孫 斌, 吳天航, 張 松, 王建國(guó), 胡 靜, 司曉亮

(1.中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津 300300; 2.安徽省飛機(jī)雷電防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 3.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031; 4.合肥航太電物理技術(shù)有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引 言

高強(qiáng)度輻射場(chǎng)(high-intensity radiated fields, HIRF)是指民用飛機(jī)在飛行過(guò)程中可能遭遇的由艦船雷達(dá)、機(jī)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)、無(wú)線電臺(tái)和甚高頻電視發(fā)射臺(tái)等人類活動(dòng)造成的電磁環(huán)境[1],其頻率范圍高達(dá)10 kHz～40 GHz。燃油系統(tǒng)作為飛機(jī)上主要分系統(tǒng)之一,在HIRF環(huán)境下的安全性直接影響著飛機(jī)的飛行安全,而其中燃油箱是HIRF環(huán)境下需重點(diǎn)防護(hù)研究的部分。由于復(fù)合材料對(duì)HIRF環(huán)境屏蔽效果較差,在油箱內(nèi)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)感應(yīng)電流、電壓可能會(huì)產(chǎn)生火花,點(diǎn)燃燃油蒸汽,從而引爆燃油箱[2]。

飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱在HIRF環(huán)境下的防護(hù)有效性主要取決于燃油箱的屏蔽特性,而屏蔽效果通常用屏蔽效能(shielding effectiveness,SE)來(lái)進(jìn)行描述,屏蔽效能通常表示為屏蔽后某點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度與屏蔽前該點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度之比,在工程計(jì)算中常使用dB為單位[3-4],SE計(jì)算公式為:

(1)

其中,Eint為屏蔽后的電場(chǎng)強(qiáng)度;Eext為屏蔽前的電場(chǎng)強(qiáng)度。

在屏蔽效能問(wèn)題研究方面,很多研究通常從時(shí)域、電磁屏蔽的角度借助于時(shí)域有限差分法(finite difference time domain method,FDTD)開(kāi)展,且研究主要集中于導(dǎo)電艙體或復(fù)合材料本身,對(duì)于具體的復(fù)合材料飛機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究甚少。文獻(xiàn)[5]基于Robinson模型提出了一種可計(jì)算帶有非中心孔陣金屬屏蔽艙體屏蔽效能的修正模型;文獻(xiàn)[6]研究了在HIRF環(huán)境下不同尺寸的開(kāi)孔對(duì)導(dǎo)電艙體屏蔽效能的影響;文獻(xiàn)[7]研究了不同類型的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)單層層壓板在100 MHz～18 GHz時(shí)的屏蔽效能;文獻(xiàn)[8]介紹了金屬和碳纖維增強(qiáng)柔性聚合物的復(fù)合材料在電磁干擾屏蔽性能方面的最新進(jìn)展;文獻(xiàn)[9]通過(guò)FDTD研究了不同類型的線纜在HIRF環(huán)境下的電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)問(wèn)題。上述研究表明,盡管在金屬艙體的屏蔽效能方面已有一定的研究成果,但針對(duì)復(fù)合材料油箱艙體的研究較少,值得進(jìn)一步探討。

本文通過(guò)建立飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱的簡(jiǎn)化仿真模型,從頻域角度使用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的研究方法,研究在HIRF環(huán)境下,油箱內(nèi)部不同位置、電磁波輻照方向、天線極化方向與不同防護(hù)方式對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱屏蔽效能的影響規(guī)律,為飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱在HIRF環(huán)境下的設(shè)計(jì)與防護(hù)提供參考。

1 復(fù)合材料燃油箱屏蔽效能試驗(yàn)研究

因?yàn)樵贖IRF環(huán)境下,電磁波一般通過(guò)縫隙或孔洞耦合進(jìn)入飛機(jī)燃油箱,所以通過(guò)低電平掃頻場(chǎng)(low-level swept field,LLSF)試驗(yàn)方法對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱殼體HIRF屏蔽效能進(jìn)行研究。

試驗(yàn)件為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm的碳纖維復(fù)合材料立方體油箱模型,表面鋪設(shè)了金屬銅網(wǎng),一側(cè)開(kāi)有一個(gè)200 mm×200 mm的輸/放油孔,試驗(yàn)操作嚴(yán)格按照SAE ARP 5583A標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,并在其內(nèi)部放置了機(jī)械攪拌器,以保證非封閉艙室內(nèi)的場(chǎng)均勻性以及測(cè)試結(jié)果的有效性。

