射频仿真/电磁兼容技术直升机载雷达雷电防护设计

陈皓晖 刘 洁 李万玉

(1.中国人民解放军32382部队 北京 100071;2.西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直升机载雷达安装在直升机平台上，特别是雷达前端天线单元安装在直升机机腹后部，遭遇雷击可能性很大。一旦遭受雷击可能造成雷达性能下降影响任务的完成，内部设备损毁影响正常的工作作业活动。因此需要对直升机载雷达系统进行综合性的雷电防护设计。雷达系统雷电防护设计按雷达设备直接效应防护、雷达设备间接效应防护、雷达设备累积效应防护和雷达设备雷电防护搭接等设计进行[1]。

根据直升机上部件或设备受雷击后损伤或功能失效可能对直升机飞行、着陆及乘员安全造成危害的程度，将机上部件和设备危害等级分成三类，其中雷达按二类设备进行雷电防护设计。二类是关系到直升机飞行或任务完成的分系统、设备和部件，雷电对其损害可能造成人员伤害或影响任务的完成。这类设备和部件有：雷达天线罩、综合通信系统、战场监视雷达、敌我识别/二次雷达、任务数据处理系统、雷达天线收放装置、组合导航系统、机电管理系统等。

1 雷达雷电防护设计要求

根据GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》、GJB 2639-1996《军用飞机雷电防护》及HB 6129-1987《飞机雷电防护要求及试验方法》要求，对雷达进行雷电防护设计，确保雷达在经受一次200kA的直接雷击附着或邻近发生的雷击时，不影响飞行并安全着陆且不危及人员安全[2]。

在进行直升机载雷达雷电防护设计时，一般按照如下要求进行：

1)根据雷达所处的雷电区域，结合直升机结构外形，分析雷电导入导出点，设计雷电导流通道。借助机体结构或设计雷电导流条为雷电流提供稳定的低阻抗导流主通路，使雷电流安全分流。

2)机体结构、各部件结构之间通过安装螺栓或使用金属编织带或搭接条搭接，使外部蒙皮在遭受雷击时具有低阻抗通道传输雷电流，防止直升机受雷击时关键部件或设备的损坏、内部机载设备功能降级或失效。

3)尽量在受雷击可能性较低的区域，如3区等。

4)位于雷电分区1区的雷达采用复合材料结构部件，必须进行雷电防护设计。对复合材料部件进行金属化防护时，可采用如下两种方式：①复合材料结构外表面敷设金属网(如铜网)或喷涂导电漆(如银漆)，减少位于1区的部件受雷击引起的损害；②复合材料结构外表面预埋金属条(如铜条等)或非线性半导体材料(如纽扣式雷达天线罩导流条等)，防止雷电在系统关键部件或部位的附着，其中预埋的金属条需良好搭接到直升机体主导电通道上，金属条应尽可能短，金属条和紧固螺钉应能承受雷电电流的冲击[3]。

5)雷达结构和雷达关键性部件如雷达天线罩等进行雷电防护设计，不应由于雷击造成灾难性的损坏，以致直升机不能安全飞行和着陆。

6)二类机载设备进行雷电防护设计，不因雷击产生永久性损坏，雷击后功能恢复正常。

2 直升机载雷达雷电防护设计

在进行雷达雷电防护设计时，首先确定雷达安装在直升机上的位置，即可确定雷达所在的雷电区域类别，然后再结合直升机结构机体结构设计雷电导流条，为雷电流提供稳定的低阻抗导流主通路，使雷电流安全分流[4]。对某直升机各区域划分，雷达处于1B区，如图1所示。1B区是雷达遭受初始附着和首次回击可能性很大，雷电通道在直升机上的附着点长时间驻留可能性很大的区域，因此，需要对雷达进行综合性的雷电防护设计。

