航空電磁超材料沿面及組合間隙操作沖擊電壓放電特性

蔡力， 劉偉， 周蜜， 李泉新， 王建國(guó)

(武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

電磁超材料是一類(lèi)具有自然界中材料所不具備超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料。由于大量金屬微結(jié)構(gòu)的存在，超材料具有完全不同于絕緣介質(zhì)基板的電磁特性，呈現(xiàn)出帶內(nèi)透射率高、帶外截止能力強(qiáng)、寬入射角范圍內(nèi)頻率特性好等優(yōu)異電磁性能，十分契合航空飛行器天線罩的需求[1-5]。

傳統(tǒng)復(fù)合材料雷達(dá)天線罩通常采用雷電分流條進(jìn)行雷電防護(hù)，因?yàn)槔纂姺至鳁l相比復(fù)合材料天線罩具有空間優(yōu)勢(shì)，在雷電場(chǎng)中會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生感應(yīng)電荷和上行流注，隨后發(fā)展為上行先導(dǎo)，使雷電更容易擊中分流條從而起到保護(hù)天線罩及天線的作用。與傳統(tǒng)復(fù)合材料天線罩不同，電磁超材料天線罩具有亞波長(zhǎng)量級(jí)的人工金屬微結(jié)構(gòu)單元陣列，這些微結(jié)構(gòu)單元的存在使其具有了一定的導(dǎo)電性能，在雷電環(huán)境下也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷和上行先導(dǎo)，其結(jié)果是分流條屏蔽失效[6-9]，因此傳統(tǒng)基于電磁感應(yīng)屏蔽的雷電防護(hù)方式已不能完全適用。

但隨著電磁超材料在飛行器天線罩應(yīng)用的推廣，超材料天線罩的雷電防護(hù)方式急需解決[10-13]。但目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)超材料天線罩的雷擊附著過(guò)程認(rèn)識(shí)還不足，對(duì)于雷電環(huán)境中的超材料天線罩雷擊機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不清晰[14-18]。

電磁超材料用于天線罩時(shí)，天線罩的邊緣通常與飛機(jī)的機(jī)身接地部分相連，等效于超材料平板單側(cè)接地，雷電直擊天線罩不同位置時(shí)，其接地條件發(fā)生變化，電磁超材料不同的接地方式是否會(huì)影響其雷擊特性。

雷電擊中電磁超材料天線罩后，其放電過(guò)程可分為兩部分：雷云與超材料天線罩之間空氣間隙放電和天線罩表面雷電附著點(diǎn)至邊緣接地位置的沿面閃絡(luò)放電。沖擊電壓的極性和接地方式的不同會(huì)影響雷云與天線罩之間空氣間隙的沖擊放電電壓和沿面閃絡(luò)放電形貌。為模擬自然雷電接閃過(guò)程中電磁超材料附近空間電場(chǎng)情況，采用250/2 500 μs 標(biāo)準(zhǔn)操作波。在該波形下，電磁超材料表面產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)變化率與實(shí)際雷擊過(guò)程相似[19]。

本文開(kāi)展電磁超材料沿面及組合間隙操作沖擊電壓放電試驗(yàn)，結(jié)合高速攝像對(duì)沿面放電過(guò)程中空間流注發(fā)展階段進(jìn)行觀測(cè)，研究沿面自放電現(xiàn)象的發(fā)展過(guò)程、組合間隙的擊穿特性以及雷電附著特性。研究結(jié)果可以為電磁超材料雷電防護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 電磁超材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)并定制了典型的十字交叉型電磁超材料微結(jié)構(gòu)單元作為研究對(duì)象。其超材料平板由人造金屬微結(jié)構(gòu)單元陣列、絕緣介質(zhì)基板構(gòu)成，電磁超材料一般將單層或多層人造金屬微結(jié)構(gòu)單元陣列通過(guò)化學(xué)等方式嵌入絕緣介質(zhì)基板中得到。金屬微結(jié)構(gòu)單元具有很多不同的幾何形狀和尺寸，大致可分為兩類(lèi)：電氣連通型和非電氣連通型，而本文選用的十字交叉型屬于非電氣連通型，以環(huán)氧樹(shù)脂為基板，采用銅作為微結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)電鍍印刷的方式嵌在環(huán)氧樹(shù)脂的表面。由于是通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)單元在水平方向和豎直方向進(jìn)行周期性重復(fù)鑲嵌方式得到整個(gè)電磁超材料的表面陣列，因此存在兩個(gè)互相垂直的周期性方向。十字交叉型電磁超材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。

