劉 濤，張紅衛(wèi)，司曉亮，仇善良，李志寶，段澤民

(1.空軍軍械通用裝備軍事代表室， 北京100166； 2.中航工業(yè)特種飛行器研究所， 湖北荊門448035)(3.中航工業(yè)合肥航太電物理技術(shù)有限公司， 合肥230031)

0 引言

系留氣球做為一種無需動力依靠浮力升空的浮空氣球，成為一種理想的空中平臺，受到人們的廣泛青睞［1-2］。作為空中平臺，系留氣球適合搭載各種通信、干擾、偵查、探測等電子設(shè)備和系統(tǒng)，具有留空時間長、有效載重大、部署方便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。系留氣球雷達(dá)系統(tǒng)就是系留氣球的一重要應(yīng)用方向，這一系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于預(yù)警探測、通信中繼、電子干擾、防災(zāi)減災(zāi)等軍民領(lǐng)域［1］。由于懸浮于數(shù)千米甚至更高的空中，系留氣球及其攜載的電子系統(tǒng)不可避免地要受到大氣雷電活動的影響，甚至是直接遭到雷擊損毀。無論是氣球本身還是其球載電子設(shè)備和系統(tǒng)，雷電防護(hù)均是不可或缺的。系留氣球本體的直擊雷防護(hù)可像通常地面設(shè)施和建筑物的雷電防護(hù)那樣，在氣球外圍布置避雷線或網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。但考慮系留氣球應(yīng)用的特殊性，避雷線和避雷網(wǎng)必須進(jìn)行精心設(shè)計以便減輕重量?？苫跐L球法［3］對系留氣球進(jìn)行直擊雷防護(hù)設(shè)計，這也得到了實(shí)踐和試驗的檢驗。

即便球體可避雷線或網(wǎng)保護(hù)，但球載電子設(shè)備和系統(tǒng)并不能保證不受雷擊的影響。當(dāng)雷電擊中避雷線時，伴隨強(qiáng)大雷電流的強(qiáng)雷電電磁脈沖能在電子設(shè)備互聯(lián)電纜上感應(yīng)出雷電浪涌電壓和電流，這些感應(yīng)電壓和電流將通過設(shè)備接口進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，對設(shè)備及其正常工作造成破壞和干擾，這也稱為雷電間接效應(yīng)［4-5］。兼顧成本和有效性，對電子設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)睦纂婇g接效應(yīng)防護(hù)是困難的，因為需要事先具備同電子設(shè)備有關(guān)的雷電感應(yīng)電壓或電流數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)通常難以直接獲得。在飛機(jī)雷電防護(hù)領(lǐng)域，通常采用稱為整機(jī)雷電試驗［6］、相似性分析或仿真方法［7］來獲得這些數(shù)據(jù)，經(jīng)多年努力，飛機(jī)雷電間接效應(yīng)防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已非常成熟。在系留氣球方面，尚無氣球雷電間接效應(yīng)防護(hù)相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，因此也無可用于支撐開展球載電子設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計和試驗的有效數(shù)據(jù)。誠然，飛機(jī)雷電防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)能為球載電子設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計提供有益參考，但有效性卻無嚴(yán)格的保證。為此，需要開展獨(dú)立研究，掌握相關(guān)球載系統(tǒng)的雷電間接效應(yīng)規(guī)律和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于支撐系留氣球雷電間接效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計和試驗。

既然成本、周期高昂且無試驗標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行整球的雷電試驗研究將是困難的，而計算機(jī)仿真由于無需真實(shí)物理樣件且不失精確性顯現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢［4-5，7］。計算機(jī)電磁仿真不僅可以用來分析雷擊的電磁作用機(jī)理和過程，而且還可以用來計算電子設(shè)備及其互聯(lián)電纜上出現(xiàn)的雷電感應(yīng)電壓和電流，用于直接指導(dǎo)防護(hù)設(shè)計和試驗。隨著計算機(jī)技術(shù)和電磁仿真軟件的快速發(fā)展，電磁仿真的可信度越來越高［7-9］，雷電間接效應(yīng)仿真的也越發(fā)受到認(rèn)可和重視。

本文圍繞某系留氣球及其球載雷達(dá)電子系統(tǒng)，展開相關(guān)系留氣球雷電間接效應(yīng)的電磁仿真研究，分析其雷電電磁環(huán)境的特性和規(guī)律，及其球載電子設(shè)備互聯(lián)電纜的雷電電磁響應(yīng)(感應(yīng))特性和規(guī)律，并簡述系留氣球雷電電磁仿真的建模方法。