1.1 場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)

在進(jìn)行LLSF試驗(yàn)之前需要進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn),校準(zhǔn)時(shí)將接收天線置于測(cè)試點(diǎn),校準(zhǔn)布置如圖1所示。發(fā)射天線與測(cè)試點(diǎn)之間距離為10 m,為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻照。發(fā)射天線通過(guò)水平與垂直2種極化方式輸出頻率信號(hào),并從不同方向?qū)y(cè)試點(diǎn)輻照,保證所有進(jìn)入飛機(jī)燃油箱的泄漏點(diǎn)被輻照。

圖1 LLSF場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)布置圖

在實(shí)際測(cè)試時(shí),場(chǎng)地因素會(huì)對(duì)LLSF試驗(yàn)造成一些影響,如周圍建筑物與地面反射。因此在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí),每移動(dòng)一次發(fā)射天線都需要進(jìn)行重新校準(zhǔn),以保證測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)處于1 V/m,從而降低周圍環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)時(shí)用到的發(fā)射天線類型見(jiàn)表1所列。在100 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)使用光纖線纜將接收信號(hào)傳輸至接收系統(tǒng),超過(guò)1 GHz時(shí)使用低損耗同軸線纜進(jìn)行傳輸。

表1 LLSF發(fā)射天線類型

場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)過(guò)程為由發(fā)射天線從信號(hào)源發(fā)射信號(hào),并使用功率放大器放大到適當(dāng)?shù)碾娖?使接收天線在測(cè)試頻段接收到的場(chǎng)強(qiáng)電平穩(wěn)定在1 V/m,并記錄此時(shí)的前向功率以供后面測(cè)試使用。所有發(fā)射天線的輻射方向均需在垂直和水平2種極化狀態(tài)下進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)測(cè)試

進(jìn)行LLSF試驗(yàn)測(cè)試時(shí),將飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱試驗(yàn)件置于測(cè)試區(qū)域,再將接收天線放在油箱內(nèi)部待測(cè)位置,始終保持發(fā)射天線與接收天線之間的距離為10 m,其他布置與校準(zhǔn)時(shí)保持一致,試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 LLSF試驗(yàn)布置圖

測(cè)量油箱內(nèi)測(cè)試位置場(chǎng)強(qiáng)時(shí),使用校準(zhǔn)時(shí)記錄的前向功率驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線對(duì)油箱進(jìn)行輻照。使用頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試得到的油箱內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理,從而得到油箱的衰減函數(shù)(屏蔽效能曲線),再通過(guò)線性外推得到不同HIRF環(huán)境下油箱內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)的大小。

油箱內(nèi)部選取9個(gè)測(cè)試點(diǎn),分別位于距離艙體各面200 mm處及艙體中心處,如圖3所示。在100 MHz～2 GHz測(cè)試頻段內(nèi),發(fā)射天線處于垂直極化方式時(shí),選取典型測(cè)試點(diǎn)3、5、6進(jìn)行研究,其屏蔽效能如圖4所示。

圖3 油箱內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖4 典型測(cè)試點(diǎn)屏蔽效能

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在100 MHz～2 GHz頻段,油箱艙體中心測(cè)試點(diǎn)5位置處的屏蔽效能較好,而開(kāi)孔中心測(cè)試點(diǎn)6位置處的屏蔽效能較差,但400 MHz之后艙體中心與測(cè)試點(diǎn)3位置處屏蔽效能相差不大。

2 復(fù)合材料燃油箱屏蔽效能仿真研究

為進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)合材料燃油箱HIRF防護(hù)性能研究,利用電磁仿真軟件CST對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱進(jìn)行數(shù)值模擬仿真,建立復(fù)合材料燃油箱簡(jiǎn)化仿真模型。

該模型結(jié)構(gòu)為規(guī)則立方體結(jié)構(gòu),尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm,在油箱Z方向兩側(cè)邊設(shè)置為導(dǎo)電縫隙結(jié)構(gòu),并在其中一側(cè)設(shè)置了一個(gè)尺寸為200 mm×200 mm的正方形開(kāi)孔用于模擬輸/放油口,與試驗(yàn)件保持一致。油箱蒙皮材料采用型號(hào)為T300/3021的CFRP材料,其碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60%,碳纖維鋪層結(jié)構(gòu)為[10][-45/45/0/90/-45/0/45/0/90/45/-45]S。油箱模型厚度設(shè)置為3 mm,每層鋪層厚度為0.15 mm,在最外層選取銅網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。在油箱中心P1(0,0,0)、開(kāi)孔中心P2(300,-300,300)、P3(-300,300,-300)3個(gè)位置分別設(shè)置場(chǎng)強(qiáng)探頭,探頭具體位置如圖5所示。

