电磁仿真 | 空客成功挑战抗雷击性能，仿真结果与现场测试结果高度吻合

本文原载于Ansys Advantage：《Lighting Simulation: Susceptibility Matches Field Results》

俗话说，雷击总是不期而遇。

虽然这个表述在很多时候都用来隐喻突发奇想，然而对飞机制造商和航空监管方来说，雷击却是真真正正的一大顾虑，特别是考虑到商业飞机每飞行1,000小时就很可能遭遇一次雷击。有关如何掌握雷击产生的影响，一些飞机制造商有自己非同寻常的想法。

座舱网格划分模型

欧洲航空航天界的翘楚空中客车，近期使用Ansys EMA3D和MHARNESS，在采用金属、碳纤维复合材料、铜箔的混合座舱设计中，仿真抗雷击性能。这次仿真属于专注于开发未来飞机的技术研究项目的组成部分，旨在开发出兼具高度环保、成本效益超群的航空运输系统。

具体而言，空中客车工程师希望验证模型能以多精确的准确性预测坐舱复杂电子装置和布线系统在感应瞬态影响下的整体电磁行为。这有助于他们了解仿真结果与现场测试结果的吻合度。

一次雷击可能产生数百万伏特电压，数十万安培电流。当这样强大的能量注入到飞机里时，可能会对飞机造成严重破坏。雷击可以点燃易燃气体、熔化金属部件、击穿和分离复合材料部件，以及干扰安全与任务关键性系统（包括电气设备和电子设备）的正常运行。最恶劣情况下，雷击还曾导致飞机坠机，尽管这种情况极为罕见。上一起重大事故发生在数十年前。

为提升整体飞行安全，飞机制造商为每架飞机都设计了防雷装置。

评估防雷装置的有效性，通常重点在于对部件和组件（而非整架飞机）进行物理测试。这是因为只有极少数设施能对整架飞机开展真实的完整威胁测试，而且测试过程难度大，颇具破坏性及危险性。

此外，物理测试还会导致成本增加、开发周期延长。例如，对正在研发的飞机进行全面的物理测试需要制造原型机，这不仅需要花费数月时间，而且成本高昂。如果飞机未能通过这项测试，重新设计和改装的成本可能高达数百万欧元。

在改造防雷系统后完整测试现有飞机也是可行的，然而这一过程有其局限性。飞机每测试一天，就延迟一天无法履行它的既定功能，即将乘客或货物运往目的地。这一情况也会导致高昂的成本。而且完整威胁测试已经不止一次造成了足以让一架飞机长时间停飞的损坏。

脱胎于座舱数字原型的电磁模型

仿真可以规避这些问题，但并不意味着可以完全取代物理测试。相反，它成为越来越重要的工具，在概念验证阶段就帮助推进飞机开发。除了帮助实现鲁棒性设计，仿真还支持验证和认证流程，以及飞机的可维护性和改造。

二十多年来，空中客车一直使用Ansys EMA3D来了解雷电感应电磁兼容性(EMC)，并为EMC认证提供支持。这个求解器既允许工程师为大型飞机建模，也能求解尺寸不足1毫米的导体引脚。

在这个案例中，空中客车将Ansys EMA3D仿真结果与在西班牙赫塔菲的空客测试设施中进行的完整雷击非直接效应(LIE)和高强度辐射(HIRF)测试（包括低电平直接驱动、低电平扫掠电流和低电平扫掠场）得出的结果进行对比。测试座舱装备了真实的电气装置，包括用作虚拟设备的多个金属盒以及内有导体的多层编织结构线束。

座舱表面电流分布

随后，空中客车使用简单、轻量化且易管理的电磁模型开展仿真。Ansys EMA3D时间步长加速技术增大了自由空间的介电常数，加快长瞬态的收敛速度，从而在不显著影响场值的情况下降低光速。实际上，EMA3D允许工程师选择比Courant标准要求的实际光速高几个数量级的时间步长。这对雷击仿真帮助很大，因为工程师不仅关注峰值幅度，而且也关注响应的能量构成或需要求解慢速波形。

最终，这种加速技术减少了设计这项仿真所需的时步数，将仿真时间缩短了90%，从而加快了整个仿真流程。

空中客车工程师发现测量结果与仿真结果高度吻合。仿真结果实际上较为保守，因此不仅适用于佐证决策，而且也适用于满足安全和认证标准。

在使用Ansys EMA3D后，工程师就无需为了验证不同的测试方法而调整电磁模型。他们可以考虑所有相关组件，确保组件间的必要接触，同时避免不必要的连接。

直接电流仿真（蓝色）与实际测试（红色）高度吻合

最终，将现场研究与仿真相结合，就可以覆盖有可能影响飞机的所有主要的外部威胁。现场研究与仿真结果的高度吻合，不仅证明了仿真的有效性，而且也验证了Ansys EMA3D强大的预测能力。从启动设计流程到验证、认证乃至此后的持续维护保养，飞机制造商现在能够在产品生命周期的各个阶段，更放心地运用仿真功能来评估飞机上的感应瞬态。

而对于乘机出行的大众，这意味着在发生雷击的时候，他们可以安心入座，因为飞机的每一个零件都考虑了防雷安全。