武器装备防雷标准体系及应用研究

2021-09-03熊秀李红军

装备环境工程 2021年8期

熊秀，李红军

（1.西安爱邦雷电与电磁环境实验室，西安 710077；2.空装驻西安地区第一军事代表室，西安 710089）

雷电对空中、地面及水面的各类装备均会构成威胁，随着我国装备研制水平的不断提高，对雷电防护的重视程度越来越高。在装备防雷工作实践中，标准至关重要，但目前航空、地面、水面各类装备的防雷标准较多存在不完善、不协调甚至冲突的情况，严重制约了防雷工作的开展。鉴于国内防雷标准制定基本参照国外主流标准，文中首先对国外雷电标准体系进行了梳理和比较，进而对国内不同类型武器装备的防雷标准进行技术来源及存在问题的分析。最后结合国内外的探索经验，提出一些标准制订和应用的建议。

1 国际防雷标准体系

国际防雷标准主要包括三大类型：针对航空器的SAE ARP系列标准；针对各类民用设施和设备的IEC标准；针对军用设施和设备的美军标。

1.1 针对航空器的SAE ARP系列标准

美国机动车工程师学会（SAE）制订了一系列与航空器雷电相关的 ARP（Aerospace Recommended Practice）标准，具体包括：ARP 5412B—2013《雷电环境及相关试验波形》；ARP 5413—1999《飞机电气电子系统的雷电间接效应的验证》（2007年取消，由AC 20-136A替代，AC 20-136已更新为B版本）；ARP 5414B—2018《飞机雷电分区》；ARP 5415B—2020《雷电间接效应验证指南》；ARP 5416A—2013《飞机雷电试验方法》；ARP 5577—2002《飞机直接效应验证》。

图1中的 DO160[1]第 22章及 23章虽然不属于ARP标准，但其技术内容完全来源于ARP 5416[2]，可视作 ARP的衍生标准。欧洲的航空雷电标准（EUROCAE发布的ED系列标准）通常与ARP标准等同，且同步发布。另外，一些发布较早的针对军用航空器防雷的标准（如MIL-STD-1757A[3]《航空航天器及硬件的雷电鉴定试验方法》、MIL-STD-1795A[4]《航空航天器及硬件的雷电防护》）均已废止，不再使用，而是直接采用ARP及DO160标准。因此，ARP系列防雷标准几乎可视作国际航空器防雷标准的统一源头。

1.2 针对各类民用设施和设备的IEC标准

针对地面设施和设备的防雷标准以IEC 62305为基础，包括4个标准，如图2所示。

图2 IEC 62305系列标准Fig.2 IEC 62305 standard group

1）IEC 62305-1[5]《雷电防护第一部分：总则》。该标准主要描述了雷电环境及各类雷击的参数，是进行防护设计、仿真及验证的基础。

2）IEC 62305-2[6]《雷电防护第二部分：风险管理》。该标准描述了雷击损失相关的风险评估方法。

3）IEC 62305-3[7]《雷电防护第三部分：建筑物的物理损坏和生命危险》。该标准描述了直接雷击防护系统，包括外部接闪系统和内部搭接系统，以及对接触和跨步电压威胁人身安全的防护措施。

4）IEC 62305-4[8]《雷电防护第四部分：建筑物内的电子电气系统》。该标准描述了建筑物内部雷电间接效应的防护措施。

IEC 62305标准最新版本于2011年发布，其余的针对各类地面设施或系统的防雷标准基本上都是以该标准为基础。如风力发电机标准 IEC 61400-4:2010[9]《风力发电机第24部分：雷电防护》，其中规定的环境、风险评估方法和部分接地搭接方法引自IEC 62305标准，但防护设计方法及试验方法等是根据自身特点来规定的。

IEC 62305-1与ARP 5412B[10]中的标准雷电参数因选用的数据源不同而略有差异，更大的不同体现在试验及分析的波形描述上，见表1。从表1可以看出，2个标准规定的雷电波形参数有明显区别，必然会导致基于这些不同波形的分析、设计及试验也存在较大差别。

表1 标准雷电波形参数差异Tab.1 Lightning waveform parameter differences between two standards

1.3 针对军用设备的美军标

MIL-STD-464C[11]《系统电磁环境效应要求》由美国国防部于2010年发布，该标准对军用设备（包括飞机）的雷电防护能力提出了要求。其5.5节规定：“对于雷电的直接效应和间接效应，系统都应满足其工作性能的要求……符合性应通过系统、分系统、设备和部件（如结构件和天线罩）级试验、分析或其组合来验证。”MIL-STD-464C中的雷电波形引自 SAE ARP 5412，与IEC系列标准中的雷电参数有差异。

