周紜加,趙 民,付繼偉,龍中權(quán)

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076； 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院， 北京 100076)

1 引言

雷電是自然界中一種常見(jiàn)的大氣放電現(xiàn)象，每天發(fā)生約800萬(wàn)次。運(yùn)載火箭在飛行的過(guò)程中不可避免的會(huì)遭遇到雷電環(huán)境，從而對(duì)火箭的航行安全性造成影響，嚴(yán)重者可導(dǎo)致飛行任務(wù)的失敗[1]。根據(jù)雷電對(duì)火箭的損傷模式一般將雷電對(duì)火箭等航天器的影響分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)[2]。直接效應(yīng)包括雷電電弧附著對(duì)火箭所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸變，間接效應(yīng)則主要是由伴隨雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖(lightning electromagnetic pulse,LEMP)耦合對(duì)箭內(nèi)一些敏感的電子電氣設(shè)備所產(chǎn)生的破壞性影響。間接效應(yīng)雖不直接對(duì)火箭產(chǎn)生損傷，但卻可對(duì)其內(nèi)部電氣線路造成擾動(dòng)或損壞，因此雷電間接效應(yīng)也是飛行器雷電防護(hù)的重要內(nèi)容。在適航性認(rèn)證的牽引下，我國(guó)飛機(jī)等航空器的雷電防護(hù)工作較為成熟[3]，但針對(duì)火箭等航天器的雷電防護(hù)工作尚在起步階段。目前，已經(jīng)有一些文獻(xiàn)對(duì)飛行器雷電間接效應(yīng)的防護(hù)方法進(jìn)行了梳理[4-8]，主要包括屏蔽、搭接、濾波、接地、電路端口防護(hù)與電纜防護(hù)等方法，但以上文獻(xiàn)所提出的一些飛行器的雷電防護(hù)方法無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致火箭起飛質(zhì)量的增加從而造成火箭射程、可靠性、機(jī)動(dòng)性等總體參數(shù)的變化，這在相關(guān)文獻(xiàn)中鮮有提及。因此，如何在滿足火箭抗雷電電磁脈沖加固指標(biāo)的基礎(chǔ)上控制其質(zhì)量增量最小是目前飛行器的雷電防護(hù)工作中亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

本文中首先梳理目前火箭對(duì)雷電間接效應(yīng)的一些共性的防護(hù)方法，然后以典型箭上電氣設(shè)備為例，采用粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)得到了滿足不同防護(hù)指標(biāo)下的火箭最小加固質(zhì)量增量設(shè)計(jì)方法，可以為箭上電氣系統(tǒng)抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 加固設(shè)計(jì)方法

按照火箭電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，相對(duì)于一般電氣系統(tǒng)，其加固設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

首先，在系統(tǒng)級(jí)電氣設(shè)計(jì)上盡量避免容易被干擾的接口形式。盡可能選擇合理的電氣接口形式和飛行時(shí)序邏輯，以免電磁脈沖干擾；

其次，火箭普遍采用浮地設(shè)計(jì)，在雷電防護(hù)過(guò)程中需要特別考慮。

在此基礎(chǔ)上綜合選用各種通用加固手段，包括如下：

1) 屏蔽電子設(shè)備單機(jī)殼體應(yīng)為良好屏蔽體，殼體材料應(yīng)采用導(dǎo)電性能優(yōu)良的鋁或鋁合金材料。特別對(duì)電子單機(jī)殼體的孔縫應(yīng)采用導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠、金屬絲網(wǎng)等導(dǎo)電襯墊加強(qiáng)屏蔽。

2) 接地不論電氣電子設(shè)備的電路與設(shè)備殼體是浮地或接地方式，其外殼應(yīng)采用金屬線搭接到運(yùn)載火箭的金屬殼體上，以泄放電纜和殼體上的干擾電流。外殼也可搭接到大面積的金屬隔板上，金屬隔板與運(yùn)載火箭的金屬殼體也應(yīng)良好搭接。

