射頻仿真/電磁兼容技術(shù)直升機載雷達(dá)雷電防護設(shè)計

陳皓暉 劉 潔 李萬玉

(1.中國人民解放軍32382部隊 北京 100071;2.西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

直升機載雷達(dá)安裝在直升機平臺上，特別是雷達(dá)前端天線單元安裝在直升機機腹后部，遭遇雷擊可能性很大。一旦遭受雷擊可能造成雷達(dá)性能下降影響任務(wù)的完成，內(nèi)部設(shè)備損毀影響正常的工作作業(yè)活動。因此需要對直升機載雷達(dá)系統(tǒng)進行綜合性的雷電防護設(shè)計。雷達(dá)系統(tǒng)雷電防護設(shè)計按雷達(dá)設(shè)備直接效應(yīng)防護、雷達(dá)設(shè)備間接效應(yīng)防護、雷達(dá)設(shè)備累積效應(yīng)防護和雷達(dá)設(shè)備雷電防護搭接等設(shè)計進行[1]。

根據(jù)直升機上部件或設(shè)備受雷擊后損傷或功能失效可能對直升機飛行、著陸及乘員安全造成危害的程度，將機上部件和設(shè)備危害等級分成三類，其中雷達(dá)按二類設(shè)備進行雷電防護設(shè)計。二類是關(guān)系到直升機飛行或任務(wù)完成的分系統(tǒng)、設(shè)備和部件，雷電對其損害可能造成人員傷害或影響任務(wù)的完成。這類設(shè)備和部件有：雷達(dá)天線罩、綜合通信系統(tǒng)、戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)、敵我識別/二次雷達(dá)、任務(wù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、雷達(dá)天線收放裝置、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、機電管理系統(tǒng)等。

1 雷達(dá)雷電防護設(shè)計要求

根據(jù)GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》、GJB 2639-1996《軍用飛機雷電防護》及HB 6129-1987《飛機雷電防護要求及試驗方法》要求，對雷達(dá)進行雷電防護設(shè)計，確保雷達(dá)在經(jīng)受一次200kA的直接雷擊附著或鄰近發(fā)生的雷擊時，不影響飛行并安全著陸且不危及人員安全[2]。

在進行直升機載雷達(dá)雷電防護設(shè)計時，一般按照如下要求進行：

1)根據(jù)雷達(dá)所處的雷電區(qū)域，結(jié)合直升機結(jié)構(gòu)外形，分析雷電導(dǎo)入導(dǎo)出點，設(shè)計雷電導(dǎo)流通道。借助機體結(jié)構(gòu)或設(shè)計雷電導(dǎo)流條為雷電流提供穩(wěn)定的低阻抗導(dǎo)流主通路，使雷電流安全分流。

2)機體結(jié)構(gòu)、各部件結(jié)構(gòu)之間通過安裝螺栓或使用金屬編織帶或搭接條搭接，使外部蒙皮在遭受雷擊時具有低阻抗通道傳輸雷電流，防止直升機受雷擊時關(guān)鍵部件或設(shè)備的損壞、內(nèi)部機載設(shè)備功能降級或失效。

3)盡量在受雷擊可能性較低的區(qū)域，如3區(qū)等。

4)位于雷電分區(qū)1區(qū)的雷達(dá)采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件，必須進行雷電防護設(shè)計。對復(fù)合材料部件進行金屬化防護時，可采用如下兩種方式：①復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面敷設(shè)金屬網(wǎng)(如銅網(wǎng))或噴涂導(dǎo)電漆(如銀漆)，減少位于1區(qū)的部件受雷擊引起的損害；②復(fù)合材料結(jié)構(gòu)外表面預(yù)埋金屬條(如銅條等)或非線性半導(dǎo)體材料(如紐扣式雷達(dá)天線罩導(dǎo)流條等)，防止雷電在系統(tǒng)關(guān)鍵部件或部位的附著，其中預(yù)埋的金屬條需良好搭接到直升機體主導(dǎo)電通道上，金屬條應(yīng)盡可能短，金屬條和緊固螺釘應(yīng)能承受雷電電流的沖擊[3]。

5)雷達(dá)結(jié)構(gòu)和雷達(dá)關(guān)鍵性部件如雷達(dá)天線罩等進行雷電防護設(shè)計，不應(yīng)由于雷擊造成災(zāi)難性的損壞，以致直升機不能安全飛行和著陸。