1 研究對象及其雷電電磁仿真建模

本文所研究的某系留氣球及其避雷索(避雷線)設(shè)計如圖1所示。該系留氣球主體由主氣囊體、副氣囊體、尾翼等部分組成，氣球整體長約52 m，寬約23 m，高約28 m，有效載荷設(shè)計大于500 kg。主氣囊中沖注氦氣以提供氣球的升力，尾翼為氣球提供穩(wěn)定性和操縱性，雷達(dá)電子設(shè)備等懸掛于位于副氣囊中的掛架上。此外，氣球整體由系留纜繩及其他拉索提供系留約束力，而且纜繩還提供了電力和數(shù)據(jù)傳輸。該系留氣球系統(tǒng)的直擊雷防護(hù)設(shè)計采取了地面建筑物一類防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求，即30 m半徑的滾球防護(hù)設(shè)計。為減小總重量，我們精心設(shè)計了避雷索的空間布局，使得避雷索用材長度盡可能最少。同時，為防止雷擊期間避雷索對氣球球皮的滑閃作用，避雷索距離球面的最小距離設(shè)計大于1.4 m，且由固定在氣球球面上的多個絕緣支架支撐和固定。

圖1 待研究系留氣球及其避雷索設(shè)計

開展系留氣球雷電間接效應(yīng)分析研究，應(yīng)事先明確影響整球雷電電磁環(huán)境特性的主要因素及電纜感應(yīng)耦合的主要因素。影響氣球雷電電磁環(huán)境的主要因素有避雷索、系留纜繩的空間布局和雷擊方式等。避雷索結(jié)構(gòu)相對簡單，基本為金屬實(shí)心導(dǎo)線。系留纜繩結(jié)構(gòu)則相反較復(fù)雜，內(nèi)部往往配備有電力、通信電纜或光纜等，但為泄放雷擊大電流，纜繩最外層為導(dǎo)雷網(wǎng)層。就分析整體雷電電磁環(huán)境而言，考慮導(dǎo)雷網(wǎng)層的影響已足夠，系留纜繩能像避雷索那樣視為導(dǎo)線。在確立了主要影響的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，可采用仿真或解析計算等不同方式，分析相關(guān)雷電電磁環(huán)境和電纜雷電電磁感應(yīng)特性。但由于系留氣球避雷索布局結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，解析計算往往難以實(shí)施，宜充分發(fā)揮計算機(jī)仿真的優(yōu)勢。

雷電電磁過程作為瞬態(tài)電磁現(xiàn)象，宜采用時域仿真算法開展雷電間接效應(yīng)電磁仿真研究，應(yīng)用到雷電電磁仿真分析中時域算法主要有時域限差分法(FDTD)、時域有限積分法及傳輸線矩陣法等［7-12］。在雷電間接效應(yīng)電磁仿真方面，基于FDTD算法而開發(fā)EMA3D軟件開發(fā)較早且行業(yè)認(rèn)可度較高，在飛機(jī)雷電防護(hù)領(lǐng)域，該軟件還受到了美國FAA(美國聯(lián)邦航空局)的認(rèn)可。作為專業(yè)化軟件，EMA3D軟件已被美國和西歐等國家成功應(yīng)用于各類艦船、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等雷電、高強(qiáng)度輻射場(HIRF)及核電磁脈沖(NEMP)的電磁仿真分析和設(shè)計中［11］。本文將主要采用EMA3D軟件開展相關(guān)系留氣球雷電電磁仿真的研究工作。

開展各種對象的雷電(雷擊)電磁仿真分析，均需要進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，這包括機(jī)械建模和物理建模兩個方面，EMA3D軟件也不例外。機(jī)械建模是指建立準(zhǔn)確的能反映問題電磁特性的幾何模型，即建立主要結(jié)構(gòu)的幾何模型;而物理建模是指設(shè)定能夠反映問題的物理情形、參數(shù)及條件等，如指定結(jié)構(gòu)的材料特性、設(shè)定雷電附著通道和雷電環(huán)境、設(shè)定計算邊界、實(shí)施網(wǎng)格剖分及指定輸出量等。