圖5 模型內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)探頭位置

仿真時(shí)邊界環(huán)境設(shè)為理想條件,在0～2 GHz頻率下采用1 V/m的均勻平面波進(jìn)行輻照,以保證場(chǎng)均勻性,并得到內(nèi)部各處場(chǎng)強(qiáng)探頭的場(chǎng)強(qiáng)值,再通過(guò)(1)式計(jì)算得到該點(diǎn)處的屏蔽效能。

2.1 不同位置對(duì)屏蔽效能的影響

在入射波沿-X方向垂直極化時(shí)(與試驗(yàn)工況一致),得到P1、P2和P3位置處的屏蔽效能,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。

圖6 不同位置處的屏蔽效能試驗(yàn)及仿真效果對(duì)比

由于油箱艙體往往可以看作諧振艙體,其諧振頻率計(jì)算公式為:

(2)

其中,a、b、h分別為矩形艙體的長(zhǎng)、寬、高;m、n、p分別為諧振波的模,一般取0或整數(shù);c為光速;f為頻率,通過(guò)計(jì)算得到油箱的諧振頻率約為212 MHz。

由圖6可知,仿真建立的是理想模型,得到的仿真結(jié)果曲線較為平滑,試驗(yàn)中由于存在非理想情況,且試驗(yàn)件所用CFRP材料參數(shù)與仿真略有差別,因此其屏蔽效能曲線存在差別。試驗(yàn)結(jié)果的諧振頻率要比仿真結(jié)果小,這是由于試驗(yàn)油箱艙體存在壁耗,壁耗會(huì)降低諧振頻率,抑制諧振[11],且由于Z方向兩側(cè)設(shè)置了孔縫,因此在諧振點(diǎn)2條曲線略有差異。但曲線變化趨勢(shì)基本一致,在400 MHz以后高頻段重合性較好,這是由于400 MHz頻段后,電磁波波長(zhǎng)較短,孔縫便成為外界電磁波進(jìn)入油箱內(nèi)的主要耦合途徑。在P2位置時(shí),由于開(kāi)孔的存在,HIRF耦合參量大,屏蔽效能比在P1和P3位置時(shí)更差。

以上研究結(jié)果表明,油箱內(nèi)部越靠近開(kāi)孔的位置,其屏蔽效能越差。從整體上看,針對(duì)復(fù)合材料燃油箱屏蔽效能的仿真與試驗(yàn)結(jié)果有相近的幅值和變化規(guī)律,證明了仿真模型和試驗(yàn)方法的正確性和可行性。

2.2 不同輻照方向?qū)ζ帘涡艿挠绊?/h3>

在入射波分別沿+X、-X、+Z、-Z4個(gè)方向垂直極化時(shí),獲得P1、P2位置處的屏蔽效能,如圖7所示。

圖7 不同輻射方向下的屏蔽效能

因?yàn)樵?Z方向油箱壁板上有開(kāi)孔,所以當(dāng)輻照方向?yàn)?Z方向時(shí),油箱各處屏蔽效能均要低于輻照方向?yàn)?Z、+X和-X方向時(shí)的屏蔽效能,P2位置甚至出現(xiàn)了負(fù)值的屏蔽效能,這是由于此時(shí)油箱艙體產(chǎn)生了場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)。在輻照方向?yàn)?X時(shí),P1和P2位置處的屏蔽效能在低頻段略高于輻照方向?yàn)?X時(shí)的屏蔽效能,這是由于開(kāi)孔距離油箱模型-X方向一面距離近,但因?yàn)椴皇侵苯诱孑椪臻_(kāi)孔,所以差別不是很明顯。

2.3 不同天線極化方向?qū)ζ帘涡艿挠绊?/h3>

在入射波沿-X方向輻照時(shí),改變天線的極化方向,比較其在垂直極化與水平極化2種狀態(tài)下對(duì)油箱屏蔽效能的影響,得到P1、P2位置處的屏蔽效能,如圖8所示。

