HIRF环境下飞机复合材料燃油箱屏蔽效能研究

孙 斌, 吴天航, 张 松, 王建国, 胡 静, 司晓亮

(1.中国民航大学 航空工程学院,天津 300300; 2.安徽省飞机雷电防护重点实验室,安徽 合肥 230031; 3.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室,安徽 合肥 230031; 4.合肥航太电物理技术有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引 言

高强度辐射场(high-intensity radiated fields, HIRF)是指民用飞机在飞行过程中可能遭遇的由舰船雷达、机场监视雷达、无线电台和甚高频电视发射台等人类活动造成的电磁环境[1],其频率范围高达10 kHz～40 GHz。燃油系统作为飞机上主要分系统之一,在HIRF环境下的安全性直接影响着飞机的飞行安全,而其中燃油箱是HIRF环境下需重点防护研究的部分。由于复合材料对HIRF环境屏蔽效果较差,在油箱内产生的电磁场感应电流、电压可能会产生火花,点燃燃油蒸汽,从而引爆燃油箱[2]。

飞机复合材料燃油箱在HIRF环境下的防护有效性主要取决于燃油箱的屏蔽特性,而屏蔽效果通常用屏蔽效能(shielding effectiveness,SE)来进行描述,屏蔽效能通常表示为屏蔽后某点的电场强度与屏蔽前该点的电场强度之比,在工程计算中常使用dB为单位[3-4],SE计算公式为:

(1)

其中,Eint为屏蔽后的电场强度;Eext为屏蔽前的电场强度。

在屏蔽效能问题研究方面,很多研究通常从时域、电磁屏蔽的角度借助于时域有限差分法(finite difference time domain method,FDTD)开展,且研究主要集中于导电舱体或复合材料本身,对于具体的复合材料飞机系统结构研究甚少。文献[5]基于Robinson模型提出了一种可计算带有非中心孔阵金属屏蔽舱体屏蔽效能的修正模型;文献[6]研究了在HIRF环境下不同尺寸的开孔对导电舱体屏蔽效能的影响;文献[7]研究了不同类型的碳纤维增强树脂基复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)单层层压板在100 MHz～18 GHz时的屏蔽效能;文献[8]介绍了金属和碳纤维增强柔性聚合物的复合材料在电磁干扰屏蔽性能方面的最新进展;文献[9]通过FDTD研究了不同类型的线缆在HIRF环境下的电磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)问题。上述研究表明,尽管在金属舱体的屏蔽效能方面已有一定的研究成果,但针对复合材料油箱舱体的研究较少,值得进一步探讨。

本文通过建立飞机复合材料燃油箱的简化仿真模型,从频域角度使用试验与仿真相结合的研究方法,研究在HIRF环境下,油箱内部不同位置、电磁波辐照方向、天线极化方向与不同防护方式对飞机复合材料燃油箱屏蔽效能的影响规律,为飞机复合材料燃油箱在HIRF环境下的设计与防护提供参考。

1 复合材料燃油箱屏蔽效能试验研究

因为在HIRF环境下,电磁波一般通过缝隙或孔洞耦合进入飞机燃油箱,所以通过低电平扫频场(low-level swept field,LLSF)试验方法对飞机复合材料燃油箱壳体HIRF屏蔽效能进行研究。

试验件为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm的碳纤维复合材料立方体油箱模型,表面铺设了金属铜网,一侧开有一个200 mm×200 mm的输/放油孔,试验操作严格按照SAE ARP 5583A标准执行,并在其内部放置了机械搅拌器,以保证非封闭舱室内的场均匀性以及测试结果的有效性。

1.1 场强校准

在进行LLSF试验之前需要进行场强校准,校准时将接收天线置于测试点,校准布置如图1所示。发射天线与测试点之间距离为10 m,为远场区辐照。发射天线通过水平与垂直2种极化方式输出频率信号,并从不同方向对测试点辐照,保证所有进入飞机燃油箱的泄漏点被辐照。

图1 LLSF场强校准布置图

在实际测试时,场地因素会对LLSF试验造成一些影响,如周围建筑物与地面反射。因此在进行试验测试时,每移动一次发射天线都需要进行重新校准,以保证测试点的场强处于1 V/m,从而降低周围环境对试验结果的影响。

试验时用到的发射天线类型见表1所列。在100 MHz～1 GHz频率范围内使用光纤线缆将接收信号传输至接收系统,超过1 GHz时使用低损耗同轴线缆进行传输。

表1 LLSF发射天线类型

场强校准过程为由发射天线从信号源发射信号,并使用功率放大器放大到适当的电平,使接收天线在测试频段接收到的场强电平稳定在1 V/m,并记录此时的前向功率以供后面测试使用。所有发射天线的辐射方向均需在垂直和水平2种极化状态下进行。