MIL-STD-461G[12]《对分系统和设备的电磁干扰特性的控制要求》中新增“CS117雷电感应瞬态敏感度传导试验”主要针对机载设备，依据DO160G制定。

另外有一些针对地面设施的美军标，如MIL-STD-188-124B[13]《包括地基通信电子设施设备在内的远程战术通信系统通用的接地、连接、屏蔽》和针对军用地面设施的 UFC 3-575-01[14]《雷电与静电防护系统》中，关于防雷的技术内容则类似于前面所述的IEC标准。

2 国内防雷标准体系

对照国际防雷标准，国内的防雷标准也可以相应地分为航空类、民用设施设备类和武器装备类。

2.1 航空类

由于国内以前的航空产业主要针对军用装备，航空器的防雷标准主要为军标。现行有效的民用标准为：

1）HB 6167.24—2004[15]《民用飞机机载设备环境条件和试验方法第24部分：雷电感应瞬态敏感度试验》，该标准等同翻译RTCA/DO-160G Section22。

2）HB 6167.25—2014[16]《民用飞机机载设备环境条件和试验方法第25部分：雷电直接效应试验》，该标准等同翻译RTCA/DO-160G 第23章。

2.2 民用设备类标准

民用设备通常是位于建筑物内，因而其防雷主要是针对间接效应，在标准中通常作为建筑物（设施）雷电防护的一部分。

GB/T 21714—2015系列标准等同翻译IEC 62305系列标准，包括：GB/T 21714.1[17]《雷电防护第 1部分：总则》、GB/T 21714.2[18]《雷电防护第2部分：风险管理》、GB/T 21714.3[19]《雷电防护第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险》、GB/T 21714.4[20]《雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统》。

国内民用设施方面，影响较大的标准还包括GB 50057—2010[21]《建筑物防雷设计规范》与GB 50343—2012[22]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》。这两部标准内容较全，包括防护要求、防护方法、防护系统等，除了雷电参数和风险评估方面的内容，大致可以对应IEC 62305系列标准。

其余的标准主要针对具体行业的设施设备和防护器件，技术源头基本来自IEC 62305。主要包括：GB 18802.1—2011《低压电涌保护器第一部分：性能要求和试验方法》、GB 15599—2009《石油与石油设施雷电安全规范》、GB 50601—2010《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》、GB 50650—2011《石油化工装置防雷设计规范》、GB/T 3482—2008《电子设备雷击试验方法标准》、GB/T 21431—2015《建筑物防雷装置检测技术规范》、GB/T 7450—1987《电子设备雷击保护导则》、TB/T 3074—2003《铁道信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》、NB/T 31039—2012《风力发电机组雷电防护系统技术规范》等。

2.3 武器装备类

武器装备类防雷标准包括：GJB 1389A—2005《系统级电磁兼容性要求》、GJB 8848—2016《系统电磁环境效应试验方法》、GJB 2639—1996《军用飞机雷电防护》、GJB 3567—99《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》、GJB 1804—93《运载火箭雷电防护》、GJB 7899—2012《航天发射场雷电预警与报警规程》、GJB 5080—2004《军用通信设施雷电防护设计与使用要求》、GJB 6784—2009《军用地面电子设施防雷通用要求》、GJB 7581—2012《机动通信系统雷电防护要求》、GJB 8007—2013《地地导弹武器系统雷电防护通用要求》。

针对以上标准作以下说明：

1）GJB 8848—2016[23]中关于飞机的试验方法依据GJB 3567执行，地面装备的试验方法参考了飞机类标准中的直接效应试验方法和间接效应试验方法。

2）GJB 2639—1996[24]提出了军用飞机的雷电防护要求，要求包括雷电防护计划、设计要求及检验3个部分。

3）GJB 3567—99[25]和 GJB 1804—93[26]均参考了MIL-STD-1757A中的试验方法，只规定了直接效应试验方法，没有机载设备雷电感应瞬态敏感度试验方法。GJB 1804—93中关于雷电防护要求的部分则参考了MIL-STD-1795A。

4）最后4项标准为地面设施防雷要求，这4项标准的内容主要参考针对地面建筑的IEC和GB，与前面的几项标准在内容来源上有很大差异。

3 航空与地面装备的防雷标准差异

以GJB 2639—1996《军用飞机雷电防护》和GJB 6784—2009[27]《军用地面电子设施防雷通用要求》为例，来说明航空与地面装备防雷标准的差异。从表2可以看出，两个标准差异明显。大体而言，同样是提防雷要求的标准，航空防雷标准重点在提要求和验证，而地面装备的防雷标准重点在设计实现和工程实施。这些差异，一方面是因为地面设施和航空器本身特点不同，另外也与技术来源及标准架构有直接关系。

表2 航空与地面装备防雷标准的差异Tab.2 Differences between airborne and ground equipment lightning protection standards

