航天特种车辆雷电间接效应防护技术研究

赵京坡，毛子夏，董志涛，苗艳红，王丽伟

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

航天领域公路机动特种车辆主要用于中小型运载火箭的运输和发射。当前对航天特种车辆全天候机动运输、野外长期待机的要求越来越高，雷电作为全天候气候条件之一，应考虑如何避免或降低雷电危害。同时，由于航天特种车辆自身高度较普通车辆更高，且车辆顶部一般设置通信天线和卫星天线，车辆上电子设备和电缆较多，在野外环境下易遭受雷电危害，因此有必要对特种车辆雷电防护技术进行深入研究。

雷电危害主要包括直击雷造成被雷击物的燃烧、溶蚀、爆炸、结构畸变和强度降低等直接效应以及雷电静电感应或当雷电放电时伴随产生的强电磁脉冲感应引起的过电压或过电流对电气电子设备所造成的损坏或干扰等间接效应。直击雷防护一般通过雷电预警躲避、设置避雷针等进行防护,雷电间接效应防护则要在车上采取防护措施。本文主要对特种车辆的雷电间接效应防护进行论述。

1 雷电特性及雷电环境要求

明确雷电特性是开展特种车辆雷电间接效应防护的前提，雷电特性主要包括雷电流持续时间、幅值及频谱特征。此外，依据标准和规范，明确特种车辆雷电环境要求。

1.1 雷电特性[1]

a）实际雷电流持续时间及幅值。

研究显示自然界中的雷电流地闪持续时间：典型值为0.2 s，其变化范围为0.01～2 s，持续时间大于800 ms的概率为百分之零点几。

雷电闪击分为正地闪和负地闪；且一次闪击大多分为3～4 次放电，第1 闪击比随后闪击大。第1 闪击电流峰值平均范围为20～40 kA，发生200 kA 的概率为1%，常见的负地闪回击中，其峰值电流的典型值为20 kA。钟定珠等[2]在广州开展了用火箭引雷试验研究，测得的最大雷电流为17.1 kA。

b）雷电频谱特征。

雷电的能量大多分布在低频部分，90%以上的雷电流能量分布在频率为十几千赫兹以下。

1.2 雷电环境要求

GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》[3]规定了军用系统电磁兼容性的总要求，其中明确了由直接雷击引起的间接效应环境，多重冲击波形第1 波头峰值约为109 kA，多重脉冲组波形峰值约为10 kA。结合实际雷电流幅值特性，考虑防护成本，特种车辆可参照雷电流20 kA 进行雷电间接效应防护设计。

GJB8007-2013《地地导弹武器系统雷电防护通用要求》[4]对屏蔽结构的电磁屏蔽性能提出了明确要求，在10 MHz～1 GHz 频率范围内磁场屏蔽效能不小于40 dB。特种车辆驾驶室、设备舱等舱室结构，在内部设置电子设备并需要为其提供电磁屏蔽功能时，其雷电电磁脉冲屏蔽性能应确定为：10 MHz～1 GHz 频率范围内不小于40 dB。

2 航天特种车辆特点及雷电间接效应危害

2.1 航天特种车辆组成及特点

航天特种车辆是具有运输、起竖和发射中小型运载火箭等多功能的专用车辆，采用多功能集成化设计，可独立完成火箭发射任务。特种车辆一般由特种底盘、火箭发射装置、设备舱、供配电系统、液压系统、温控系统、定位导航系统、测发控系统、指挥控制系统等组成，如图1 所示。

图1 航天特种车辆组成示意 Fig.1 The Composition of Aerospace Special Vehicle

火箭发射装置为火箭提供电磁屏蔽防护、温湿度环境保障和力学环境保障。供配电、温控、定位导航、测发控、指挥控制等系统的电子设备，一般布置在特种底盘驾驶室、设备舱内；特种车辆部分模拟或数字传感器以及一些执行机构的电子设备设置在驾驶室和设备舱外，暴露在大气环境中。电子设备之间通过线缆进行供电和信息交互，处于驾驶室和设备舱外的线缆一般沿车架敷设。指挥控制系统的通信天线、定位导航系统的卫星天线一般设置在驾驶室或设备舱顶部，暴露在大气环境中。