1.2 试验测试

进行LLSF试验测试时,将飞机复合材料燃油箱试验件置于测试区域,再将接收天线放在油箱内部待测位置,始终保持发射天线与接收天线之间的距离为10 m,其他布置与校准时保持一致,试验布置如图2所示。

图2 LLSF试验布置图

测量油箱内测试位置场强时,使用校准时记录的前向功率驱动发射天线对油箱进行辐照。使用频谱分析仪和计算机对测试得到的油箱内部场强进行归一化数据处理,从而得到油箱的衰减函数(屏蔽效能曲线),再通过线性外推得到不同HIRF环境下油箱内部场强的大小。

油箱内部选取9个测试点,分别位于距离舱体各面200 mm处及舱体中心处,如图3所示。在100 MHz～2 GHz测试频段内,发射天线处于垂直极化方式时,选取典型测试点3、5、6进行研究,其屏蔽效能如图4所示。

图3 油箱内部测试点示意图

图4 典型测试点屏蔽效能

通过试验发现在100 MHz～2 GHz频段,油箱舱体中心测试点5位置处的屏蔽效能较好,而开孔中心测试点6位置处的屏蔽效能较差,但400 MHz之后舱体中心与测试点3位置处屏蔽效能相差不大。

2 复合材料燃油箱屏蔽效能仿真研究

为进一步开展复合材料燃油箱HIRF防护性能研究,利用电磁仿真软件CST对飞机复合材料燃油箱进行数值模拟仿真,建立复合材料燃油箱简化仿真模型。

该模型结构为规则立方体结构,尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm,在油箱Z方向两侧边设置为导电缝隙结构,并在其中一侧设置了一个尺寸为200 mm×200 mm的正方形开孔用于模拟输/放油口,与试验件保持一致。油箱蒙皮材料采用型号为T300/3021的CFRP材料,其碳纤维体积分数为60%,碳纤维铺层结构为[10][-45/45/0/90/-45/0/45/0/90/45/-45]S。油箱模型厚度设置为3 mm,每层铺层厚度为0.15 mm,在最外层选取铜网进行防护。在油箱中心P1(0,0,0)、开孔中心P2(300,-300,300)、P3(-300,300,-300)3个位置分别设置场强探头,探头具体位置如图5所示。

图5 模型内场强探头位置

仿真时边界环境设为理想条件,在0～2 GHz频率下采用1 V/m的均匀平面波进行辐照,以保证场均匀性,并得到内部各处场强探头的场强值,再通过(1)式计算得到该点处的屏蔽效能。

2.1 不同位置对屏蔽效能的影响

在入射波沿-X方向垂直极化时(与试验工况一致),得到P1、P2和P3位置处的屏蔽效能,并与试验结果进行对比,如图6所示。

图6 不同位置处的屏蔽效能试验及仿真效果对比

由于油箱舱体往往可以看作谐振舱体,其谐振频率计算公式为:

(2)

其中,a、b、h分别为矩形舱体的长、宽、高;m、n、p分别为谐振波的模,一般取0或整数;c为光速;f为频率,通过计算得到油箱的谐振频率约为212 MHz。

由图6可知,仿真建立的是理想模型,得到的仿真结果曲线较为平滑,试验中由于存在非理想情况,且试验件所用CFRP材料参数与仿真略有差别,因此其屏蔽效能曲线存在差别。试验结果的谐振频率要比仿真结果小,这是由于试验油箱舱体存在壁耗,壁耗会降低谐振频率,抑制谐振[11],且由于Z方向两侧设置了孔缝,因此在谐振点2条曲线略有差异。但曲线变化趋势基本一致,在400 MHz以后高频段重合性较好,这是由于400 MHz频段后,电磁波波长较短,孔缝便成为外界电磁波进入油箱内的主要耦合途径。在P2位置时,由于开孔的存在,HIRF耦合参量大,屏蔽效能比在P1和P3位置时更差。

以上研究结果表明,油箱内部越靠近开孔的位置,其屏蔽效能越差。从整体上看,针对复合材料燃油箱屏蔽效能的仿真与试验结果有相近的幅值和变化规律,证明了仿真模型和试验方法的正确性和可行性。

