基于数值仿真的飞机雷电流传导通路评估方法

2021-03-05甄国帅臧家左祁雪峰

航空工程进展 2021年1期

甄国帅，臧家左，祁雪峰

(沈阳飞机设计研究所电磁环境效应航空科技重点实验室，沈阳 110000)

0 引言

飞行器不可避免的会遭遇雷击，巨大的雷电及电磁辐射能量使得飞行事故时有发生，民航飞机的雷电防护有着严格的适航要求。雷电对飞行器的危害一般分为直接效应危害和间接效应危害。雷电直接效应危害可以根据SAE ARP5416A和RTCA/DO-160G通过部件级试验进行验证评估。雷电间接效应危害情形复杂，一般需要进行整机试验，确认机载系统与设备的防护指标，指标过低，飞行器的雷电防护设计存在安全隐患，指标过高，则要付出重量、体积和成本的代价。

为降低雷电间接效应危害，研究者开展了大量研究，一方面通过理论计算或整机试验，揭示飞机雷电电磁耦合的主要机制有开口耦合、扩散耦合及电流重分布等；另一方面，研究者提出了飞机雷电耦合的主要波形类型、参量范围和防护手段等。随着电磁仿真技术的发展，研究机构逐步具备模拟飞机雷电耦合、扩散和重新分布过程的能力，依靠飞行器整机数字模型也可以进行雷电间接效应仿真及防护设计，既可以节约大量试验经费又避免了机载设备在试验中毁伤的风险。

国外，雷电间接效应仿真软件主要以EMA3D软件为主，基于该软件相关飞机设计公司及研究机构在20世纪末进行了大量的雷电间接效应仿真与试验验证工作，提升了仿真结果的可信度。国内，中国商用飞机有限责任公司、中国民航大学以及合肥航太电物理技术有限公司等也基于EMA3D进行了燃油箱、液压系统、设备舱等相关雷电防护研究。国内大多数高校及研究机构出于EMA3D软件成本或采购限制等方面的原因，主要基于另一款电磁仿真软件CST进行地面目标和飞行器的雷电间接效应仿真研究工作。

在国内已经完成的飞行器雷电间接效应研究中，雷电流在飞行器的传导通路主要为金属蒙皮，既不符合新型飞机大量使用轻质化复合材料机体蒙皮的发展现状，又不符合复合材料占比提升后主要依靠飞机内部金属结构传导雷电流的实际情况。尤其在飞机内部结构建模方面很少有人提及，严重制约着国内飞行器雷电间接效应仿真及评估技术的发展与工程应用。单纯依赖雷电间接效应试验进行飞机雷电防护设计，既不经济又要承担很大的设计风险，国内亟需针对复合材料飞机进行内部结构建模研究，并在飞机内部结构模型的基础上进行雷电流传导通路仿真评估研究。

本文提出基于飞机内部结构建模技术的飞机雷电流传导通路评估方法，构建部分F22飞机内部金属结构的电磁仿真模型，搭建从左机翼到右机翼的雷电流传导通路，根据飞机内部的磁场分布和机载线缆感应的短路电流对传导通路的防护效果进行评估。

1 机体内部结构电磁建模

飞行器内部结构复杂，各种机载系统、设备、线缆线束、油箱、发动机以及弹舱等占据了绝大部分的空间，如果不能根据雷电流的传导特性进行裁剪，飞机内部结构的电磁建模几乎不可能实现。

飞机内部结构的建模需要从电磁学出发抓住重点进行等效建模。从雷电流沿飞机内部金属结构的传导来看，内部结构的传导电阻是最为重要的。结合飞机内部结构的安装特点，飞机内部结构表面一般涂覆有防腐蚀层，内部结构之间一般是绝缘的，主要通过螺钉实现紧固并保持电连续性。因此飞机内部结构的建模既要考虑自身的传导电阻又要兼顾结构之间的搭接电阻。

从内部结构的传导电抗来看，包含电容和电感控制两个方面。内部结构之间的相对位置应与实际情况保持一致，保证内部结构之间电容的一致性；电感主要产生在内部结构表面，需要保证内部结构表面积的一致性。

出于减重等目的，飞机内部结构大量采用“工”字型，为了表面积的一致性可以简化为“口”字型，同时可以保证内部结构与机体蒙皮搭接面积的一致性。

从上述限制因素出发，构建的F22飞机机翼段内部结构模型如图1所示。该模型主要有三个部分：一是飞机机体蒙皮，主要参照结构专业的数字模型进行修复建模；二是机体内部结构，机体内部结构的建模主要基于上述限制，在保证内部结构外形、相对位置一致性的同时，对其电导率进行等效替代；三是机体内部金属结构与机体蒙皮的搭接面，搭接面一般为密集的铆钉紧固件。

(a) 飞机及内部结构示意图

(b) 机体蒙皮与内部结构搭接面示意图

F22飞机机体内部的金属结构如图1(a)所示，根据直流情况下的电导率匹配结果，机体内部金属结构的电导率大致为4×10S/m，厚度为5 mm；机体蒙皮与飞机内部结构的搭接面如图1(b)所示，搭接面的电导率设置为1×10S/m，厚度为1 mm；非搭接区域的机体蒙皮假定为电导率为1×10S/m的复合材料，厚度为1 mm，并可能铺设有电导率为1×10S/m的金属网，金属网厚度为0.075 mm。上述材料的相对介电常数和相对磁导率均设置为1，不同材料的差异主要体现在电导率方面。