3) 電路端口防護(hù)。應(yīng)在電氣電子設(shè)備電路的最前端進(jìn)行雷電防護(hù)，避免強(qiáng)干擾進(jìn)入電路內(nèi)部。在電源電路端口，采用瞬態(tài)抑制器是有效的雷電防護(hù)方法。常用的瞬態(tài)抑制器包括：壓敏電阻、氣體放電管、瞬態(tài)抑制二極管、半導(dǎo)體放電管等。

4) 電纜防護(hù)。電源線和信號(hào)線電纜應(yīng)設(shè)計(jì)為屏蔽層電纜，電纜屏蔽層與電纜連接器的金屬部分與應(yīng)設(shè)計(jì)為360°可靠電連接，電纜連接器與設(shè)備殼體也應(yīng)保證可靠的電連接，連接部位不應(yīng)有絕緣漆。

3 加固設(shè)計(jì)模型

3.1 耦合途徑

一個(gè)箭內(nèi)典型電氣設(shè)備受雷電電磁脈沖干擾的示意圖如圖1所示[9]。

圖1 箭內(nèi)典型電氣設(shè)備受LEMP影響示意圖

雷電擊中火箭時(shí)，主要通過(guò)以下幾種方式對(duì)箭內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生影響：

1) 雷電電磁脈沖通過(guò)箭上脫插插座直接耦合進(jìn)入線纜芯線，再通過(guò)電纜芯線傳導(dǎo)進(jìn)入箭內(nèi)電氣設(shè)備。

2) 雷電流掃掠箭體時(shí)，通過(guò)箭上搭接線傳導(dǎo)進(jìn)入電纜屏蔽層，再通過(guò)電纜屏蔽層耦合到電纜芯線上，從而傳導(dǎo)進(jìn)入箭內(nèi)電氣設(shè)備。

3) 雷電電磁脈沖直接穿過(guò)敏感電氣設(shè)備的殼體，對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾。

4) 雷電電磁脈沖穿過(guò)敏感設(shè)備殼體上的門、通風(fēng)窗、進(jìn)線孔等孔洞或縫隙，對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生輻射干擾。

根據(jù)以上4種干擾的形式將影響方式1、2稱為傳導(dǎo)干擾，3、4稱為輻射干擾。下面將針對(duì)上述2種不同的干擾形式分別建立火箭的加固設(shè)計(jì)模型。

3.2 加固設(shè)計(jì)模型

3.2.1傳導(dǎo)干擾的加固設(shè)計(jì)模型

1) 對(duì)脫插的加固設(shè)計(jì)

箭上脫插的主要作用是連接內(nèi)部電路與地面設(shè)備，當(dāng)火箭起飛、尾罩分離后，一級(jí)尾段上的箭上脫插直接暴露于空中。當(dāng)雷電擊中火箭并掃掠箭體時(shí)，可在脫插上產(chǎn)生一定幅值的感應(yīng)電流，抑制箭上脫插上感應(yīng)電流的較好方法是在脫插后增加濾波電路，但這無(wú)疑將造成火箭設(shè)計(jì)時(shí)質(zhì)量的大幅增加，因此不考慮對(duì)火箭上的脫插做加固設(shè)計(jì)，其感應(yīng)電流和加固質(zhì)量為：

(1)

2) 對(duì)電纜的加固設(shè)計(jì)

對(duì)電纜加裝屏蔽層可以有效地防止其芯線內(nèi)產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電流，屏蔽層的形式一般有銅絲纏繞、銅箔縱向包裹、銅箔螺旋纏繞等，另外對(duì)屏蔽要求特別高的場(chǎng)合，還可以采用雙層屏蔽的方式，來(lái)確保電纜芯線上不產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電流[10]。不同的加固方式會(huì)帶來(lái)不同程度的質(zhì)量增加，可以用表達(dá)式來(lái)描述線纜質(zhì)量增量與其加固方式的關(guān)系：

(2)

式(2)中：B表示電纜的不同屏蔽方式，常用的電纜屏蔽形式如表1所示；Lcable表示電纜的長(zhǎng)度；ki表示對(duì)單位長(zhǎng)度的電纜進(jìn)行加固所帶來(lái)的質(zhì)量增量，是一個(gè)可隨電纜類型與加固方式調(diào)整的常數(shù)。

