基于电荷累积效应的飞机雷击分区快速仿真研究

       雷电是自然界常见的空气放电现象，雷电放电受很多自然因素的影响，有很大的随机性，对于在高空飞行的飞机或其他处于上升状态航天器来说，云间或云内雷电会造成很大危害，破坏其绝缘系统，损坏电子电气设备，重则给飞行器的飞行安全带来巨大的威胁^[1,2]。由于雷击飞机和其他飞行器导致了数起严重的事故，国外从上世纪70年代开始进行飞机雷电防护的试验研究和仿真分析研究，其中影响较大的有：美国国家航空航天局（NASA）持续8年的风暴灾难研究计划（Storm Hazards Research Program）；美国空军（USAF）和美国联邦航空管理局（FAA）联合开展了USAF/FAA CV-580的有关试验；法国国防部（DGA）开展了DGA C160项目^[3]。分别利用F-106B飞机、CV-580飞机和C160飞机飞越雷暴区域，得到了大量雷电击中飞机时外部的雷电特性，为飞机雷击分区研究提供了大量数据，并制定了相应的雷电防护标准和规范^[4]。我国的飞机雷电防护研究起步较晚，近年来关于整机以及部件的雷电相关试验的研究有了明显的进展。其中雷电防护试验较为全面的有：支线客机ARJ21、大型民用客机C919等飞机的分区试验及整机的间接雷击试验^[5]。

       因此对飞机的雷击特性的研究及开展雷电防护设计是很有必要的，��大程度地减小雷击带来的损失。而对飞机雷电防护措施进行合适的设计中，雷击分区是一个基本步骤��一般情况下，雷击初始附着点及区域可以通过实验室缩比模型试验、全尺寸试验及电场模拟法、滚球法等分析方法确定，依据雷击附着点的分布和初始附着区域，进一步对雷击区域（3个区域）进行划分^[6]。本文应用一种快速仿真分析方法——边界单元法，对某型飞机进行全尺寸雷击附着区域划分数值仿真研究。在飞机雷击附着区域划分的数值仿真研究中，利用准静态电磁仿真软件Q3D Extractor进行全机数值仿真分析，结合SAE-ARP5414A、SAE-ARP5416中飞机雷击分区和初始雷击附着试验原理^[7]，对该类飞机进行等比例模型的雷击分区仿真研究，这对该机型后续雷电防护设计有着重要的参考意义。

1.1 仿真方法

       飞机初始雷击附着点及区域划分可根据雷击缩比模型试验^[8]进行研究确定。但是试验对于小的突起及非金属电表面等复杂结构，确定其精确的附着位置有一定的偏差。而且试验必须要进行试验模拟件加工，加之试验费用较高。故在某型机进行雷击分区试验基础上，结合基于电荷累积效应的飞机雷击附着区域仿真分析研究，可对同类相似平台的雷击区域划分有一定参照价值。

       SAE-ARP-5416中闪电测试方法采用线性或指数规律逐渐升高极电压，直到触发初始先导。国内的相关仿真研究是利用CST中的EM室，在仿真中采用电极上加固定电压，通过分析飞机表面感应电场的分布来确定雷击附着区域^[9,10]。

       本文采用准静态电磁仿真软件Q3D Extractor进行雷击分区分析。运用快速数值算法——边界单元法，分析飞机在外部闪电环境（带电云）下，机身各部分结构表面的累积电荷密度分布情况，以此分析得到飞机的闪电附着点区域，根据设置不同的带电云位置，可得到对应的闪电附着区域，将所有在闪电环境下分析得到的附着点区域取并集，即可确定雷击区域中的初始附着区域。

1.2 仿真环境

       自然雷电放电有两种不同形式，一种是云对地放电，另一种是云间放电。飞机遭受到的雷电多数为云间放电^[11]。飞机自身引起的雷击占飞机遭受雷击总数的90%。

       本文采用飞机触发的接近先导雷电触发机理^[12]，建立两个平板电极来模拟空间带电云层，变换飞机俯仰角φ、航向角θ和滚转角α三种飞行姿态，每种姿态以30°变换。平板电极施加电压150 kV，平板与飞机中心距离为飞机长度L的1.5倍，面积是覆盖飞机机身（俯视）面积的2.5倍，仿真模型见图1。

图1 仿真模型图

       考虑飞机的对称性，在半球面上划分了37个方位，飞机姿态位置见图2。通过飞机37次的不同姿态变换，分别模拟雷电闪电发生前的电荷累积效应过程，得到飞机周围的电荷分布变化，综合分析确定初始雷击区域（1A区）。