图1 直升机分区图

2.1 雷达设备直接效应防护设计

雷达前端单元安装在直升机机腹后部雷电分区1B区，遭遇雷电电弧的附着及伴随着雷电流的高压冲击波可能性很大。一旦遭受雷击可能造成雷达性能下降或影响任务的完成，内部设备损毁，影响正常的工作作业活动。因此需对雷达前端单元进行直接效应防护设计[5]。在雷达前端单元中，伺服单元为金属结构件，通过螺栓直接与机体结构进行连接固定，并通过搭接在电气上形成整体，能够使雷电电流安全分流。而最容易因受到雷击的是雷达天线罩，雷达天线罩为玻璃纤维复合材料结构件，位于雷电分区1B区，因此需对雷达天线罩采取适当的防护措施[6]。雷达天线罩由石英布制成，为蜂窝夹层结构，厚度 9mm，天线罩外形为长方体，内部天线为长方体，与天线罩距离较近，最小距离为7mm。考虑雷达天线有一面透波要求，雷达天线罩直接效应防护采用五面敷设导流条，对天线罩进行雷电防护设计，该设计包含导流条选择、设计布局、雷电流通路布置、导流条安装工艺等重要内容。

2.1.1 导流条设计

雷达天线罩五面敷设雷电导流条进行直接雷击效应防护。SZ-DLT10片段式导流条是一种新型雷电导流条，它包含一系列薄的导电片，用阻性材料互相连接，紧固于复合材料基带上，之后基带再粘接于雷达天线罩表面。SZ-DLT10片段式雷电导流条工作原理如图2所示。

图2 片段式导流条导流原理图

在正常情况下，由于金属片段之间存在间隙，导电通道处于断开状态，整个导流条属于绝缘体；当飞机遭遇雷击时，相邻金属片段两端开始聚集大量电荷，并产生羽毛状的电弧，当电压达到一定值时，金属片段便会击穿上方空气，形成电离通道，雷电流可以经过此通道，传导到安全的地方[7]。由于雷电流是从导流条上方的空气电离通道传导，并不经过导流条本身，因此不会对导流条自身造成破坏。SZ-DLT10片段式导流条如图3所示，具有重量轻、厚度薄、透波性能好、雷电防护性能力强等特点，对天线干扰小。因此国外新设计的飞机,包括F15J、F16、F18、F22、C-130、EC-1、Boing787、Airbus400M等型号基本都采用这种导流条。

图3 SZ-DLT10段式导流条

2.1.2 导流条布局

1)导流条排布方向：为使雷电顺利导入机身，导流条应尽量按照离接地位置最短距离方向原则进行分布， 因此确定导流条排布方向为从罩体中心向边缘处延伸，并平行于两侧边框。

2)导流条间距：对于导流条的最大间距，有经验公式(1)为

(1)

其中：Dmax为雷达天线罩上导流条允许的最大间距，单位为mm；T为雷达天线罩壁厚，单位为mm；k为表面状态系数，与外表面雷达天线罩涂层有关，适用于表面电阻系数不低于0.5MΩ的各种涂层，如防雨蚀涂层等，通常情况下，k=1；S为安全因子，与雷达天线罩壁厚有关，S与T之间的关系可以用图5表示。由于雷达天线罩壁厚度为9mm，相应的S为1.1，根据公式(1)可得到雷达天线罩上导流条允许的最大间距Dmax为370mm。如存在两根导流条覆盖范围可能重叠的情况，可适度进行调整。

结合雷达天线罩的尺寸形状，布局7根导流条进行雷电防护设计，如图4所示。其中：1#导流条沿天线罩长度方向布置，由天线罩一层贯穿天线罩表面，对天线罩上表面进行防护；2#、3#、4#和5#、6#、7#导流条位于天线罩侧面，对侧边进行防护，导流条间距为365mm，由于侧面遭受雷击概率较低，因此导流条间距适当宽一些。

图4 导流条在雷达天线罩面初步布局

图5 安全因子S与雷达天线罩壁厚度T曲线

3)导流条接地

导流条布局解决了雷电接闪的问题，雷电流如何传导至机身形成雷电流通路，必须考虑传导路径的通流能力。金属紧固件与安装边框需形成可靠的电连接，根据GJB2639的要求，二者间搭接电阻不大于5mΩ；采用搭接线通过紧固螺栓连接，使天线金属边框的搭接线与滑环防雷接地导线和直升机基本结构构成良好的搭接，形成低阻抗通路。

图6 导流条接地方式

2.1.3 导流条安装

SZ-DLT10导流条采用粘接和螺钉固定方式安装在雷达天线罩上，粘接效果如图7 所示。粘接剂采用环氧结构胶黏剂，保证导流条牢固附着在雷达天线罩表面。导流条需粘接在未喷涂的雷达天线罩表面，即在雷达天线罩进行表面喷涂之前，应完成导流条安装工作；导流条金属片应暴露在外，不能进行喷漆和涂覆。如果雷达天线罩已经完成喷漆，也可以将导流条粘接在雷达天线罩表面。粘接完成后，如果天线罩使用环境恶劣，还可以使用边缘密封剂在导流条四周进行封边处理，对粘接界面进行保护，提高安装可靠性，具体如图8所示。