6)二類機載設(shè)備進行雷電防護設(shè)計，不因雷擊產(chǎn)生永久性損壞，雷擊后功能恢復(fù)正常。

2 直升機載雷達(dá)雷電防護設(shè)計

在進行雷達(dá)雷電防護設(shè)計時，首先確定雷達(dá)安裝在直升機上的位置，即可確定雷達(dá)所在的雷電區(qū)域類別，然后再結(jié)合直升機結(jié)構(gòu)機體結(jié)構(gòu)設(shè)計雷電導(dǎo)流條，為雷電流提供穩(wěn)定的低阻抗導(dǎo)流主通路，使雷電流安全分流[4]。對某直升機各區(qū)域劃分，雷達(dá)處于1B區(qū)，如圖1所示。1B區(qū)是雷達(dá)遭受初始附著和首次回?fù)艨赡苄院艽螅纂娡ǖ涝谥鄙龣C上的附著點長時間駐留可能性很大的區(qū)域，因此，需要對雷達(dá)進行綜合性的雷電防護設(shè)計。

圖1 直升機分區(qū)圖

2.1 雷達(dá)設(shè)備直接效應(yīng)防護設(shè)計

雷達(dá)前端單元安裝在直升機機腹后部雷電分區(qū)1B區(qū)，遭遇雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波可能性很大。一旦遭受雷擊可能造成雷達(dá)性能下降或影響任務(wù)的完成，內(nèi)部設(shè)備損毀，影響正常的工作作業(yè)活動。因此需對雷達(dá)前端單元進行直接效應(yīng)防護設(shè)計[5]。在雷達(dá)前端單元中，伺服單元為金屬結(jié)構(gòu)件，通過螺栓直接與機體結(jié)構(gòu)進行連接固定，并通過搭接在電氣上形成整體，能夠使雷電電流安全分流。而最容易因受到雷擊的是雷達(dá)天線罩，雷達(dá)天線罩為玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，位于雷電分區(qū)1B區(qū)，因此需對雷達(dá)天線罩采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施[6]。雷達(dá)天線罩由石英布制成，為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度 9mm，天線罩外形為長方體，內(nèi)部天線為長方體，與天線罩距離較近，最小距離為7mm。考慮雷達(dá)天線有一面透波要求，雷達(dá)天線罩直接效應(yīng)防護采用五面敷設(shè)導(dǎo)流條，對天線罩進行雷電防護設(shè)計，該設(shè)計包含導(dǎo)流條選擇、設(shè)計布局、雷電流通路布置、導(dǎo)流條安裝工藝等重要內(nèi)容。

2.1.1 導(dǎo)流條設(shè)計

雷達(dá)天線罩五面敷設(shè)雷電導(dǎo)流條進行直接雷擊效應(yīng)防護。SZ-DLT10片段式導(dǎo)流條是一種新型雷電導(dǎo)流條，它包含一系列薄的導(dǎo)電片，用阻性材料互相連接，緊固于復(fù)合材料基帶上，之后基帶再粘接于雷達(dá)天線罩表面。SZ-DLT10片段式雷電導(dǎo)流條工作原理如圖2所示。

圖2 片段式導(dǎo)流條導(dǎo)流原理圖

在正常情況下，由于金屬片段之間存在間隙，導(dǎo)電通道處于斷開狀態(tài)，整個導(dǎo)流條屬于絕緣體；當(dāng)飛機遭遇雷擊時，相鄰金屬片段兩端開始聚集大量電荷，并產(chǎn)生羽毛狀的電弧，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時，金屬片段便會擊穿上方空氣，形成電離通道，雷電流可以經(jīng)過此通道，傳導(dǎo)到安全的地方[7]。由于雷電流是從導(dǎo)流條上方的空氣電離通道傳導(dǎo)，并不經(jīng)過導(dǎo)流條本身，因此不會對導(dǎo)流條自身造成破壞。SZ-DLT10片段式導(dǎo)流條如圖3所示，具有重量輕、厚度薄、透波性能好、雷電防護性能力強等特點，對天線干擾小。因此國外新設(shè)計的飛機,包括F15J、F16、F18、F22、C-130、EC-1、Boing787、Airbus400M等型號基本都采用這種導(dǎo)流條。

圖3 SZ-DLT10段式導(dǎo)流條

2.1.2 導(dǎo)流條布局

1)導(dǎo)流條排布方向：為使雷電順利導(dǎo)入機身，導(dǎo)流條應(yīng)盡量按照離接地位置最短距離方向原則進行分布， 因此確定導(dǎo)流條排布方向為從罩體中心向邊緣處延伸，并平行于兩側(cè)邊框。