圖8 不同天線極化方向下的屏蔽效能

上述計(jì)算結(jié)果表明,在發(fā)射波沿-X方向輻照時(shí),垂直極化下的油箱屏蔽效能要高于水平極化下的屏蔽效能,但相差不大。這是由于油箱Z方向兩側(cè)設(shè)置為縫隙結(jié)構(gòu),由孔縫理論可知,入射波電場(chǎng)方向與矩形孔縫長(zhǎng)邊垂直時(shí),屏蔽效能比入射波電場(chǎng)方向與矩形孔縫長(zhǎng)邊平行時(shí)更差。

2.4 不同防護(hù)方式對(duì)屏蔽效能的影響

在HIRF環(huán)境下,飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱的防護(hù)通常采用表面鋪貼銅網(wǎng)、銅箔和鋁箔的方法。因此入射波在沿-X方向垂直極化輻照下,分別對(duì)油箱模型表面鋪設(shè)相同厚度的銅網(wǎng)、銅箔與鋁箔,銅和鋁均選擇CST自帶的純銅和純鋁材料,其中純銅的密度為8 930 kg/m3,電導(dǎo)率為5.8×107S/m;純鋁的密度為2 700 kg/m3,電導(dǎo)率為3.56×107S/m。獲取不同位置處的屏蔽效能如圖9所示。

圖9 不同防護(hù)方式下的屏蔽效能

研究表明在相同條件下,鋪貼銅網(wǎng)、銅箔與鋪貼鋁箔均能有效提高復(fù)合材料油箱的屏蔽效能,但是由于油箱模型整體較為密閉,開(kāi)孔較小,因此鋪貼銅箔與鋁箔對(duì)油箱屏蔽效能的影響差別不大,但鋪貼銅網(wǎng)的屏蔽效果較好。

在實(shí)際使用過(guò)程中,由于金屬鋁與碳纖維會(huì)發(fā)生電偶腐蝕,當(dāng)將金屬鋁箔用于碳纖維復(fù)合材料上時(shí),需要在鋁箔與碳纖維板中間加一層玻璃纖維。可見(jiàn)采用鋁箔進(jìn)行復(fù)合材料燃油箱HIRF防護(hù)不具有重量?jī)?yōu)勢(shì),因此多采用鋪貼銅網(wǎng)/銅箔。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱進(jìn)行LLSF試驗(yàn)和建模仿真,研究了在HIRF環(huán)境下復(fù)合材料油箱的屏蔽效能受不同因素的影響規(guī)律,試驗(yàn)及仿真分析表明:

(1) 在飛機(jī)復(fù)合材料燃油箱內(nèi)不同位置處的屏蔽效能受孔縫位置的影響,離孔縫越近,其位置處屏蔽效能越差。

(2) 在相同極化方式下,當(dāng)電磁波直接正面輻照開(kāi)孔時(shí)屏蔽效能最差,甚至?xí)霈F(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng),而其他方向屏蔽效能基本相同。

(3) 電磁波極化方向垂直于矩形孔縫長(zhǎng)邊時(shí),比平行時(shí)屏蔽效能更差。

(4) 復(fù)合材料油箱表面鋪貼銅網(wǎng)、銅箔和鋁箔均能提高油箱艙體屏蔽效能,在小開(kāi)孔情況下,2種金屬箔差別不大,但鋁箔防護(hù)會(huì)導(dǎo)致整體重量更大。

(5) 通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明,在低頻段時(shí),HIRF主要是通過(guò)線纜及蒙皮表面線性耦合進(jìn)入油箱,而在400 MHz之后的高頻段時(shí),HIRF主要是通過(guò)開(kāi)口或孔縫進(jìn)入油箱,因此HIRF耦合參量大。結(jié)果得到的屏蔽效能曲線整體趨勢(shì)印證了這點(diǎn),同時(shí)也表明了試驗(yàn)及仿真結(jié)果的合理性。

綜上所述,在低電平掃頻場(chǎng)測(cè)試頻段,復(fù)合材料油箱上的孔縫會(huì)對(duì)油箱的屏蔽效能產(chǎn)生較大影響。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中,電磁敏感度較高的設(shè)備應(yīng)盡量放置在遠(yuǎn)離輸/放油口等明顯孔縫位置的區(qū)域,并且盡量防止復(fù)合材料油箱孔縫被電磁波正面輻照;復(fù)合材料油箱表面蒙皮應(yīng)做好相應(yīng)HIRF防護(hù)措施,如鋪貼金屬銅箔/銅網(wǎng);孔縫處可用導(dǎo)電橡膠進(jìn)行填充,以此提高復(fù)合材料燃油箱在HIRF環(huán)境下的屏蔽效能。