由于整個系留氣球涉及的尺度變化很大，例如氣球為數(shù)十米尺度，而避雷索、系留纜繩和設(shè)備互聯(lián)電纜等則顯得很細(xì)小，特別是各類互聯(lián)電纜，其直徑在數(shù)十至上百毫米范圍。任何差分類算法如時域有限差分等［10］若要分辨尺度如此大范圍改變的結(jié)構(gòu)，其計算內(nèi)存需求將是巨大而不切實(shí)際的。幸好開發(fā)了細(xì)線算法，能用細(xì)線模型建模細(xì)小直徑的導(dǎo)體，并獲得精確結(jié)果［12］。在EMA3D軟件建模中，細(xì)線模型是常規(guī)模型之一。在系留氣球雷電電場仿真中，避雷索、雷電通道、系留纜繩及電纜等由于相對細(xì)小，均應(yīng)按細(xì)線模型建模，需要設(shè)定參數(shù)包括線單位長度阻抗、終端阻抗及線徑等。在本文仿真中，避雷索、系留纜繩和雷電通道的等效線電阻、電感均設(shè)置零，其影響也較小，電纜屏蔽層線電阻則取典型值10 mΩ/m。

開展系留氣球雷電間接效應(yīng)電磁仿真，雷擊附著方式要盡可能根據(jù)實(shí)際情況選取那些對掛架設(shè)備電纜耦合為最嚴(yán)酷情況，本文研究所采取的幾種典型的雷擊附著方式設(shè)置，如圖2所示。

圖2 典型雷擊附著方式矩形邊框—計算邊界示意

圖2中的矩形邊框為計算邊界，仿真僅計算邊界內(nèi)的電磁場，計算邊界作為一種人為電磁邊界能極大的縮小計算空間和內(nèi)存。圖2同時示出了雷電附著通道，雷電附著通道上將直接注入雷電流波形。需要指出，雷擊大電流將通過系留纜繩泄放至大地，纜繩自然充當(dāng)了雷擊的退出通道。國際飛機(jī)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP5412B規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)化雷電流波形，這些波形是對自然雷電特性的理想化描述。在SAE ARP5412B中，云地雷電的首次嚴(yán)酷雷擊用雷電流分量A來描述，它是雷電間接效應(yīng)最嚴(yán)酷的雷電分量，雷電電磁仿真主要考慮該雷電分量。在SAE ARP5412B標(biāo)準(zhǔn)中，分量A規(guī)定為由一雙指數(shù)函數(shù)描述的電流波形(圖3)。分量A其峰值為200 kA，最大上升率為1.4×1011A/μs，最大上升率發(fā)生在零時刻。

圖3 雷電流分量A的波形(SAE ARP5412B)

一旦完成幾何和物理建模，即可執(zhí)行仿真計算，計算過程中及計算結(jié)束后，可分析、研究各計算結(jié)果。

2 計算結(jié)果與分析

通過仿真計算，獲得了大量該系留氣球及其球載設(shè)備互聯(lián)電纜的雷電間接效應(yīng)仿真結(jié)果，包括瞬時雷電電磁場分布、避雷索瞬時雷電流分布及互聯(lián)電纜感應(yīng)電流和電壓等結(jié)果。特別是電纜響應(yīng)結(jié)果和數(shù)據(jù)，它們是進(jìn)行球載雷達(dá)電子設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計和試驗的基礎(chǔ)。以下將討論主要仿真結(jié)果。

1#雷擊附著方式下氣球及周圍空間的雷電磁場的分布演化過程如圖4所示。容易發(fā)現(xiàn)，在雷擊早期階段，磁場隨時間逐步增強(qiáng)，同雷電流前沿電流幅值不斷增加一致。與此類似，空間電場也呈現(xiàn)相同變化特征。相反，在雷電流脈沖的后沿，空間電、磁場會逐步減弱消失。2#、3#雷擊附著方式下的氣球及周圍雷電電磁場空間分布情況分別如圖5、圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，靠近避雷索處，電場和磁場為最強(qiáng)，而遠(yuǎn)離避雷索處，電場和磁場逐步減弱。綜合圖4～圖6，可發(fā)現(xiàn)在不同雷擊方式下，氣球及其周圍空間雷電電磁場分布是存在差別的，且空間分布較復(fù)雜并難以統(tǒng)一概括。雷擊方式不同導(dǎo)致雷電電磁場分布差異是容易理解的，因為各避雷索上分配得到的雷電流因雷擊方式的不同而異。

圖4 氣球空間及周圍雷電磁場的分布演化(1#雷擊方式)