2.2 不同辐照方向对屏蔽效能的影响

在入射波分别沿+X、-X、+Z、-Z4个方向垂直极化时,获得P1、P2位置处的屏蔽效能,如图7所示。

图7 不同辐射方向下的屏蔽效能

因为在-Z方向油箱壁板上有开孔,所以当辐照方向为-Z方向时,油箱各处屏蔽效能均要低于辐照方向为+Z、+X和-X方向时的屏蔽效能,P2位置甚至出现了负值的屏蔽效能,这是由于此时油箱舱体产生了场强增强效应。在辐照方向为+X时,P1和P2位置处的屏蔽效能在低频段略高于辐照方向为-X时的屏蔽效能,这是由于开孔距离油箱模型-X方向一面距离近,但因为不是直接正面辐照开孔,所以差别不是很明显。

2.3 不同天线极化方向对屏蔽效能的影响

在入射波沿-X方向辐照时,改变天线的极化方向,比较其在垂直极化与水平极化2种状态下对油箱屏蔽效能的影响,得到P1、P2位置处的屏蔽效能,如图8所示。

图8 不同天线极化方向下的屏蔽效能

上述计算结果表明,在发射波沿-X方向辐照时,垂直极化下的油箱屏蔽效能要高于水平极化下的屏蔽效能,但相差不大。这是由于油箱Z方向两侧设置为缝隙结构,由孔缝理论可知,入射波电场方向与矩形孔缝长边垂直时,屏蔽效能比入射波电场方向与矩形孔缝长边平行时更差。

2.4 不同防护方式对屏蔽效能的影响

在HIRF环境下,飞机复合材料燃油箱的防护通常采用表面铺贴铜网、铜箔和铝箔的方法。因此入射波在沿-X方向垂直极化辐照下,分别对油箱模型表面铺设相同厚度的铜网、铜箔与铝箔,铜和铝均选择CST自带的纯铜和纯铝材料,其中纯铜的密度为8 930 kg/m3,电导率为5.8×107S/m;纯铝的密度为2 700 kg/m3,电导率为3.56×107S/m。获取不同位置处的屏蔽效能如图9所示。

图9 不同防护方式下的屏蔽效能

研究表明在相同条件下,铺贴铜网、铜箔与铺贴铝箔均能有效提高复合材料油箱的屏蔽效能,但是由于油箱模型整体较为密闭,开孔较小,因此铺贴铜箔与铝箔对油箱屏蔽效能的影响差别不大,但铺贴铜网的屏蔽效果较好。

在实际使用过程中,由于金属铝与碳纤维会发生电偶腐蚀,当将金属铝箔用于碳纤维复合材料上时,需要在铝箔与碳纤维板中间加一层玻璃纤维。可见采用铝箔进行复合材料燃油箱HIRF防护不具有重量优势,因此多采用铺贴铜网/铜箔。

3 结 论

本文通过对飞机复合材料燃油箱进行LLSF试验和建模仿真,研究了在HIRF环境下复合材料油箱的屏蔽效能受不同因素的影响规律,试验及仿真分析表明:

(1) 在飞机复合材料燃油箱内不同位置处的屏蔽效能受孔缝位置的影响,离孔缝越近,其位置处屏蔽效能越差。

(2) 在相同极化方式下,当电磁波直接正面辐照开孔时屏蔽效能最差,甚至会出现场强增强效应,而其他方向屏蔽效能基本相同。

(3) 电磁波极化方向垂直于矩形孔缝长边时,比平行时屏蔽效能更差。

(4) 复合材料油箱表面铺贴铜网、铜箔和铝箔均能提高油箱舱体屏蔽效能,在小开孔情况下,2种金属箔差别不大,但铝箔防护会导致整体重量更大。

(5) 通过试验和仿真结果表明,在低频段时,HIRF主要是通过线缆及蒙皮表面线性耦合进入油箱,而在400 MHz之后的高频段时,HIRF主要是通过开口或孔缝进入油箱,因此HIRF耦合参量大。结果得到的屏蔽效能曲线整体趋势印证了这点,同时也表明了试验及仿真结果的合理性。

综上所述,在低电平扫频场测试频段,复合材料油箱上的孔缝会对油箱的屏蔽效能产生较大影响。因此,在实际设计和生产中,电磁敏感度较高的设备应尽量放置在远离输/放油口等明显孔缝位置的区域,并且尽量防止复合材料油箱孔缝被电磁波正面辐照;复合材料油箱表面蒙皮应做好相应HIRF防护措施,如铺贴金属铜箔/铜网;孔缝处可用导电橡胶进行填充,以此提高复合材料燃油箱在HIRF环境下的屏蔽效能。