本文試驗(yàn)采用的十字交叉型電磁超材料單個(gè)微結(jié)構(gòu)單元尺寸為4 mm×4 mm，相鄰兩個(gè)微結(jié)構(gòu)單元間距為1 mm，整個(gè)電磁超材料的尺寸為500 mm×500 mm。圖1(b)是十字交叉型電磁超材料的實(shí)物樣品。

圖1 十字交叉型電磁超材料平板樣品

1.2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用沖擊電壓發(fā)生器作為試驗(yàn)平臺(tái)，研究超材料板的沖擊電壓放電特性，圖2是超材料的沿面及組合間隙沖擊電壓試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，包括沖擊電壓發(fā)生器、高壓電極、分壓器、示波器、試驗(yàn)平臺(tái)及相機(jī)。本試驗(yàn)采用的是3 000 kV沖擊電壓發(fā)生器，可以產(chǎn)生1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓與250/2 500 μs標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓兩種沖擊電壓波形；分壓器分壓比為1∶3 000，經(jīng)過(guò)100倍衰減器接入示波器；沖擊測(cè)量系統(tǒng)的不確定度經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)為1%。試驗(yàn)采用針電極作為高壓電極，模擬雷電放電時(shí)先導(dǎo)；試驗(yàn)用到兩臺(tái)普通相機(jī)和一臺(tái)高速相機(jī)，其中一臺(tái)普通相機(jī)和高速相機(jī)布置于試驗(yàn)臺(tái)正前方(高速相機(jī)型號(hào)為Phantom V2512，以46 kpfs的幀率進(jìn)行拍攝，曝光時(shí)間1.46 μs，死區(qū)時(shí)間2.17 μs，鏡頭焦距35 mm，圖像分辨率128×128；普通相機(jī)型號(hào)為NIKON D3300，鏡頭焦40 mm，曝光時(shí)間6 s，圖像分辨率6 000×4 000)，另一臺(tái)相機(jī)布置于45°或者90°方向(普通相機(jī)型號(hào)為Canon ESO 80D，鏡頭焦145 mm，曝光時(shí)間6 s，圖像分辨率6 000×4 000)，共同記錄沖擊放電形貌及放電發(fā)展過(guò)程。

圖2 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 電磁超材料接地方式布置

由于電磁超材料的沿面放電電壓遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的復(fù)合材料，具有和紐扣型分流條相似的功效，因此需研究天線罩雷電防護(hù)失效情況下，雷擊直接擊中電磁超材料天線罩后的沿面放電特性，以及天線罩表面接地方式對(duì)雷電泄流的影響，基于上述分析設(shè)計(jì)了以下6種不同的接地方式，接地片為圓環(huán)形緊貼于電磁超材料表面，如圖3所示。

圖3 接地電極布置示意圖

1.4 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓放電形貌測(cè)量平臺(tái)

為觀測(cè)在不同接地方式下航空飛行器天線罩遭受沖擊電壓的兩個(gè)放電階段，試驗(yàn)設(shè)置不同沖擊電壓極性、不同接地方式分析其組合間隙沖擊電壓放電特性，圖4為試驗(yàn)布置。為了方便拍攝觀察其沿面放電形貌，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)為45°傾斜平面，試驗(yàn)臺(tái)平面尺寸為1.2 m×1.2 m，電磁超材料等效平板尺寸為1 m×1 m；針電極豎直布置于試驗(yàn)臺(tái)中心點(diǎn)正上方，距離電磁超材料垂直距離D1=35 cm，垂點(diǎn)距試驗(yàn)臺(tái)下邊緣距離D2=85 cm；接地電極布置于超材料平板靠近底部位置5 cm寬條形區(qū)域。其中一臺(tái)普通相機(jī)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝其電磁超材料的沖擊電壓放電形貌；一臺(tái)高速攝像機(jī)用于拍攝高幀率沿面放電發(fā)展過(guò)程。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為9 ℃、濕度46%、大氣壓為101.4 kPa。本文中的擊穿電壓數(shù)據(jù)都已經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件的換算。

圖4 電磁超材料沿面及組合間隙沖擊電壓放電試驗(yàn)

