基于EMA3D的民机闪电间接效应仿真

阎 芳，段兴旺，赵 聪，马振洋，史春蕾，左 晶

（中国民航大学适航学院，天津 300300）

目前，民机闪电间接效应主要采用仿真和试验方法进行研究。整机闪电间接效应试验不仅耗费大量人力、物力和财力，且易受测试条件干扰，导致试验精度不高，无法较好地开展预测性研究[1]。随着电磁计算方法与仿真软件不断成熟，电磁仿真软件在对整机和设备进行电磁精确计算方面发挥了重大作用。

Perala 等[2]研究了数值分析法在民机电磁效应验证中应用的可能性，详细介绍了电磁仿真软件EMA3D的功能并分析了其在飞机电磁效应研究中的优势。国外，闪电间接效应数值仿真主要针对外部响应，没有考虑飞机内部场强效应及系统和机载设备所处位置的场强。目前，国内针对整机闪电间接效应的数值仿真分析较少且主要集中在表电流密度、电磁场分布及雷击附着区域划分等方面。郭飞等[3]开展了整机闪电间接效应仿真，对表电流密度和舱室内外电磁场分布进行研究，但没有对机身电磁场和传输函数进行研究。张铁纯等[4]研究了机载设备所处的电磁环境，但没有对闪电路径的电磁场分布进行研究，机载设备所处位置也不具代表性。

为了更深层次研究闪电间接效应所产生电场对飞机的影响，首先，研究了机身表面中心处的电场，并对该电场进行了矢量分析；其次，对电场传输函数进行研究，并对频域上的电场进行预测；最后，利用时域有限差分技术，研究了不同闪电路径下的表电流密度，展现了不同路径下表电流密度的分布情况。仿真结果不仅可为民机闪电间接效应提供一定的防护参考，而且对民机闪电间接效应适航研究具有促进作用。

1 仿真环境

1.1 EMA3D 电磁仿真软件

EMA3D 航空电磁环境仿真专用软件由美国EMA公司研发，其在使整个模型网格化同时，也解决了飞机内外部的耦合问题。通过EMA3D 软件可对飞机整体的闪电环境进行仿真分析。

该软件是强大的三维数值求解软件，其在直角坐标系中应用时域有限差分（FDTD,finite difference time domain）方法，几乎可以应用在任何电磁耦合、辐射或交互问题中。同时，其含有1 个并行求解器进行集群计算，可在严格的计算制度下，对航空器进行复杂的高保真仿真，且减少仿真计算时间。

1.2 飞机模型建立

A320 的实际结构较为复杂，在构建模型时忽略其与仿真不相关的设备和结构，针对飞机外形和发动机主体结构进行建模，该飞机的主要参数如下：①机型A320-200；②机身长度37.57 m；③翼展34.09 m；④机高11.76 m。

1.3 仿真激励源设置

根据Aircraft Lighnting Environment and Related Test Waveforms[5]要求，采用双指数函数波形作为仿真激励源，用于飞机间接效应测试的闪电电流波形应有如下要求：①到达峰值的时间小于6.9 μs (±20%)；②下降至半峰值的时间应该是69 μs（±20%）[6]。双指数函数表达式为

f（t）=A[e-αt-e-βt]

其中：A 为电流幅值，A=218 810 A；α 为脉冲前沿参数，α=11 354；β 为脉冲后沿参数，β=647 265。仿真激励源的时域波形如图1所示。

图1 仿真激励源时域波形Fig.1 Time domain waveform of simulated excitation source

飞机闪电间接效应试验采用大电流脉冲注入方法，将电流分量直接注入闪电附着点。根据Aircraft Lightning Zoning[7]规定，闪电附着点和分离点通常为机头、尾翼尖、机翼、发动机、垂尾等突出位置。仿真中闪电电流注入方式有多条路径可供选择，为研究不同注入路径对闪电间接效应的影响，选取两种典型闪电路径进行研究，如图2所示，其中，字母代表闪电附着点，数字代表闪电分离点。路径1（A1）从飞机机头进入，飞机机尾击出；路径2（B1）从右机翼处进入，飞机机尾击出。

图2 闪电注入路径Fig.2 Lightning injection path

2 仿真结果与分析

2.1 表电流密度分布

利用EMA3D 软件对飞机机头及右翼表电流密度分布情况进行仿真研究，如图3和图4所示。

图3 路径1 表电流密度分布Fig.3 Surface current density distribution under path one

由图3和图4可知，飞机表电流分布与闪电路径有关，闪电附着点处的电流密度最大，附着点后的闪电路径电流密度次之，其他区域的闪电电流密度最小。由图4可知，右翼作为闪电电流通道，其附近的表面电流密度也较大，特别是翼尖及右翼的前后缘。通过与文献[5]中给出的标准波形相比较，验证了所构建模型的正确性。

