球載設(shè)備艙線纜雷擊RS仿真分析

王朋輝　彭平

【摘 要】系留氣球作為一種長時間、定點留空的浮空平臺，容易受到雷擊等各種自然災(zāi)害。氣球的囊體為絕緣材料，不能為氣球內(nèi)部電子設(shè)備提供良好的電磁屏蔽，在遭受雷擊時產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁脈沖會經(jīng)過設(shè)備艙上的孔洞縫隙耦合而在艙內(nèi)線纜上感應(yīng)出電壓和電流，嚴(yán)重時造成設(shè)備故障甚至損壞，隨著球載電子電氣設(shè)備的廣泛使用，雷擊間接效應(yīng)造成的危害嚴(yán)重影響系留氣球的運行安全。本文基于CST軟件仿真球載設(shè)備艙內(nèi)由于雷電間接效應(yīng)造成線纜上的電磁干擾，為系留氣球的間接效應(yīng)防護(hù)提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】系留氣球 間接效應(yīng) 雷擊 電磁耦合

雷電是指帶電的云層和帶異種電荷的其它云層或大地之間發(fā)生的一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。雷電在極短的時間高壓放電，產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。放電的同時產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁輻射和閃光，并伴隨有巨大的聲音。在地球上，平均每天約發(fā)生800萬次雷電，雷電電壓可達(dá)億伏以上量級，其中每天約有16萬次雷電流幅值達(dá)200kA以上的雷電發(fā)生，雷電等離子體通道可長達(dá)數(shù)千米以上，雷電流的變化率可達(dá)105A/us量級[1]。

系留氣球工作高度介于幾百米到幾千米之間，而一般云底高度為1～3km，最低可達(dá)150m，最高可達(dá)幾十千米，它主要負(fù)電荷中心的平均高度約為3km。因此系留氣球工作高度位于云層中可能性較大，又由于系留氣球體積較大、工作高度較高，容易受到雷電影響。

1 雷電間接效應(yīng)防護(hù)

當(dāng)系留氣球遭受雷擊時，通過球上電纜或設(shè)備艙內(nèi)設(shè)備電纜耦合產(chǎn)生干擾信號，導(dǎo)致電子設(shè)備功能紊亂或損壞。雷電間接效應(yīng)整機(jī)試驗用于測試與評估這種干擾程度。但是雷電間接效應(yīng)試驗往往耗資巨大，而且還將耗費大量的人力和物力，并且不能很好的作預(yù)測性研究。未來的趨勢是利用仿真的方法來部分代替實物測試，在設(shè)計階段采用電磁仿真軟件進(jìn)行雷電效應(yīng)仿真，及時發(fā)現(xiàn)問題、采取改善措施具有很大的應(yīng)用價值。

2 系留氣球雷電防護(hù)試驗標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上及國內(nèi)關(guān)于飛機(jī)的雷電防護(hù)試驗均已有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，如GJB-3567《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定試驗方法》、SAE-ARP-5416《飛機(jī)雷電試驗方法》、SAE-ARP-5412《飛機(jī)雷電試驗波形》、RTCA/DO-160F《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和測試規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)[2]。系留氣球由升空的氣球、球載設(shè)備、系留纜繩、地面設(shè)備以及接地系統(tǒng)等構(gòu)成。根據(jù)國際上的通行分類，系留氣球及球載設(shè)備系統(tǒng)，屬于飛行器范圍。可依據(jù)飛機(jī)雷電防護(hù)試驗標(biāo)準(zhǔn)方法體系開展系留氣球雷電試驗方法研究。

3 雷擊環(huán)境試驗波形

為在實驗室中模擬出理想的雷擊環(huán)境，美國SAE學(xué)會的ARP 5412給出了模擬自然閃電特性的電壓波形和電流波形分量。在各種波形中，不同的雷電影響（直接或間接影響）試驗采用的波形參數(shù)不同。例如，在直接影響中電流峰值振幅、作用積分和持續(xù)時間是主要考慮的因素，而在間接影響中則考慮電流上升和下降的速率。

4 仿真環(huán)境建立

球載設(shè)備艙結(jié)構(gòu)為金屬框架覆蓋金屬蒙皮，設(shè)備艙外形尺寸為700mm×700mm×1000mm，在設(shè)備艙內(nèi)部建立一條線束通道，起點和終點坐標(biāo)分別為N1（50，50，100）和N2（50，50，800），設(shè)備艙前面板設(shè)置縫隙尺寸為：寬0.5mm，深0.5mm，其CST模型見圖1，線束通道內(nèi)設(shè)置單芯線、雙絞線、同軸電纜三種導(dǎo)線，終端接50Ω電阻，在CST Cable中生成的模型見圖2。雷電注入波形見圖3。峰值為200kA，最大峰值時間T1=6.4μs，半峰值時間T2=69μs。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 金屬設(shè)備艙屏蔽效果

雷電擊中設(shè)備艙會在設(shè)備艙表面形成強(qiáng)大的振蕩電流，見圖4，同時也會通過設(shè)備艙縫隙在艙內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電場。由于設(shè)備艙表面采用金屬蒙皮，能起到很好的屏蔽效果，見圖5。

5.2 單線、雙絞線與同軸線的感應(yīng)電壓

遭受雷擊后，會在設(shè)備艙內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電場，艙內(nèi)的各個線路也會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，見圖6、圖7。單芯線與同軸線對于這些感應(yīng)場會有不同的表現(xiàn)，由于單芯線外面沒有屏蔽層，對導(dǎo)線外的電場感應(yīng)非常敏感，會產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓。對于同軸線，外層的屏蔽網(wǎng)能很好的屏蔽掉外部電場，同軸線內(nèi)部導(dǎo)體受外部電場影響較小。

6 結(jié)語

數(shù)值仿真技術(shù)對雷擊間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計有很大的工程價值，通過仿真能大大降低雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計的人力、物力成本。應(yīng)用仿真軟件的關(guān)鍵在于如何建立合理的模型及設(shè)置正確的仿真參數(shù)，使得仿真環(huán)境更能反映實際情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃軍玲.飛機(jī)線路雷電感應(yīng)仿真分析[J].科技視界，2014.（32）.

[2]黃軍玲，周利軍.飛機(jī)雷電間接效應(yīng)仿真與研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015.（3）.

作者簡介：王朋輝（1982—），男，河南洛陽人，碩士，工程師，研究方向：電磁兼容仿真。

彭平（1980—），男，貴州六盤水人，碩士，工程師，研究方向：飛行器電氣設(shè)計。