航天特种车辆具有如下特点：

a）为履行全天候发射任务，特种车辆需停留在野外环境长期待机，易遭遇雷电气象条件，需采取雷电防护措施。

b）由于机动式火箭发射地点和发射时间的不确定性，火箭发射地点不一定具备接地装置，临时构建接地装置或不满足发射时间要求。在此条件下特种车辆不能实现车体与大地的等电位连接，在车体上形成的雷电过电流不能泄放至大地，因此特种车辆对雷电防护要求更高。

c）特种车辆驾驶室、设备舱、发射装置等舱室结构在采用金属材质时，能够形成几乎封闭的屏蔽体，具有法拉第笼效应，能为其内部安装的电子设备提供较好的电磁屏蔽环境。但目前舱室结构为实现轻质化，有采用玻璃纤维、碳纤维等复合材料的趋势，对于复合材料舱室应增加导电层结构，保证其电磁屏蔽性能。

2.2 雷电间接效应危害

雷电静电感应或当雷电放电时伴随产生的强电磁脉冲，传播途径主要有传导耦合及辐射耦合两类，特种车辆作为相对独立的车体，同时由于不接大地，雷电电磁脉冲主要以辐射耦合方式入侵。一般来讲，特种车辆易遭受雷电间接效应损坏的原因主要有以下两个方面：a）雷电发生时产生的交变电磁场，通过开口、缝隙等空间辐射，在车辆电子设备表面因电磁感应产生瞬态过电压而造成损坏。b）雷电电磁脉冲在特种车辆各种外露线缆和部件上感应产生瞬态过电压，如车架上的各种线缆、位于车外的传感器和执行机构电子设备、车顶部的天线等，瞬态过电压通过线缆传导形成雷电过电流造成相应的电子设备损坏；其中在电源线上产生的瞬态过电压可能引起车内部电子设备永久性损坏，对电源系统进行雷电防护尤其重要。

3 特种车辆雷电间接效应防护技术

结合特种车辆自身特点和易遭受的雷电间接效应危害，有针对性的采取空间电磁屏蔽、等电位连接、过电压保护等措施，能够有效降低雷电间接效应危害。

3.1 空间电磁屏蔽

a）舱室结构电磁屏蔽技术。

对于驾驶室、设备舱、发射装置等金属材质舱室，能够为其内部安装的电子设备提供较好的电磁屏蔽环境，但应特别注意开孔处的处理，驾驶室应采用屏蔽玻璃，屏蔽玻璃与安装框之间通过导电橡胶实现电连续；设备舱通风窗采用金属蜂窝结构；线缆进线孔采用金属波导管或屏蔽转接板结构。

对于采用复合材料的驾驶室、设备舱、发射装置，通过增加导电层结构、添加磁性材料等方式实现电磁屏蔽。

b）线缆电磁屏蔽技术。

应在车辆上设置金属布线槽，布线槽与车体骨架通过铁质或钢质螺钉连接，电子设备的线缆在设备舱外敷设时应沿布线槽敷设。此外，两根线缆的插接应在设备舱内完成；若两根线缆必须在舱外插接，应选用满足电磁兼容要求的连接器。

对于穿过或进入设备舱的线缆，最好采用具有滤波功能的穿墙插座进行过渡。若考虑成本或其他因素不采用穿墙插座时，应尽量减小进线孔尺寸。

电子设备的线缆应最大限度采用屏蔽线缆，并确保屏蔽层可靠接地。目前，特种车辆供配电系统的线缆由于线径较粗，部分线缆未进行屏蔽，与这些线缆连接的电子设备应加强自身的防雷设计。

为减小线缆的磁场感应回路面积，在敷设线缆时，应尽量减小线缆与设备舱金属壁之间的间隙，将线缆紧靠舱壁布置。线缆避免环形走线，将传输信号的敏感线缆尽量远离舱门、通风口等。

