.

1.2仿真研究方案

数值模拟方案主要依据SAE－ARP5416［7］直接影响试验方法试验进行设计.

仿真在CST MS STUDIO中进行，由于机载二次雷达电子设备在飞机内各舱室均会有电缆分布或终端设备分布，因此，仿真主要选取了飞机的几个主要舱室进行仿真研究.

机载二次雷达舱内电子设备所在位置的电磁环境仿真研究的步骤主要包括以下几步：

1）选择电磁计算软件及计算方法；

2）建立仿真环境；

3）确定模型仿真参数及边界设置；

4）仿真结果的提取和分析.

2 数值仿真模型建立

2.1仿真模型建立

仿真在CST MS STUDIO中进行，模型采用某型军用运输机.按照1∶1的比例进行建模，飞机翼展50.45m，机长49.59m，机高14.76m.

2.2仿真设置

现代世界主要运输机已大量使用复合材料以减轻飞机重量，增加飞机载重，包括我国正在研制的大型军用运输机也会部分使用复合材料，因此，为使研究贴近实际，为飞机的设计制造提供一定的参考，我们按照现代大飞机的制造工艺对模型的材料进行设置，将飞机的机翼前缘、前起舱和主起舱的舱门以及飞机尾翼设置为具有一定导电能力的碳纤维复合材料，碳纤维介电常数设为6.7，电导率设为1 000S／m.

参照SAE－ARP5412标准［8］，外部闪电环境由电流分量A（首次回击）、B（中间电流）、C（持续电流）、D（后续回击）、H以及多回击（Multiple Return Strokes，MRS）和多脉冲（Multiple Pulse，MB）波形设置组成.为了分析雷击对飞机结构的间接影响，雷电流采用A分量.

在CST微波工作室中设置的激励电流波形如图1所示.电流峰值200kA，上升时间（峰值10%～90%的时间）3.8μs，峰值时间6.7μs，波形持续时间500μs.

图1 仿真激励波形

由于雷电流95%的能量集中在1MHz频率范围内，最高频率不超过10MHz，因此，仿真时将频率范围设置为0～10MHz.

以雷击从机头注入，机尾流出为例.当飞机机头被击中的时候，雷电流到达机尾的时间为t1，当雷电流传到机尾时，为了在时间上覆盖波形A的半宽度，还需要一定的时间t2.因此，综合考虑以上两种情况，仿真计算的时间t必须足够长，即t≥t1＋t2时，从而能够满足飞机上各个部位的监测点的电流波形能够完整流过，电流波形的上升沿、下降沿都能明显表现出来［9］.

CST MS基于ACIS内核的通用实体建模工具来定义几何结构，采用Octree多级网格合并技术三维网格将飞机实物模型进行六面体剖分.网格的数量与计算域的大小、网格密度有关.网格剖分得越细致，计算误差就越小，但计算量也会急剧增加.因此必须在保证计算精度的条件下，选用合理的网格密度.由于计算机计算能力以及仿真时间的限制，只能在有限的区域内进行计算.为了能够模拟开域的情况，人们提出了吸收边界的概念.吸收边界使散射波能够自由地穿过虚构边界或者被虚构边界完全吸收而无反射.

通过对不同吸收边界扩展度和网格剖分的比较分析，最终确定将吸收边界扩展度设为10%，每波长10个网格，总的网格数为1.778×106个.

3 仿真结果与分析

雷击时飞机内部耦合场的仿真主要依据SAEARP5416中关于电流波形定义以及闪电防护测试方法的试验方法进行分析.

在SAE－ARP5416闪电防护的测试方法中，采用大电流脉冲波形注入方法模拟闪电击中飞机，来分析雷电间接效应产生的内部闪电环境场分布.为此，首先要建立放电通道、雷电电流在飞机上的进入点／离开点，金属和复合材料以及机内结构等仿真模型，进而分析雷电击中飞机时，飞机内不同舱室的耦合场分布.

3.1同一放电通道下各舱室耦合场比较

为比较雷击飞机时不同舱室内的耦合场值，选用机头进机尾出的雷电流放电通道，在飞机各舱室内共设置11个检测点，检测各舱室的耦合电磁场，其中驾驶舱内4个监测点，3个点在玻璃附近，一个点在驾驶舱内部，货舱内三个监测点，一个点在舱门附近，一个点在货舱中间，一个点在货舱尾部，其他舱室各设置一个检测点，各舱室耦合场监测点位置如图2所示.

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图2 飞机内部耦合场监测点设置

为比较同一放电通道时不同舱室的电磁环境，在每个舱室中各取一点的电场值和磁场值作为比较，分别为驾驶舱内2点、电子设备舱内的5点、前起舱内的6点、货舱内的8点、主起舱内的10点以及尾舱内的11点共六个点，各舱室的耦合场峰值汇总如表1所示.

由表1可知，耦合场最强处在驾驶舱，最大电场强度为2 800kV／m，最大磁场强度为10 000A／m，主要因为驾驶舱的玻璃导电性比较差，几乎绝缘，屏蔽性很差，因此通过驾驶舱玻璃耦合进入驾驶舱的能量比较大；而前起舱、主起舱以及尾舱的耦合场值相近，这是因为三个舱室都是由金属结构和部分具有一定导电能力的复合材料构成，复合材料对电磁场可以起到一定的屏蔽作用，但其屏蔽性能不如金属材料，因此部分能量会通过复合材料耦合进入腔体内部；耦合场强峰值最小处在货舱，电场强度峰值为0.085kV／m，磁场强度峰值为0.32A／m，货舱的耦合场强峰值远小于其他四个舱室，这是由于货舱周围都是金属结构，因此屏蔽性能很好，耦合进入腔体内部的能量也就很小.