4 装备防雷标准应用及存在的问题

4.1 军用航空器防雷标准的应用

目前军用航空器使用的标准如图3所示。国际上航空器的防雷标准体系较为完善，在军用航空的防雷实践中，当没有可依据的国军标时，往往直接参考国际标准，因此目前实际发挥作用最大的标准还是ARP5416及DO160。

图3 军用航空器标准应用现状Fig.3 Current standards application on military aircraft

4.2 地面武器装备

目前可用的标准除了 GJB 1389A与 GJB 8848外，还有2.3小节所列的GJB 5080、GJB 6784、GJB 7581、GJB 8007。这些标准由于其来源主要针对设施，重点在设计实现上，没有提供明确的雷电波形及试验考核方法，在进行验证时，只能参考GJB 8848中提供的方法，因此不利于在军用装备上的实施贯彻。

水面装备目前可依据的防雷标准则更少，目前主要依据GJB 8848进行试验，在防护设计中，参考民用建筑类的标准（比如GB 50057等）。

4.3 武器装备防雷标准体系存在的问题

当前武器装备防雷标准体系存在的问题包括以下几个方面。

1）标准体系不完善。从上文的讨论中可以看出，虽然航空器的防雷设计及验证已经大范围开展，但与国外相比，仍滞后不少。地面与水面装备的防雷标准欠缺更多，很多装备没有可直接依据的标准。

2）来源于SAE与IEC的标准不协调。系统级的2个标准GJB 1389与GJB 8848中的雷电环境是按照航空器的标准来确定的，而其他防雷国军标基本参照IEC，基本的雷电波形及参数就不一样，其他的诸多差异在表2中已列出。

3）地面装备的军标没有明确的试验方法与指标。这些标准对于设计规定较为详细具体，但往往没有明确的试验方法和雷电参数，这与武器装备研制中以试验考核牵引设计的原则不符合，使得标准的可执行性不够。比如 GJB 8007[28]“4.4.6 质量要求”中规定：“车辆的雷电防护装置试验应参照GJB 3567进行全尺寸部件附着点试验、结构直接效应试验、电晕和流光的直接效应试验，参照GB/T 18802.21—2004[29]进行电气入口端浪涌电流试验，参照GJB 2093[30]进行屏蔽效能试验”。这样规定可视作考虑到了设计验证的问题，但也必然带来以下问题：按照GJB 3567进行直接效应试验导致设计时考虑的雷电波形参数与试验时的参数不一致；GB/T 18802.21—2004是针对SPD的试验考核方法，并不能覆盖设备及分系统的间接效应试验。

4）间接效应防护验证不协调的问题。航空器与地面装备标准的不协调在间接效应防护验证上体现得最为明显。航空装备的间接效应按照不同等级进行设备或系统的瞬态注入考核，而IEC标准中对间接效应的试验主要是针对 SPD防护器件，而且由于民用SPD一般为货架定型产品，通常是由生产厂商进行出厂试验，地面装备的防雷标准中没有明确规定系统或设备的防雷试验方法。

5 装备防雷标准应用及编制的建议

鉴于上述不同来源军用标准之间的不协调，在防雷工作实施及一些新的标准规范制定中，已经开始考虑标准的协调融合问题。最典型的需要融合的场景包括：

1）系统中包含不同类型的分系统。比如军用浮空器系统，空中部分的雷电环境跟航空器类似，而地面部分的设施和设备明显与空中不同。近期的实践中是将空中部分参照ARP 5416和DO160进行设计和试验，而地面部分更多地参考GB 50057来设计，其直接效应试验验证参照空中部分，而间接效应验证主要体现在对SPD的试验上。SAE AE2近期即将发布一项关于无人机系统地面设备的雷电试验标准[31]。该标准的思路是参照DO160设定5个试验等级，但试验波形融合了DO160中的试验波形与IEC电信防雷标准中的波形，确保试验波形尽可能体现实际场景可能出现的波形。这应该是一种值得参考的标准融合的思路。

2）一个标准同时兼顾不同类型的装备对象。典型实例是GJB 8848《系统电磁环境效应试验方法》，该标准需要兼顾海陆空等多类型的装备，在规定了统一的雷电试验波形的基础上，对不同装备的试验方法分别进行规定：航空装备直接采用GJB 3567，而地面装备则另外规定了试验方法。对于下一层级的设备/分系统级的试验，如果能在雷电波形与试验方法方面与GJB 8848保持一致，则更有利于标准的执行。

3）将地面设施与装备区分对待，地面设施与装备的防雷措施经常是密切相关的。对于军用设施，可以按照IEC标准体系进行防护设计及工程实施，但装备的防雷标准应着重明确研制要求和试验鉴定方法。