图7 导流条安装效果图

图8 导流条安装效果图

2.2 雷达设备间接效应防护设计

雷电间接效应是雷电放电在电子设备中引起的过电压和过电流所造成的设备损坏或干扰。在雷达中，雷电放电将会引起雷达前端单元(天线/伺服单元)、信息处理单元、操控单元及敌我识别等电子设备的过电压和过电流损坏或干扰，因此需对此进行雷达设备间接效应防护设计，确保遭受雷击时，不会出现故障、永久性的损坏或有害的瞬态误动作。雷达各单元电子设备中的电源、通讯及控制线路安装雷电抑制器进行间接效应防护措施如下：

1)电源防护措施：为了避免雷击瞬间感应的强大雷电流沿外挂雷达天线电缆侵入舱内，对舱内设备造成损坏，应在AC设备电源前端分别并联安装一套电源复合SPD。另外在DC设备电源前端分别安装一套电源复合SPD，可以有效地保护供电系统的安全。

2)控制信号接口防护措施：雷达控制信号进入舱内设备前端，应串联安装一套信号雷电抑制器，可以有效地防护感应雷电流通过控制信号线路对雷达设备造成损坏。

3)中频控制信号接口保护措施：雷达天线中频控制信号进入舱内设备前端，应串联安装一套信号雷电抑制器，可以有效地防护感应雷电流通过中频控制信号线路对雷达设备造成损坏。

4)伺服控制信号接口保护措施：雷达天线旋转控制信号进入舱内设备前端，应串联安装一套信号雷电抑制器，可以有效地防护感应雷电流通过旋转控制信号线路对雷达天线设备造成损坏。

2.3 雷达设备累积效应防护设计

雷电防护应考虑多次雷击的累积效应。在进行雷电直接效应防护设计时，选用雷电导流条以及雷电间接效应选用的各型雷电抑制器，均能够在设备最大电流范围内经受反复多次雷击[8]，保证设备器件完好；同时所有设备的安装均考虑备件更换的便捷性。

2.4 雷达设备雷电防护搭接设计

雷电防护搭接是雷电防护重要的环节，良好的搭接，可形成低阻抗通路，保证雷电电流通过时不损坏直升机系统或部件、设备，不产生火花，不产生超过500V的感应电压。

雷电防护搭接线的设计要求：

1)主搭接线要求能承受雷电放电电流。

2)在雷电附着可能性小并具有足够数量的搭接线来传递雷电电流的情况下，单根铜质搭接线的截面不得小于4mm2。

3)在雷达天线罩直接附着的导流条、搭接线的截面不得小于20mm2。

4)搭接线应尽可能短，搭接线的接头不允许使用焊接方式连接。

5)需附加搭接线以加强结构或设备的原有搭接线路时，铜线的横截面积不应小于3mm2；若该搭接线承受绝缘段全部电荷时，其横截面积则不应小于6mm2。

6)雷达伺服分系统搭接到直升机基本结构上，搭接电阻不大于2.5mΩ。

7)舱内雷达金属部件及雷电抑制器与直升机基本结构之间的搭接电阻应不大于2mΩ。雷达前端单元(天线/伺服单元)、信息处理单元、操控单元与机体结构进行良好搭接，搭接电阻应不大于2.5mΩ。

4 结束语

本文就直升机载雷达雷电防护进行了设计，对导流条的设计选择、布局和安装进行了详细的分析设计。在直升机载雷达系统中集中了大量的电子设备，电磁环境差且防护困难的问题增加了雷电防护的难度。针对直升机载雷达进行了雷电直接效应防护、间接效应防护、雷电的累积效应防护设计以及雷电搭接防护的设计。通过对雷达进行雷电防护设计，确保雷达在经受直接雷击附着或邻近发生的雷击时，不影响飞行并安全着陆且不危及人员。能消除或抑制雷电对雷达系统内或与系统有关的电子、电气分系统或设备产生的影响,将直升机载雷达受雷击后可能对直升机飞行和着陆及乘员安全造成危害减小到最低，使直升机载雷达性能在复杂电磁环境下充分发挥。