图4 路径2 表电流密度分布Fig.4 Surface current density distribution under path Two

2.2 路径1 的电磁场分布

利用EMA3D 软件研究路径1 的电磁场分布情况，激励源从机头入射，传输矢量沿X 轴负方向，电场极化方向沿Y 轴正方向，磁场方向沿Z 轴负方向。参考国内外激励源仿真时间，将仿真时间设为100 μs。闪电激励源作用100 μs 结束后，路径1 的电磁场分布如图5和图6所示。

图5 路径1 电场分布Fig.5 Electric field distribution under path One

图6 路径1 磁场分布Fig.6 Magnetic field distribution under path One

从图5可看出，电场通过耦合衰减后，在机翼翼尖处的电场强度最高，机头、机身、尾翼等区域场强几乎衰减为0。电场主要分布在机翼翼尖，这是由于尖端越尖，曲率越大，曲率半径越小，表电流密度越高，其附近场强也就越高，且这些部位容易产生尖端放电。从图6可看出，磁场主要分布在机翼和尾翼前后缘等部位。将图6与图3比较，可得路径1 磁场分布与表电流密度基本一致。

2.3 路径2 的电磁场分布

改变激励源入射点，从飞机右翼入射，传输矢量沿Y 轴正方向，电场极化方向沿X 轴正方向，磁场方向沿Z 轴负方向。路径2 的电磁场分布情况如图7和图8所示。

图7 路径2 电场分布Fig.7 Electric field distribution under path Two

图8 路径2 磁场分布Fig.8 Magnetic field distribution under path Two

从图7可以看出，电场通过耦合衰减后，在垂尾处的电场强度最高，机头、尾翼等区域场强次之，机身中部和机翼场强几乎衰减为0。从图8可看出，磁场主要分布在机翼和尾翼前后缘等部位。将图8与图4比较，可得路径2 磁场分布与表电流密度基本一致。

2.4 机身电场情况

利用EMA3D 电磁仿真软件分别对路径1 和路径2 的机身表面几何中心处坐标为（18.785，0，5.88）的电场衰减情况（包括X、Y 和Z 方向）进行研究，如图9和图10 所示。路径1 传输矢量沿X 轴负方向，电场极化方向沿Y 轴正方向，磁场方向沿Z 轴负方向；路径2传输矢量沿Y 轴正方向，电场极化方向沿X 轴正方向，磁场方向沿Z 轴负方向。

对比图9与图10 可知：电场Y 分量最大，且在6.9 μs 附近电场值最大，这是由于仿真激励源在6.9 μs附近达到峰值，从侧面也验证了仿真的正确性；X 和Z分量电场值较小，与Y 分量相比可忽略不计，机身处电场值可认为是Y 分量的电场值；闪电在路径1 和路径2 条件下，电场衰减情况基本相同，且路径1 电场幅值比路径2 电场幅值要大，在6.9 μs附近达到最大值后电场开始衰减。

图9 路径1 电场情况Fig.9 Electric field under path One

2.5 电场传输函数

传输函数定义为系统响应与系统激励源的比值，对同一系统而言，若系统传输函数已知，则可确定任意激励所产生的响应。因此，对于民机而言，利用EMA3D 电磁仿真软件得到了电场传输函数，仿真激励源已知，可求得民机的电场响应。由图11 可知，无论是路径1 还是路径2，在1.8 MHz 附近电场响应最大。

图10 路径2 电场情况Fig.10 Electric field under path Two

图11 电场传输函数Fig.11 Electric field transfer function

3 结语

数值仿真技术对飞机闪电间接效应的测试有重要意义。与其他研究方法相比，时域有限差分法不仅可对不同路径下的表电流密度分布和电磁场分布进行了研究，还能对机身电场情况及电场传输函数进行更深层次地仿真分析，为闪电防护提供一定的参考。

1）飞机表面电流密度与闪电路径有关，在闪电附着点处电流密度最大，附着点后的闪电路径电流密度次之，其他区域电流密度较小。

2）电场分布与闪电路径有关，闪电路径为机头到尾翼时，电场主要分布在机翼翼尖部位，机头、尾翼等部位场强较小。闪电路径为右翼到尾翼时，电场主要分布在机头、尾翼等部位，机翼场强较小。磁场的分布与表电流密度分布基本一致。

3）机身上表面中心处受到闪电间接效应产生的电场主要以Y 分量为主，不同路径下的电场衰减情况相同，且闪电路径以机头进入机尾击出的电场幅值比闪电路径以右翼进入机尾击出的电场幅值要大。

4）通过对电场传输函数进行分析，无论是以机头进入机尾击出的闪电路径还是以右翼进入机尾击出的闪电路径，均在1.8 MHz 附近电场响应最大。

通过电磁仿真软件对民机闪电间接效应进行研究，不仅降低了试验成本，而且提高了试验精度，促进了民机闪电间接效应试验研究，研究结果可为民机适航标准制定提供参考。