2)導(dǎo)流條間距：對于導(dǎo)流條的最大間距，有經(jīng)驗公式(1)為

(1)

其中：Dmax為雷達(dá)天線罩上導(dǎo)流條允許的最大間距，單位為mm；T為雷達(dá)天線罩壁厚，單位為mm；k為表面狀態(tài)系數(shù)，與外表面雷達(dá)天線罩涂層有關(guān)，適用于表面電阻系數(shù)不低于0.5MΩ的各種涂層，如防雨蝕涂層等，通常情況下，k=1；S為安全因子，與雷達(dá)天線罩壁厚有關(guān)，S與T之間的關(guān)系可以用圖5表示。由于雷達(dá)天線罩壁厚度為9mm，相應(yīng)的S為1.1，根據(jù)公式(1)可得到雷達(dá)天線罩上導(dǎo)流條允許的最大間距Dmax為370mm。如存在兩根導(dǎo)流條覆蓋范圍可能重疊的情況，可適度進行調(diào)整。

結(jié)合雷達(dá)天線罩的尺寸形狀，布局7根導(dǎo)流條進行雷電防護設(shè)計，如圖4所示。其中：1#導(dǎo)流條沿天線罩長度方向布置，由天線罩一層貫穿天線罩表面，對天線罩上表面進行防護；2#、3#、4#和5#、6#、7#導(dǎo)流條位于天線罩側(cè)面，對側(cè)邊進行防護，導(dǎo)流條間距為365mm，由于側(cè)面遭受雷擊概率較低，因此導(dǎo)流條間距適當(dāng)寬一些。

圖4 導(dǎo)流條在雷達(dá)天線罩面初步布局

圖5 安全因子S與雷達(dá)天線罩壁厚度T曲線

3)導(dǎo)流條接地

導(dǎo)流條布局解決了雷電接閃的問題，雷電流如何傳導(dǎo)至機身形成雷電流通路，必須考慮傳導(dǎo)路徑的通流能力。金屬緊固件與安裝邊框需形成可靠的電連接，根據(jù)GJB2639的要求，二者間搭接電阻不大于5mΩ；采用搭接線通過緊固螺栓連接，使天線金屬邊框的搭接線與滑環(huán)防雷接地導(dǎo)線和直升機基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成良好的搭接，形成低阻抗通路。

圖6 導(dǎo)流條接地方式

2.1.3 導(dǎo)流條安裝

SZ-DLT10導(dǎo)流條采用粘接和螺釘固定方式安裝在雷達(dá)天線罩上，粘接效果如圖7 所示。粘接劑采用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠黏劑，保證導(dǎo)流條牢固附著在雷達(dá)天線罩表面。導(dǎo)流條需粘接在未噴涂的雷達(dá)天線罩表面，即在雷達(dá)天線罩進行表面噴涂之前，應(yīng)完成導(dǎo)流條安裝工作；導(dǎo)流條金屬片應(yīng)暴露在外，不能進行噴漆和涂覆。如果雷達(dá)天線罩已經(jīng)完成噴漆，也可以將導(dǎo)流條粘接在雷達(dá)天線罩表面。粘接完成后，如果天線罩使用環(huán)境惡劣，還可以使用邊緣密封劑在導(dǎo)流條四周進行封邊處理，對粘接界面進行保護，提高安裝可靠性，具體如圖8所示。

圖7 導(dǎo)流條安裝效果圖

圖8 導(dǎo)流條安裝效果圖

2.2 雷達(dá)設(shè)備間接效應(yīng)防護設(shè)計

雷電間接效應(yīng)是雷電放電在電子設(shè)備中引起的過電壓和過電流所造成的設(shè)備損壞或干擾。在雷達(dá)中，雷電放電將會引起雷達(dá)前端單元(天線/伺服單元)、信息處理單元、操控單元及敵我識別等電子設(shè)備的過電壓和過電流損壞或干擾，因此需對此進行雷達(dá)設(shè)備間接效應(yīng)防護設(shè)計，確保遭受雷擊時，不會出現(xiàn)故障、永久性的損壞或有害的瞬態(tài)誤動作。雷達(dá)各單元電子設(shè)備中的電源、通訊及控制線路安裝雷電抑制器進行間接效應(yīng)防護措施如下：

1)電源防護措施：為了避免雷擊瞬間感應(yīng)的強大雷電流沿外掛雷達(dá)天線電纜侵入艙內(nèi)，對艙內(nèi)設(shè)備造成損壞，應(yīng)在AC設(shè)備電源前端分別并聯(lián)安裝一套電源復(fù)合SPD。另外在DC設(shè)備電源前端分別安裝一套電源復(fù)合SPD，可以有效地保護供電系統(tǒng)的安全。