图2 飞机姿态位置图

       利用Q3D Extractor进行仿真计算，使用边界单元方法，得出机体表面电荷累积分布情况。由于雷电电压从几百万伏特至几亿万伏特不尽相同，仿真中平板间电压变化，飞机表面电荷分布也会变化，但在施加不同电压条件下，电荷分布趋势相同。

       仿真结果表明：在该飞机的头部、机翼、平尾及垂尾尖端部位有较为集中电荷分布，即导致雷电先导会在这些部位附着。

       结合SAE-ARP-5414A标准分区理论，最后综合分析得：对于在飞行高度2000 m～3000 m内，速度处��300 km/h～400 km/h的飞行器而言，基于静电荷分布的1A区域划分由飞机表面感应最大电荷量的35%左右为阈值，超过这一阈值的区域即被确定为1A区域。

      1A区确定以后，1A区后表面为扫掠2A区（扫略雷击区域），延伸至1A区以后的整个长度。1A区和2A区以后的后缘确定为初始附着区域1B区（首次回击并产时间悬挂区域）或2B区（伴有闪电悬挂的扫掠雷击区），其他区域为3区。

2.1 机头初始附着区域仿真

      改变飞机俯仰及航向姿态，对机头雷电初始附着区域大小产生影响。当俯仰角为0°时，即飞机机头正对平板电极（带电云层），得到机头1A区域最大仿真结果为1.82 m。机头表面电荷分布见图3。

图3 机头表面电荷分布图

2.2 机翼初始附着区域仿真

      改变飞机航向及滚转姿态，对机翼雷电初始附着区域大小产生影响。当偏航角为90°时，即飞机机翼正对平板电极（带电云层），得到机翼1A区域最大仿真结果为0.53 m。机翼表面电荷分布见图4。

图4 机翼表面电荷分布图

2.3 平尾及垂尾初始附着区域仿真

       改变飞机俯仰、航向及滚转姿态，对平尾及垂尾的雷电初始附着区域大小产生影响。当俯仰角为30°时，得到垂尾1A区域最大仿真结果为0.56 m，得到平尾1A区域最大仿真结果为0.44 m。垂尾及平尾表面电荷分布见图5、图6。

图5 垂尾表面电荷分布图

图6 平尾表面电荷分布图

2.4 仿真结果与标准分区对比

       通过Q3D Extractor仿真得飞机表面累积最大电荷量的35%左右为阈值，超过这一阈值的区域及SAE-ARP-5414A中运输机详细雷击分区的1A区域大小如表1。

表1  仿真1A区域与SAE-ARP-5414A标准分区对比

       经分析对比：基于电荷累积分布的1A区域划分由飞机表面感应最大电荷量的35%左右为阈值时，飞机表面1A区域的大小与标准分区较接近；在没有考虑飞机的运动情况下，各位置1A区域有所偏差，但不影响分区范围，因为本型飞机在飞行高度2000 m～3000 m内，速度处于300 km/h～400 km/h，而自然雷电先导速度为1.5×10⁵m/s，故此型飞机的飞行速度对1A区域划分的影响可以忽略。  

       本文进行的电荷累积效应仿真方法研究是运用Q3D Extractor电磁仿真软件计算出飞机表面电荷分布，再通过理论及实际应用中分区经验对电荷分布进行百分比阈值标定。通过仿真分析，得到以下结论：

1） 基于电荷累积效应的飞机雷击分区仿真方法相比与一般的静态电场分布方法，省去了飞机��围三维空气区域的离散计算，只需要对飞机表面进行网格离散，仿真效率大大提升，在一般的普通台式机上即可快速仿真得到相对精细可靠的结果，成倍的提升工作效率，缩短分析周期。

2）应用电荷累积的准静态仿真分析方法，确定的雷击初始附着区域与标准分区得到的结果较为吻合，说明该方法是可行的。能够为该型机的雷电防护设计有一定的参考意义。

3）为进一步标定电荷累积分布阈值的选取。后续参考缩比模型雷击分区试验结果对这种方法进行验证，即对初始附着区域（电荷累积的百分比阈值）进行修正。

参 考 文 献

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[4] Perala R, Rudolph T,McKenna P, et al. Application of Numerical Analysis to the Electromagnetic Effects Validation of Aircraft[C]. 12th DASC. AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Conference, 1993: 185-190.

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