試驗(yàn)中采用多級(jí)法測(cè)試操作沖擊放電電壓，電壓級(jí)數(shù)設(shè)置≥3，每級(jí)電壓試驗(yàn)10次，兩次試驗(yàn)之間相隔2～3分鐘，記錄10次試驗(yàn)中組合間隙發(fā)生擊穿次數(shù)，每組加壓的電壓水平依據(jù)前一組試驗(yàn)結(jié)果增加或減少ΔU，直至10次試驗(yàn)均發(fā)生擊穿或者10次試驗(yàn)均不發(fā)生擊穿。圖5為試驗(yàn)所用的正、負(fù)極性操作沖擊電壓的波形。操作沖擊50%放電電壓可表示為

圖5 250/2 500 μs操作沖擊電壓波形

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同接地方式超材料板放電電壓及波形

針對(duì)十字交叉型電磁超材料，采用不同接地方式，開(kāi)展電磁超材料沿面及組合間隙沖擊放電試驗(yàn)，電磁超材料平板試驗(yàn)件各有3種對(duì)稱的接地方式和3種不對(duì)稱的接地方式，每種接地方式進(jìn)行10次放電試驗(yàn)，通過(guò)示波器記錄放電電壓波形。

表1為十字交叉型電磁超材料在6種接地方式下正極性、負(fù)極性的平均擊穿電壓。其負(fù)極性下的最高沖擊擊穿電壓是右邊緣-左中部接地(523.2 kV)和右邊緣-中心接地方式(523.3 kV)，兩者數(shù)值相差不大；而正極性下最高沖擊擊穿電壓是在右邊緣-左中部接地方式(292.3 kV)下。統(tǒng)計(jì)表明，在右邊緣-左中部接地方式下，其正、負(fù)極性的操作沖擊擊穿電壓值最大。

表1 十字交叉型超材料組合間隙操作沖擊擊穿電壓

試驗(yàn)結(jié)果還顯示出十字交叉型電磁超材料的沖擊電壓擊穿特性有明顯的極性效應(yīng)：在相同的接地情況下，其負(fù)極性沖擊擊穿電壓明顯大于正極性電壓，基本上是1.60～1.85倍之間。在對(duì)稱邊緣、對(duì)稱中部、對(duì)稱中心三種對(duì)稱接地方式下，負(fù)極性電壓分別是正極性電壓的1.77、1.62、1.85倍，在右邊緣-中心、右邊緣-左中部、右邊緣-右中部三種不對(duì)稱接地方式下，負(fù)極性電壓分別是正極性電壓的1.87、1.79、1.81倍。并且十字交叉型電磁超材料的擊穿波形與沖擊電壓極性也有明顯聯(lián)系，在正極性沖擊電壓下的擊穿總是發(fā)生在波前時(shí)刻，而負(fù)極性沖擊電壓下的擊穿總是發(fā)生在波尾時(shí)刻，如圖6所示。

圖6 十字交叉型超材料正、負(fù)極性操作沖擊電壓波形

在針電極-超材料平板接地的情況下，操作沖擊電壓作用時(shí)，高壓電極率先開(kāi)始電暈放電，隨后電極周?chē)臻g充斥著大量電荷，繼而進(jìn)一步形成流注放電，流注開(kāi)始由高壓電極向著相向的板電極發(fā)展，也就是下行流注的向下發(fā)展過(guò)程；在下行流注發(fā)展至超材料平板表面之前，由于超材料平板含有大量的導(dǎo)電金屬微結(jié)構(gòu)單元，會(huì)產(chǎn)生大量的感應(yīng)電荷，但超材料平板的一端接地，雷電附著點(diǎn)周?chē)罅康母袘?yīng)電荷會(huì)向著接地點(diǎn)流向“大地”，在此過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)單元之間的間隙、微結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部間隙會(huì)形成類(lèi)似于電容平板結(jié)構(gòu)，若此間隙的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿閾值，則間隙擊穿，大量連續(xù)微間隙擊穿，則會(huì)造成電磁超材料平板的沿面自放電現(xiàn)象，下行流注的發(fā)展與超材料表面的自放電現(xiàn)象是同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的?？偠灾纂姄糁须姶懦牧咸炀€罩的放電過(guò)程分為兩部分，第一部分是空氣間隙未擊穿時(shí)，由高壓電極開(kāi)始的下行流注發(fā)展以及電磁超材料平板的沿面自放電同時(shí)進(jìn)行；第二部分是空氣間隙擊穿后，下行流注發(fā)展至超材料表面，由雷電附著點(diǎn)至接地邊緣的沿面閃絡(luò)放電。