2 仿真场景的布置

考虑雷电流从左机翼进入和右机翼流出的场景，如图2所示。

图2 飞机雷电间接效应仿真场景示意图

在机体内部传导通路附近区域布置电磁场监测器如图3所示。在机体内部传导通路附近区域布置1 m长的线缆如图4所示，线缆分为两部分，一部分监测短路电流，一份监测开路电压。雷电流激励波形参照SAE ARP5412-2013的雷电流A分量设置。

图3 电磁场探针布置示意图

图4 线缆布置示意图

三种仿真场景类型说明如表1所示，场景1和场景2用于对比1 mm厚复合材料和0.075 mm厚金属网的防护效果，场景2和场景3用于对比机体内部结构对雷电流传导的影响。场景3中由于存在机体内部金属结构，机体蒙皮与内部结构之间存在搭接面。

表1 仿真场景类型说明

3 磁场强度分布分析

3.1 扩散耦合和电流重分配机制

通过机翼三个不同位置的磁场探针分布(如图5所示)，观察飞机雷电耦合时的扩散耦合机制。场景1和场景2磁场强度仿真结果如图6所示，可以看出：距机翼后缘位置越近曲率半径越小，磁场越快达到最大值，表明扩散耦合机制越快；场景1中三个探针的磁场强度更快达到最大值，表明复合材料机体蒙皮的扩散耦合机制更快。

图5 机翼三个不同位置的磁场探针布置示意图

(a) 场景1

(b) 场景2(探针1)

在图5中，探针1接近机翼后缘，场景1和场景2中的磁场强度基本一致，这种现象还可以在接近机翼前缘的探针位置观察到，代表着在曲率半径过小的区域几何结构对雷电屏蔽效果的影响强于材料的影响。

通过对比不同时刻的雷电流分布，可以观察雷电耦合时的电流重分配机制。场景1的雷电流再分配机制如图7所示，可以看出：场景1下，8 μs时刻雷电流的能量以高频分量为主，雷电流沿机体边缘(机翼外缘)传导，但到了180 μs时刻，雷电流能量以低频分量为主，雷电流沿最短传播路径传导。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

场景3的雷电流再分配机制如图8所示，场景3中存在机体内部金属结构，可以看出：雷电在180 μs时刻主要沿机体内部金属结构传导，因为机体内部金属结构的传导能力远强于金属网蒙皮。

(a) 8 μs

(b) 180 μs

3.2 机体内部结构对磁场强度分布的影响

机体截面选取前视图及俯视图如图9所示，图中红色横线所示即为选取的水平截面，通过该截面对比场景2和场景3中的机体内部感应的磁场分布。

(a) 截面选取前视图

(b) 截面选取俯视图

场景2和场景3中从2 μs到200 μs选取100个时刻的磁场分布情况分别如图10～图11所示，可以看出：场景2和场景3中磁场的差别主要集中在机体内部金属结构所在区域，雷电流沿机体内部金属结构传导，增强了金属结构周围区域的磁场。

图10 场景2中选取截面的机体内部磁场强度

图11 场景3中选取截面的机体内部磁场强度

在图3所示的34个磁场探针中，场景2和场景3中的探针磁场强度对比如图12所示，根据对比结果可以将机体划分为四个区域，四个区域对应的磁场探针位置布局如图13所示。

图12 场景2和场景3探针磁场强度对比

(a) 区域1

(b) 区域2

(d) 区域4

从图12～图13可以看出：在内部金属结构附近区域，受内部金属结构传导雷电流影响，场景3的磁场大于场景2的磁场，例如区域1；相反的，远离内部金属结构的区域，则是场景2的磁场大于场景3的磁场，例如区域2和区域4；区域3受所处位置曲率半径过小的影响，雷电能量很容易进入机体内部，内部金属结构的有无对该区域无影响。

4 线缆感应电流强度分析

飞机内部的线缆布置如图4所示，共计26根线缆，13根用于监测短路电流，13根用于监测开路电压。三种场景监测到的短路电流形式均如图14所示，电流强度的差别如表2所示。监测到的开路电压如图15所示，开路电压在15 V以内，部分开路电压过小未显示。

图14 场景3中线缆监测到的短路电流

图15 场景3中线缆监测到的开路电压

在表2中，场景1比场景2中线缆感应的短路电流最大值高25倍左右，表明复合材料对雷电的屏蔽效果远弱于金属网，而且场景1中的线缆短路电流普遍大于SAE ARP5412B中电流波形5A和5B最高防护等级5 000 A短路电流。对比场景2和场景3，除线缆3、9和12以外，场景3的线缆短路电流强度均小于场景2的短路电流强度，其中一半线缆的短路电流最大值下降了1/2。

表2 三种场景的线缆短路电流最大值

结合机体内部的磁场强度分布，虽然机体内部金属结构将雷电流引入到机体内部导致机体内部的磁场增强，但是由于内部金属结构的雷电流传导能力远强于金属网，更多的雷电能量以电流的形式沿着内部金属结构传导，向外辐射的电磁能量反而较弱，线缆感应到的电流也更弱。对于机载系统和设备雷电防护而言，由内部金属结构组成的雷电流传导通路起到了很好的防护效果。