2)控制信號接口防護措施：雷達(dá)控制信號進入艙內(nèi)設(shè)備前端，應(yīng)串聯(lián)安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應(yīng)雷電流通過控制信號線路對雷達(dá)設(shè)備造成損壞。

3)中頻控制信號接口保護措施：雷達(dá)天線中頻控制信號進入艙內(nèi)設(shè)備前端，應(yīng)串聯(lián)安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應(yīng)雷電流通過中頻控制信號線路對雷達(dá)設(shè)備造成損壞。

4)伺服控制信號接口保護措施：雷達(dá)天線旋轉(zhuǎn)控制信號進入艙內(nèi)設(shè)備前端，應(yīng)串聯(lián)安裝一套信號雷電抑制器，可以有效地防護感應(yīng)雷電流通過旋轉(zhuǎn)控制信號線路對雷達(dá)天線設(shè)備造成損壞。

2.3 雷達(dá)設(shè)備累積效應(yīng)防護設(shè)計

雷電防護應(yīng)考慮多次雷擊的累積效應(yīng)。在進行雷電直接效應(yīng)防護設(shè)計時，選用雷電導(dǎo)流條以及雷電間接效應(yīng)選用的各型雷電抑制器，均能夠在設(shè)備最大電流范圍內(nèi)經(jīng)受反復(fù)多次雷擊[8]，保證設(shè)備器件完好；同時所有設(shè)備的安裝均考慮備件更換的便捷性。

2.4 雷達(dá)設(shè)備雷電防護搭接設(shè)計

雷電防護搭接是雷電防護重要的環(huán)節(jié)，良好的搭接，可形成低阻抗通路，保證雷電電流通過時不損壞直升機系統(tǒng)或部件、設(shè)備，不產(chǎn)生火花，不產(chǎn)生超過500V的感應(yīng)電壓。

雷電防護搭接線的設(shè)計要求：

1)主搭接線要求能承受雷電放電電流。

2)在雷電附著可能性小并具有足夠數(shù)量的搭接線來傳遞雷電電流的情況下，單根銅質(zhì)搭接線的截面不得小于4mm2。

3)在雷達(dá)天線罩直接附著的導(dǎo)流條、搭接線的截面不得小于20mm2。

4)搭接線應(yīng)盡可能短，搭接線的接頭不允許使用焊接方式連接。

5)需附加搭接線以加強結(jié)構(gòu)或設(shè)備的原有搭接線路時，銅線的橫截面積不應(yīng)小于3mm2；若該搭接線承受絕緣段全部電荷時，其橫截面積則不應(yīng)小于6mm2。

6)雷達(dá)伺服分系統(tǒng)搭接到直升機基本結(jié)構(gòu)上，搭接電阻不大于2.5mΩ。

7)艙內(nèi)雷達(dá)金屬部件及雷電抑制器與直升機基本結(jié)構(gòu)之間的搭接電阻應(yīng)不大于2mΩ。雷達(dá)前端單元(天線/伺服單元)、信息處理單元、操控單元與機體結(jié)構(gòu)進行良好搭接，搭接電阻應(yīng)不大于2.5mΩ。

4 結(jié)束語

本文就直升機載雷達(dá)雷電防護進行了設(shè)計，對導(dǎo)流條的設(shè)計選擇、布局和安裝進行了詳細(xì)的分析設(shè)計。在直升機載雷達(dá)系統(tǒng)中集中了大量的電子設(shè)備，電磁環(huán)境差且防護困難的問題增加了雷電防護的難度。針對直升機載雷達(dá)進行了雷電直接效應(yīng)防護、間接效應(yīng)防護、雷電的累積效應(yīng)防護設(shè)計以及雷電搭接防護的設(shè)計。通過對雷達(dá)進行雷電防護設(shè)計，確保雷達(dá)在經(jīng)受直接雷擊附著或鄰近發(fā)生的雷擊時，不影響飛行并安全著陸且不危及人員。能消除或抑制雷電對雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)或與系統(tǒng)有關(guān)的電子、電氣分系統(tǒng)或設(shè)備產(chǎn)生的影響,將直升機載雷達(dá)受雷擊后可能對直升機飛行和著陸及乘員安全造成危害減小到最低，使直升機載雷達(dá)性能在復(fù)雜電磁環(huán)境下充分發(fā)揮。