2.2 不同接地方式超材料板沿面放電形貌

圖7、圖8分別為十字交叉型電磁超材料負(fù)極性、正極性下沿面放電形貌，沿面閃絡(luò)路徑與放電極性沒(méi)有明顯聯(lián)系，都表現(xiàn)為：從放電附著點(diǎn)至接地點(diǎn)沿超材料周期方向放電路徑，單次放電拐點(diǎn)一般不超過(guò)兩處，放電擊穿路徑只有一條明亮的主通道。

圖7 十字交叉型電磁超材料負(fù)極性沿面放電形貌

圖8 十字交叉型電磁超材料正極性沿面放電形貌

對(duì)于對(duì)稱性接地方式，放電附著點(diǎn)距兩處接地位置放電距離大致相等，因此沿面放電最終流入左右兩側(cè)接地位置的概率相同，沿面放電形貌也表現(xiàn)出對(duì)稱性。

對(duì)于不對(duì)稱接地方式，放電附著點(diǎn)距兩處接地位置放電距離不相同，沿面放電最終大部分流入放電距離短的一處接地位置，也有少數(shù)流向放電距離較長(zhǎng)的接地位置。由高速攝像拍攝的空氣間隙擊穿之前超材料平板表面的自放電通道對(duì)比可以看出，負(fù)極性放電時(shí)的間隙自放電通道明顯比正極性通道更粗及更加密集，一定程度上反映出負(fù)極性放電強(qiáng)度明顯高于正極性。

2.3 不同極性自放電通道形貌

高速攝像下十字交叉型電磁超材料在對(duì)稱邊緣接地方式下負(fù)極性組合間隙放電形貌如圖9所示，圖9(c)的第3幀為間隙放電連接至超材料表面瞬間的高速攝像，第2幀為連接前一瞬間的高速攝像即流注發(fā)展過(guò)程的高速攝像。在放電通道連接至電磁超材料表面之前，超材料表面微結(jié)構(gòu)陣列會(huì)產(chǎn)生自放電現(xiàn)象，各條自放電路徑有競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，自放電路徑從附著點(diǎn)區(qū)域的多個(gè)方向與通道發(fā)展，發(fā)起向接地位置匯聚最終流入接地點(diǎn)，形成明亮的沿面放電路徑。

圖9 組合間隙負(fù)極性放電形貌圖

其中競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象主要是在高壓電弧接觸到超材料板的附著點(diǎn)后，每一條自放電路徑到接地點(diǎn)的電導(dǎo)大小相互競(jìng)爭(zhēng)，其中較短路徑的電導(dǎo)較大，有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以沿面放電最終大部分流入放電距離短的沿面放電路徑，最終匯入接地點(diǎn)。但并不是放電距離越短其電導(dǎo)就越大，也有例外情況，在右邊緣中部接地方式下，最終沿面放電路徑有的連接較短路徑的中部接地點(diǎn)，也有的連接較長(zhǎng)路徑的邊緣接地點(diǎn)。

流注發(fā)展過(guò)程中形成的自放電通路與最終的沿面閃絡(luò)路徑有著密切關(guān)系，放電電弧由高壓電極發(fā)展至超材料表面附著點(diǎn)后，沿面閃絡(luò)路徑會(huì)沿著自放電通路中放電路徑電導(dǎo)較大的一條發(fā)展，形成完整的組合間隙放電通路。其中沿面閃絡(luò)路徑形成時(shí)，可以觀察競(jìng)爭(zhēng)成功的自放電路徑亮度小、幅增強(qiáng)，而競(jìng)爭(zhēng)失敗的其余自放電路徑會(huì)在最終沿面閃絡(luò)路徑形成后亮度逐漸減弱，相比主放電通道亮度有明顯區(qū)別。

研究不同電壓極性下流注發(fā)展過(guò)程特點(diǎn)及對(duì)沿面閃絡(luò)路徑的影響。圖10是十字交叉型電磁超材料在右邊緣-中心接地方式下正極性組合間隙放電形貌。與負(fù)極性操作波相比較，兩者共同特點(diǎn)：流注發(fā)展階段沿面形成的自放電通路對(duì)最終的沿面放電路徑有著決定性的作用；不同的是：正極性時(shí)，在放電通道連接至電磁超材料之前沒(méi)有明顯的電暈放電區(qū)域，但可以觀察到由針電極發(fā)出的明顯下行流注；正極性電磁超材料表面微結(jié)構(gòu)陣列的自放電比負(fù)極性操作波下弱，自放電通道也較清晰，無(wú)雜亂分叉。總而言之，正極性電壓下更容易由高壓針電極產(chǎn)生下行流注，電磁超材料表面微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電暈較弱。