圖5 2#雷擊方式下系留氣球周圍的雷電電磁場分布

圖6 3#雷擊方式下系留氣球周圍的雷電電磁場分布

無論氣球空間雷電電磁場具體分布如何，氣球副氣囊中掛架處雷電電磁場均較弱。從仿真來看，位于氣球副氣囊中的掛架處的磁場接近1 000 A/m左右，即磁感應(yīng)強(qiáng)度約10 Gs左右。按磁場變化率同外部雷電流變化率為線性關(guān)系估算，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率將達(dá)到5 Gs/μs，但實(shí)際仿真數(shù)值略小。氣球副氣囊中的掛架處的磁場大小及其變化率基本上決定了掛架設(shè)備處的電磁感應(yīng)大小。

在雷電瞬變電磁場的作用下，球載電子設(shè)備互聯(lián)電纜上將耦合出雷電瞬態(tài)感應(yīng)電壓和電流。視電纜位置、電纜特性的不同，各電纜的雷電瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果可在很大范圍內(nèi)變化。該系留氣球球載雷達(dá)電子系統(tǒng)典型互聯(lián)電纜的雷電響應(yīng)結(jié)果(屏蔽層感應(yīng)電流)如圖7、圖8所示，其中電纜長度在2 m～3 m范圍。

圖7 1#雷達(dá)方式下典型球載雷電電子設(shè)備互聯(lián)

圖8 2#雷達(dá)方式下典型球載雷電電子設(shè)備互聯(lián)

對比圖7和圖8，容易可發(fā)現(xiàn)，盡管雷擊方式不同，但各電纜響應(yīng)的波形結(jié)構(gòu)卻很接近，響應(yīng)波形的波峰時間T約為6.4 μs，這是磁耦合的典型波形特征。不同于飛機(jī)電子設(shè)備，圖7、圖8所示的雷電感應(yīng)波形沒有復(fù)雜波形模式(在飛機(jī)電子設(shè)備雷電間接效應(yīng)方面，與分量A相關(guān)的基本波形有5種)，這可能是因為重新分布效應(yīng)和結(jié)構(gòu)電壓效應(yīng)［4-5］均不明顯所致。在圖7、圖8中，除少數(shù)幅值較低的電纜電流外，多數(shù)電纜屏蔽層響應(yīng)電流主脈沖持續(xù)時間很接近，大約為60 μs左右;此外，脈沖半峰值時間在30 μs以下。而且還可發(fā)現(xiàn)，圖7、圖8中的響應(yīng)波形同飛機(jī)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)-RTCA DO-160F及SAE ARP5412B標(biāo)準(zhǔn)中定義的電流波形1結(jié)構(gòu)形狀類似，特別是在響應(yīng)脈沖的前沿(時間在6.4 μs內(nèi)段);差別在于電流波形1為單極性脈沖波，而圖7、圖8中波形卻為雙極性的，且圖7、圖8中的電流波形持續(xù)時間較電流波形1為短(電流波形1的半峰值時間為69 μs)。圖7、圖8中所示電流波形同電流波形1在結(jié)構(gòu)上具有相似性絕非偶然，因為它們均由磁耦合導(dǎo)致。在波形時間參數(shù)和特征波形模式上的差別表明，直接采用飛機(jī)電子設(shè)備的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施球載電子設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計和試驗似乎并不合適，應(yīng)進(jìn)行必要波形修訂和裁剪。

在飛機(jī)雷電防護(hù)方面，由于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的傳輸線效應(yīng)及空腔效應(yīng)，脈沖雷電流沿飛機(jī)機(jī)身傳導(dǎo)能引起機(jī)身電流的諧振(共振)及機(jī)身內(nèi)部振蕩的雷電電磁場，從而在設(shè)備電纜上耦合出振蕩形式的感應(yīng)電流或電壓波［4-5］?？紤]到系留氣球避雷索系統(tǒng)的由多段避雷索在空間不均勻布置構(gòu)成，因此我們猜測也應(yīng)存在類似的諧振效應(yīng)。既然諧振頻率和諧振長度滿足半波長整數(shù)關(guān)系，而避雷索系統(tǒng)特征長度在10 m～100 m間，因此諧振頻率至少在1.5 MHz以上。這一點(diǎn)可由圖7、圖8中電流波形上的波紋證實(shí)。1.5 MHz對應(yīng)的振蕩周期為0.67 μs，因此需在更小的時間尺度上細(xì)致觀察這些振蕩。

