飞机燃油箱闪电间接效应安全性仿真研究

李连桂

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)



飞机燃油箱闪电间接效应安全性仿真研究

李连桂

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)

为了定量分析闪电通过油量指示系统(FQIS)的线缆耦合到燃油箱的能量是否达到安全阙值，建立了FQIS线缆的等效模型，并以4种常见的电流路径对某大型客机进行了大电流注入的建模仿真。仿真分析得到不同路径的舱内外电磁环境和线缆感应电流，并且与最小点燃条件相比较。仿真结果表明，闪电以机头注入，右机翼流出或机尾流出这两种方式注入时，线缆的峰值电流>0.125 A，有可能引起燃油箱产生火花；闪电以左机翼或右机翼注入，机尾流出这两种方式注入时，线缆的峰值电流≪0.125 A，不可能引燃油箱。

燃油箱；线缆耦合；最小点燃条件；油量指示系统

在飞机上采用碳纤维复合材料来代替金属合金材料已经成为一种趋势。这在提高飞机的耐用性和燃油效率的同时，也在较大程度上降低了对外部电磁环境的屏蔽效能。闪电除了能对飞机产生像热效应和机械效应这种直接损毁之后，还能产生高强的瞬态电磁场，因而在飞机内部线缆上感应出瞬态的大电流脉冲，从而对飞机部的重要设备尤其是燃油箱产生重大威胁。1976年，一架波音747飞机在被闪电击中后坠毁。事后的调查报告表明，闪电引起的火花导致喷油器处的油蒸汽点燃极有可能是此次事故的原因。

针对日益增加的闪电间接效应对飞机燃油箱安全的威胁，中国民航管理局、美国联邦航空管理局和欧洲航空管理局颁布的适航规章中给出了关于燃油箱点燃防护的要求(CCAR25.981、FAR25.981、CS25.981)。但是进行整机大电流脉冲实验往往耗费大、成本高、测试周期长，而且受到各种试验环境的影响较大，因而较难得到一次全面客观的实验数据[1]。随着计算机能力的提升和电磁数值仿真技术的完善，通过仿真的方式对飞机的闪电间接效应进行预估成为一种越来越受欢迎的方式。例如Maurizio使用VAM-LIFE对C27-J运输机的闪电间接效应进行了仿真[2]；Marc Meyer等使用EADS IW工具讨论了复合材料(CFRP)飞机的仿真问题[3]；国内基于TLM法对飞机内外部电磁场和内部线缆的感应电流的研究也比较多[4-7]；宿志国等基于FEKO分析了飞机闪电间接效应的问题[8]。然而国内外关于油箱闪电间接效应安全性的仿真研究比较匮乏。目前国内大型客机的研制和试验正在进行中，为了完善大型客机燃油箱的安全性设计与评估手段，开展闪电对大型客机燃油箱系统危害性的数学建模与仿真计算方法的研究工作具有重要的意义。

本文利用基于时域传输线矩阵法(TLM)的CST Cable工作室进行全机的数值仿真计算。以4种注入方式注入SAE-ARP5412定义的A类电流波形，建模并进行仿真计算，分析闪电电流流经飞机时，线缆感应的最大电流值，并与最小的点燃条件相比较。该方法可以有效的模拟闪电击中飞机时的闪电间接效应，进而分析了闪电对飞机燃油箱安全性影响。这对燃油箱的结构设计和安放位置起到了参考性作用。

1 基本原理及仿真模型的建立

1.1 基本原理

闪电与飞机的电磁相互作用是一个非常复杂的问题。整个过程可以分为外部交互、外部耦合到内部、内部交互3个部分。其中外部交互主要包括闪电电流在机体表面的分布和外部电磁场的分布；外部耦合到内部指的是电磁能量通过如图1电阻、磁场和电场3种耦合方式耦合到机舱内；内部交互指的内部电磁场的分布、内部电磁场耦合到线缆上的电压电流[9]。