由于光纤介质不受雷电等电磁干扰影响，随着光纤技术的发展，应逐步推广光纤线缆的应用。

3.2 等电位连接

等电位连接的目的是减少雷电流所引起的电位差，对于特种车辆来说，电子设备外壳与车体金属骨架通过金属螺钉或搭接线缆连接，实现电子设备外壳的等电位连接。

3.3 过电压保护

3.3.1 电源系统过电压保护[5]

根据GJB235A-1997《军用交流移动电站通用规范》[6]，对于配备交流发电机组的车辆，交流接线方式应采用IT 方式，即电源中性点与车体绝缘，用电设备外壳直接与车体相连。在发电机组出线处加装一组浪涌保护器SPD，加装方式如图2 所示。

图2 交流供电浪涌保护器加装方式 Fig.2 The Loading Mode of SPD in AC Power Supply

对于特种车辆供配电系统经AC/DC 整流后或采用蓄电池完成直流供电的设备，若负极不接车体，则SPD 加装方式如图3a 所示；若负极接车体，则SPD加装方式如图3b 所示。

图3 直流供电浪涌保护器加装方式 Fig.3 The Loading Mode of SPD in DC Power Supply

3.3.2 天线过电压保护

特种车辆顶部的通信天线、卫星天线应根据被保护设备的工作频率、输出功能、插入损耗、驻波系数、带宽、阻抗特性、接口形式等选择适配的SPD。天线相关馈线应作屏蔽接地处理。

3.3.3 信号线过电压保护

特种车辆外装有多种模拟或数字传感器以及执行机构的电子设备，这些传感器和电子设备与车辆设备舱内的电子设备通过线缆连接，实现供电、通信等功能。GJB 6784-2009《军用地面电子设施防雷通用要求》[7]明确“信号馈线在进入移动车配线架处应安装适配的信号浪涌保护器”。针对特种车辆传感器和电子设备的具体应用，对暴露在设备舱外的传感器和电子设备应根据相关标准加装SPD。

3.3.4 设备舱内电子设备过电压保护

a）电子设备的电源入口处应加装电源EMI 滤波器，并确保滤波器安装位置、壳体接地及相关线缆走线的合理性。

b）电子设备的电源入口处应加装氧化锌压敏电阻、放电管或瞬态电压抑制器。目前，应用最广的为瞬态抑制二极管，用于防过压或防雷击，保护后端电路。

c）电子设备内部应设置DC/DC 稳压模块，能够起到稳压隔离作用。

4 特种车辆雷电间接效应试验

以某航天特种车辆的雷电间接效应试验为例，车辆停放在距离避雷针20 m 处，在避雷针处进行高电压放电和强电流放电，模拟雷电的发生。1.2 MV高电压放电过程中，放电侧靠近车辆处电场最大幅值为2672 V/m；20 kA 强电流放电过程中，车辆附近磁场强度最大幅值为145.7 dBpT，可折算为15.3 A/m；试验过程中在车辆外露线缆上产生的耦合电流最大为0.3 A。

由以上测试结果可以看出，高电压放电和强电流放电过程，分别在车辆附近产生了较强的电场和磁场，并且在车辆外露线缆上产生了耦合电流。GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》[3]规定的地面系统外部电磁环境，10 kHz～40 GHz 范围内峰值为2500 V/m，以上试验电场最大幅值为2672 V/m，超过国军标规定限值，该试验进一步说明，特种车辆应采取额外的雷电防护措施。

5 结束语

本文在梳理雷电特性的基础上，针对航天特种车辆特点及雷电间接效应的产生机理和危害，定性提出了具体防护技术和措施，并总结了某特种车辆雷电间接效应试验的电磁场特性，对后续特种车辆雷电防护研究具有一定的借鉴意义。

特种车辆雷电间接效应防护技术研究仍处于起步阶段，后续需要对实际雷电环境特性、特种车辆雷电耦合特性、雷电环境试验方法及损伤评估方法等进行系统性研究，提出切实有效的防护措施，进而提升特种车辆雷电防护水平。