圖9a)則展示了這些振蕩的電流波形特征，由于電纜電阻的阻尼作用，振蕩幅值呈衰減趨勢，振蕩特征僅在響應(yīng)波形的前沿可見。由于諧振頻率基本同諧振級次成正比，感應(yīng)振蕩的特征往往是在基本振蕩模式疊加上更高頻率的振蕩模式。盡管雷擊方式有異，但各電纜響應(yīng)振蕩特征卻很接近，這是因為振蕩是系統(tǒng)的固有特性。在圖9a)中，基本振蕩周期T在0.6 μs～0.7 μs，同估算吻合。研究振蕩更有效的方式是在頻域討論問題，圖9b)則給出了典型電纜屏蔽層電流的頻域特性。在9b)圖中，諧振表現(xiàn)為一系列諧振峰。在圖9b)中，容易發(fā)現(xiàn)1.5 MHz附近存在強(qiáng)諧振峰，這表明基本諧振頻率約1.5 MHz，其對應(yīng)的振蕩周期約0.67 μs，同估算一致。高頻段上存在更多的諧振峰，但雷電頻譜隨頻率增加呈衰減的特征導(dǎo)致高頻諧振的能量較低。盡管存在振蕩，但不同于飛機(jī)情形，振蕩的幅值較低，這似乎表明無需引入飛機(jī)上的振蕩電流波形3。因此，仿真再次證實(shí)需要裁剪飛機(jī)的雷電間接效應(yīng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，以便更恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行球載電子設(shè)備的雷電防護(hù)設(shè)計和試驗。

圖9 1#、2#及3#雷擊方式下某一屏蔽電纜的屏蔽層雷電響應(yīng)電流的時頻域特性

從圖7、圖8來看，該系留氣球球載電子設(shè)備互聯(lián)電典型響應(yīng)電流幅值(電平)均較低(在10 A～100 A之下)，加上6 dB安全裕度［4-5］，其級別基本在RTCA DO-160F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3等級之下。當(dāng)然，這不是最終定論，因為可能存在更劇烈耦合的雷擊附著方式以及仿真的偏差，以上仿真數(shù)據(jù)會偏小。但可以推測，如果氣球尺寸增加，以致氣球副氣囊中的掛架及電子設(shè)備同避雷索的距離更遠(yuǎn)，則電纜感應(yīng)幅值(設(shè)備防護(hù)等級)會降低;如果氣球尺寸變小或掛架同避雷索的距離減小，則電纜感應(yīng)幅值(防護(hù)等級)會提高。

不論如何，如果直接采用飛機(jī)雷電間接效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)開展該系留氣球球載雷達(dá)電子系統(tǒng)雷電間接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計和試驗工作，則似乎需進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ涡抻喓筒眉簟?/p>

3 結(jié)束語

本文對某系留氣球的瞬態(tài)雷電電磁環(huán)境及其球載雷達(dá)電子設(shè)備的雷電感應(yīng)特性進(jìn)行了仿真研究，并討論了系留氣球雷電電磁仿真的主要建模方法。

針對典型雷擊附著方式，基于EMA3D電磁仿真軟件，分析了該系留氣球及周圍空間的雷電電磁場分特性和球載電子設(shè)備互聯(lián)電纜的雷電響應(yīng)特性，并獲得了球載設(shè)備典型雷電間接效應(yīng)數(shù)據(jù)。從仿真結(jié)果看，該系留氣球雷電電磁環(huán)境具體空間分布較為復(fù)雜，但整體變化趨勢卻較為簡單，即距離避雷索越遠(yuǎn)，其空間電磁場越弱。同時，仿真獲得的氣球副氣囊掛架空間處的峰值雷電磁感應(yīng)強(qiáng)度為10 Gs(1Gs10-4T)左右，而變化率為5 Gs/μs左右。對典型2 m～3 m長的屏蔽電纜，仿真獲得的屏蔽層響應(yīng)電流基本在數(shù)安至上百安培之間，對應(yīng)的電平值基本在RTCA DO-160F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3等級之下。仿真同時表明，電纜響應(yīng)電流波形結(jié)構(gòu)較為單一，特征波形模式較RTCA DO-160F標(biāo)準(zhǔn)為少，且特征時間參數(shù)有別。分析結(jié)果表明，對于開展球載電子設(shè)備的雷電的防護(hù)設(shè)計和試驗而言，直接采用飛機(jī)雷電間接效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可能并不完全合適，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄐ涡抻喓筒眉簟ｊP(guān)于如何進(jìn)行修訂和裁剪，需進(jìn)一步研究確定。

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