图1 耦合机制

传输线矩阵法(TLM)是Huygens传播原理与计算机结合的产物，在1970年首次由P. B. Johns和R. L. Beurle提出后，经过多年的不断改进，功能从二维拓展到三维，从拓展型结点拓展到凝缩型结点，逐渐成为了一种重要的三维时域电磁数值仿真算法。TLM算法不但可以通过时间和空间的迭代运算，求得传输线网络上的电压和电流，而且还可以通过传输线方程与Maxwell方程组中个相应变量之间的类比关系来计算介质中的电磁场分布[10-11]。

二维TLM法由并联连接的传输线网格组成，脉冲源从4个具有相同特性阻抗的分支入射到一个节点上，先散射再入射到相邻节点上,可以推导出散射公式

k+l[V]r=[S]k[V]i

(1)

k+l[V]i=[C]k+l[V]r

(2)

式中，[S]是结点的脉冲散射矩阵；[C]是网络拓扑结构的连接矩阵，下标k和k+1表示离散时间间隔[12]。

CST线缆工作室可以实现线缆、场和电路的联合仿真。其中场的仿真在微波工作室中进行，线缆的仿真在线缆工作室中进行，电路的仿真在电路工作室中进行。联合仿真还能将线缆和场的相互耦合考虑进入，因而更加精确。

1.2 激励及仿真设置

根据SAE-ARP5412标准给出的闪电的标准波形[13]，闪电由A、B、C、D、H等多种波形组成。本文选用峰值最大的A波形作为注入波形。该波形的双指数形式数学表达式为

I(T)=i0(e-αt-e-βt)

(3)

式中，I0=218 810 A；α=11 354 s-1(88.075 μs)；β=647 256 s-1(1.545 μs)。

由于闪电的能量主要集中在10 MHz以下[6]，所以对闪电间接效应的仿真最高频率设置为30 MHz即可。为满足飞机上的各个点的电流波形都能完整的通过，仿真时间设置为200 μs。

常见的闪电的附着点和分离点为机头、翼尖、发动机和垂尾等突出位置[4]。闪电电流从附着点注入，然后在分离点与导体相连。通过设置开放边界，使得分离点和注入点都与边界线连接，避免了因静电场引起的静电效应[4]。如图2所示，本文主要分析比较3种电流注入分离路径：路径A为机头入，尾翼出；路径B为机头入，右机翼出；路径C为右机翼入，尾翼出;路径D为左机翼入，尾翼出。

图2 雷电流注入点和分离点

1.3 仿真模型

以某型号客机为例，客机总长33.4 m，翼展26.8 m。机舱可以分为驾驶舱、前设备舱、客舱、货舱、后设备舱5部分。飞机机壳整体设置为导电率3.54E+7的铝材，舷窗和驾驶舷窗设置为相对介电常数4.4、损耗正切角0.03的玻璃材质，地板、椅子设置相对介电常数3.14、损耗正切角0.035的复合材料。

如图3所示，中央翼油箱安装在客舱地板正下方，处于机翼与机体的结构支点处。一组油料量探头分布于油箱中，实时监控着燃油的密度和体积。油量探头引线在开口侧从后梁固定隔框穿出中央翼油箱，并通过线缆将信息反馈到控制台。 “Amphenol D3”和与之配套的“Amphenol M127” 是油量探头与外界线缆之间的连接结构，它们的结构如图4所示，插针1、插针2和插针3分别连接同轴线缆、单导线和单导线，对应燃油探头的HI Z、LO Z和LO Z COMP[14]。

本文设置了一种线缆模型来等效驾驶舱到燃油箱的这段导线。它是由RG58的同轴线、两根单线和屏蔽层构成。为了简化分析，将与FQIS连接的燃油箱等效为电阻。等效电阻可以用文献[15]的方法得到。本例中HIZ电阻取60.9 Ω，LOZ电阻取183.3 Ω，LOZ COMP电阻取54.7 Ω[15]。

图3 FQIS与中央翼油箱的连接示意图

图4 连接件结构

2 仿真结果与分析

射频源通过与油量探头连接的射频电缆耦合到中央翼油箱中，从而产生的电弧、火花或者过热都有可能会导致油箱着火。雷延生等根据FAA发布的燃油箱点燃防护的要求分析得到了最小的点燃条件为，线缆的峰值电流不得>0.125 A[16]。下面主要分析4种路径下，舱内外的电磁环境和耦合到燃油箱的电流值，并根据最小点燃条件判断燃油箱产生火花的可能性。