表1 各舱室耦合场峰值

3.2舱门处定义缝隙结构后对附近场分布的影响

在飞机货舱、尾舱等舱门处，不可避免地与机身主体存在缝隙.而缝隙的存在对飞机内部特别是舱门附近的电磁环境会产生一定影响.因此在飞机的仿真计算中，必须将舱门的缝隙结构考虑进去，使用CST中提供的缝隙精简模型，对舱门四周开缝，缝隙宽度设为2mm，仿真比较开缝前后舱门附近的电磁环境变化.仿真结果如图3和图4所示.

图3 舱门附近处电场比较

比较图3和图4可以发现，舱门处定义了缝隙结构以后，舱门附近的电场和磁场强度都变大，电场强度由75V／m增大为170V／m，磁场强度由0.43 A／m增大为98A／m.这是因为定义了缝隙结构后部分能量会通过缝隙耦合进入飞机，由于缝隙结构较小，耦合进入腔体的能量较小，因此耦合场增幅不大且能量主要集中在舱门附近.

图4 舱门附近处磁场比较

3.3舱内电子设备电缆瞬态耦合仿真

仿真采用的电缆类型为RG58同轴电缆，电缆两端接50Ω电阻.电缆在飞机内可能会贯穿不同的舱段，在贯穿时不能与隔板相碰，以免造成仿真的不准确.舱内电子设备的电缆分布及走向如图5所示.

图5 尾舱及货舱到电子设备舱的电缆

由于线缆要穿过相应舱室，需要在隔板上设置电缆贯穿的孔洞，孔洞太大，会使不同舱段内的能量耦合到其他舱内造成仿真结果不准确，孔洞太小，又会在针对网格的局部剖分时产生大量的网格，大大增加了仿真的时间.经过比较，最终确定孔洞直径为10mm，可以通过三根电缆，既减少了孔洞的数量，又几乎不会对仿真结果造成影响.

电缆上的电流仿真结果如图6所示，由图6可以看出，尾部舱室电缆上的芯线和外皮电流峰值相差200多倍，由此可见同轴线缆有很好的屏蔽效能，在飞机遭受雷击时，可以有效避免芯线产生较大的瞬时感应电流.芯线上瞬态耦合的感应电流峰值为0.12A，对电子设备会造成一定影响.

图6 机身尾部舱室到电子设备舱电缆电流

4 结 论

飞机舱内雷电电磁环境的数值仿真具有重要的工程应用价值，为此建立了雷击时飞机舱内电磁环境仿真的计算模型并对仿真参数进行设置.在不同情况下对雷击时飞机内部舱室的耦合场进行了仿真计算，通过分析，获得如下结论：

1）同一放电通道下驾驶舱内的耦合场最强，其次是尾舱，电子设备舱和货舱内的耦合场最小.

2）舱门处定义了缝隙结构后舱门附近的耦合场峰值增大.

3）仿真了雷达舱内电子设备所接电缆的瞬态耦合电流，尾部舱室电缆上的芯线和外皮电流峰值相差二百多倍，芯线上瞬态耦合的感应电流峰值为0.12A，对电子设备会造成一定影响.

上述研究结果对飞机舱内电子设备的雷电防护具有一定的指导意义.

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Simulation research on lightning electromagnetic environment of aircraft cabin

ZHAO Zhongyi1TANG Zhaosheng2HUANG Hailong1
（1.Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning121001，China；2.Sichuan Jiuzhou Electronic Group Co.，Ltd，Mianyang Sichuan 621000，China）

In order to improve the protection of electronic equipments in aircraft cabin against the indirect effects of lightning，and based on SAE－ARP5412and other related standards，the paper establishes a simulating calculation model at the time of lightning and designs simulation parameters on studying the electromagnetic environment of electronic equipments in aircraft cabin.comparison of the galvanic coupling field in different cabins ismade by simulation when lightning and the transient coupling current of the electronic equipment cable is achieved.The simulation shows that，the galvanic coupling field inside the aircraft cockpit is most powerful compard with other cabins in the same discharging channel；both electric field and magnetic field increases when the gap structure at the cabin door is defined；coaxial cable has a better shielding efficiency，which helps to avoid the generation of a greater transient induced current on the core wire.The result of the study has a certain guiding significance for the lightning protection of electronic equipments in the aircraft cabin.

electromagnetic environment；model；coupling field；numerical simulation

V242.1

A

1005－0388（2015）02－0391－05

赵忠义（1971－），男，辽宁人，副教授，博士，主要研究方向为电磁兼容和电磁防护.

唐召胜（1979－），男，四川人，工程师，硕士，主要研究方向为通信电子和电磁防护.

黄海龙（1982－），男，辽宁人，副教授，博士，主要研究方向为电子工程和信号处理.

赵忠义，唐召胜，黄海龙.飞机舱内雷电电磁环境仿真研究［J］.电波科学学报，2015，30（2）：391－395＋408.

10.13443／j.cjors.2014041701 ZHAO Zhongyi，TANG Zhaosheng，HUANG Hailong.Simulation research on lightning electromagnetic environment ofaircraft cabin［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：391－395＋408.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014041701

2014－04－17

联系人：赵忠义E－mail：zzy828＠163.com