圖10 組合間隙正極性放電形貌圖

2.4 超材料板自放電通道對(duì)沿面放電路徑影響分析

以十字交叉型電磁超材料在右邊緣-中心接地方式下兩次組合間隙放電為例，如圖11所示，其中兩次試驗(yàn)條件相同，但第一次放電路徑連接至放電路徑較短的中心接地點(diǎn)處；另一次的放電路徑連接至放電路徑較長(zhǎng)的右邊緣接地點(diǎn)處，兩條路徑有著明顯差異，如圖11(a)、圖11(b)所示。可以看出，附著點(diǎn)與中心接地點(diǎn)間的放電距離更小，但形成的卻是由附著點(diǎn)至右邊緣接地點(diǎn)沿面放電通路，結(jié)合高速攝像觀察其自放電路徑形成過(guò)程發(fā)現(xiàn)，其十字交叉型的放電路徑在發(fā)展過(guò)程中首先通向了右邊緣接地點(diǎn)，但是其高壓電極的電弧發(fā)展至超材料接地板后，又有一條明顯的放電路徑發(fā)展至中心接地點(diǎn)，放電沿著兩條路徑進(jìn)行，結(jié)合圖11(b)發(fā)現(xiàn)最終的沿面閃絡(luò)路徑是右邊緣放電路徑，結(jié)果表明，在十字交叉型電磁超材料最終沿面放電路徑的發(fā)展與形成過(guò)程中，流注發(fā)展過(guò)程形成的自放電通路起著決定作用。

圖11 十字交叉型在右邊緣中心接地的兩次沿面放電路徑對(duì)比

2.5 不同極性間隙流注發(fā)展特性

對(duì)比不同極性下單層十字交叉型電磁超材料操作沖擊試驗(yàn)流注發(fā)展差異如圖12所示，正極性操作沖擊放電試驗(yàn)中，高壓棒狀電極率先發(fā)生電暈放電，產(chǎn)生下行流注，但超材料板基本不產(chǎn)生上行流注，其下行流注發(fā)展期間產(chǎn)生多個(gè)分叉，直至其中一個(gè)分叉連接到電磁超材料表面后，其余的分叉逐漸消失，只留下一條主放電通路；負(fù)極性操作沖擊放電試驗(yàn)中，整個(gè)間隙放電過(guò)程為：由高壓端針電極率先發(fā)生電暈放電，產(chǎn)生向下發(fā)展的下行流注，同時(shí)超材料板表面微結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較小的上行流注，上、下流注繼續(xù)發(fā)展，基本在間隙的中間部分連接，連接后會(huì)形成一片明顯的電暈放電區(qū)域，只留下一條主放電通路，且放電強(qiáng)度明顯高于正極性放電，同時(shí)可以看出負(fù)極性的下行流注的分叉明顯要少于正極性。

圖12 單層十字交叉型電磁超材料操作沖擊電壓擊穿特性試驗(yàn)流注發(fā)展對(duì)比

3 結(jié) 論

本文針對(duì)十字交叉型航空電磁超材料進(jìn)行沿面及組合間隙操作沖擊放電試驗(yàn)，結(jié)合普通攝像分析了不同接地方式、不同沖擊電壓極性下沿面放電形貌特性，結(jié)合高速攝像分析了流注發(fā)展過(guò)程中的放電特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)十字交叉型電磁超材料的沖擊擊穿電壓有明顯的極性效應(yīng)：在相同的接地情況下負(fù)極性沖擊放電電壓明顯大于正極性電壓，約是正極性電壓的1.60～1.85倍。

2)十字交叉型電磁超材料沿面放電路徑特征：從放電附著點(diǎn)至接地點(diǎn)沿著超材料周期方向放電，單次放電拐點(diǎn)一般不超過(guò)兩處，放電擊穿路徑只有一條明亮的主通道。

3)操作沖擊電壓作用下，組合間隙在擊穿前電磁超材料表面的微結(jié)構(gòu)單元間會(huì)感應(yīng)自放電，形成明亮的沿面自放電通路，各放電通道相互競(jìng)爭(zhēng)，并決定最終的沿面主放電通路。

4)組合間隙沖擊放電流注發(fā)展過(guò)程的放電特性主要與電壓極性相關(guān)，正極性沖擊電壓下，由高壓針電極產(chǎn)生向下發(fā)展的下行流注，電磁超材料表面只有較弱的起暈；負(fù)極性沖擊電壓下，則會(huì)分別產(chǎn)生對(duì)向發(fā)展的上、下行流注，基本在間隙的中部連接。