2.1 舱内外电磁环境

为具体分析飞机遭受雷击时外部电磁场和内部各舱室的耦合场，在飞机的机头、机身、机尾、驾驶舱、前设备舱、客舱、货舱和后设备舱都设置了监测点。探测点的坐标依次为(0,0,0)、(0,12.4,2.08)、(0,29.5,1.6)、(0,2.06,0.63)、(0,2.06,-1.07)、(0,14.56,0.7)、(0,14.56,1.27)和(0,27.56,0.73)。探测点坐标都是与机头探测点的相对值，单位m。表1为不同路径下各探测点的电场强度和磁场强度的最大值。通过对比发现：不同路径下电场分布差别不大，磁场和表面电流分布与路径相关。由于金属机身的屏蔽作用，机身、机头、机尾等外部电磁场远大于内部耦合场；与路径A和路径B相比，路径C和路径D的电流是从机翼注入，机尾流出的，所以机头、前设备舱和驾驶舱的磁场强度远小于前者；路径B条件下机尾的磁场强度小于路径A和路径C。

表1 各位置电场强度和磁场强度

2.2 线缆耦合电流

图5为FQIS内的同轴线缆的内芯和外皮电流。由图5可知，屏蔽层的电流远大于内芯的电流，这说明电缆屏蔽层可以较大程度上屏蔽来自外界的电磁干扰。路径C和路径D的HIZ屏蔽层电流和内芯电流都小于路径A和路径B的电流。这是由于路径C和路径D的电流通道都是由机翼到尾翼的，因此辐射场对驾驶舱到货舱线缆的耦合较小。 LOZ、LOZ COMP、总屏蔽层的电流随时间变化趋势与HIZ屏蔽层、HIZ相同。表2为LOZ、LOZ COMP、总屏蔽层、HIZ屏蔽层、HIZ的最大耦合电流。由表2可知，路径C和D下的LOZ、LOZ COMP、HIZ的耦合电流值都远小于最低点火条件。路径A和B下的LOZ的耦合电流小于最低点火条件，LOZ COMP和HIZ的耦合电流大于最低点火条件。所以对于以铝材作为机壳材料的飞机，如果雷电流以路径A和路径B注入，燃油箱有产生火花的可能性。

图5 FQIS等效线缆内的同轴线缆的内芯和外皮电流

端接负载电流峰值/A值/Ω路径A路径B路径C路径DHIZ(P12)60.90.390.390.0080.01HIZ屏蔽层(P11)077781.681.98LOZ(P8)183.30.120.120.00250.00305LOZCOMP(P9)54.70.480.480.01030.0123总屏蔽层(P10)0127612874451.7

3 结束语

本文建立了雷击时飞机舱内电磁环境的计算模型，并对FQIS的结构进行了简化等效；文中分析了闪电以4种路径流经机体时的飞机外部电磁场和内部各舱室的电磁环境；得到了不同路径下线缆耦合到燃油箱的电流，并与燃油箱点火条件做了比较。仿真结果表明：雷电流以路径A和路径B注入，燃油箱有产生火花的可能性；雷电流如果以路径C和路径D注入，燃油箱不会有产生点火的危险。

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Simulation on Lightning Indirect Effect of Fuel Tank Safety

LI Liangui

(School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

In order to quantitatively analyze whether the lightning energy coupled to the fuel tank by the oil quantity indicating system (FQIS) cable reach the energy security threshold, an equivalent model of FQIS cable is established and a simulation of large current injection were carried out on a large passenger aircraft with four common current paths. The internal and external electromagnetic environment and the current in the cable of four common current paths is given by the simulation and compared with the minimum ignition condition. The peak of the current through the cable is more than 0.125 A in the way that the current is injected in the nose and out in the tail or out in the wing, which may cause the ignition. The peak of the current through the cable is far less than 0.125 A in the way that the current is injected in the wings and out in the tail, which could not cause the ignition.

fuel tank;cable coupling;minimum ignition condition;oil quantity indicating system

2017- 11- 01

李连桂(1991-),男，硕士研究生。研究方向：大型飞机燃油箱闪电间接效应仿真。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.039

TN821

A

1007-7820(2017)08-142-05