表1 電纜的不同屏蔽方式Table 1 Different shielding methods of cables

不同的加固方式會(huì)產(chǎn)生不同的屏蔽效果，不同的屏蔽效果決定了箭上電纜中會(huì)產(chǎn)生不同幅值的感應(yīng)電流[11]，記電纜中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I2，其與加固方式的對(duì)應(yīng)關(guān)系可由仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。

3) 對(duì)電路端口的加固設(shè)計(jì)

若對(duì)設(shè)備端口不做任何加固措施，則雷電電磁脈沖與箭上脫插或電纜產(chǎn)生電磁耦合所在電纜芯線上產(chǎn)生浪涌電流極易直接流入箭內(nèi)電氣設(shè)備，從而對(duì)其造成損壞。因此必須在箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備的端口進(jìn)行電路防護(hù)。

常用的電路端口瞬態(tài)抑制器包括金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistors,MOV)、氣體放電管(gas discharge tube,GDT)、瞬態(tài)電壓抑制二極管(transient voltage suppressor,TVS)、半導(dǎo)體放電管(thyristor surge suppressor,TSS)等[12-14]。由于壓敏電阻與氣體放電管響應(yīng)速度較慢，常用市電防雷，不滿足箭內(nèi)敏感設(shè)備的防雷需求，因此考慮在箭內(nèi)敏感設(shè)備端口采用TVS與TSS作為端口電流浪涌抑制器件。本文中以在電路端口使用TSS為例建立箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計(jì)模型。TSS是一種根據(jù)晶閘管的開(kāi)關(guān)原理制作的過(guò)壓保護(hù)器件，一般將TSS直接跨接在被保護(hù)電路兩端，當(dāng)TSS外加電壓達(dá)到其轉(zhuǎn)折電壓VS時(shí)TSS轉(zhuǎn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)其兩端電壓被箝位在一個(gè)較低的電壓值VT上，從而很好地保護(hù)了與其并聯(lián)的敏感設(shè)備不被瞬時(shí)的浪涌過(guò)電壓損傷，且TSS的響應(yīng)時(shí)間很快，僅為納秒級(jí)，因此很適用于對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)。其伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 TSS的伏安特性曲線

由TSS的伏安特性曲線可以總結(jié)出在箭內(nèi)敏感設(shè)備端口采取雷電防護(hù)措施時(shí)的質(zhì)量增量模型。分為使用TSS與不使用TSS兩種情況來(lái)討論。

當(dāng)敏感設(shè)備端口不使用TSS時(shí)：

(3)

敏感設(shè)備端口使用TSS時(shí)：

(4)

式中：Zd表示設(shè)備端口的輸入阻抗；IPP表示TSS的最大通流容量。記：

Δmchd=Δmtc+Δmcable+Δmdk

(5)

為箭內(nèi)電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖傳導(dǎo)耦合的加固質(zhì)量增量模型。

3.2.2輻射干擾加固設(shè)計(jì)模型

一個(gè)典型的屏蔽體機(jī)箱如圖3所示，由圖3可見(jiàn)一般機(jī)箱裝配面處的接縫、通風(fēng)冷卻孔、觀察窗口與器件調(diào)諧孔等等，必須針對(duì)機(jī)箱上這些可能造成電磁泄露的門、窗、孔、縫等采取針對(duì)性措施，來(lái)抑制由于屏蔽機(jī)箱無(wú)法完全密封所造成的電磁泄露。工程上經(jīng)常使用電磁場(chǎng)穿過(guò)屏蔽體的衰減量來(lái)衡量屏蔽體的屏蔽效果，屏蔽效果以dB為單位，其值越大，表示屏蔽效果越好[4]。

圖3 屏蔽機(jī)箱示意圖

對(duì)雷電電磁脈沖輻射傳導(dǎo)的防護(hù)主要涉及對(duì)箭內(nèi)敏感電氣設(shè)備的屏蔽、對(duì)屏蔽殼體上孔洞與縫隙的防護(hù)。

1) 設(shè)備殼體

箭內(nèi)敏感設(shè)備殼體多采用碳纖維復(fù)合材料制成，碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性雖不如金屬材料，但其具有密度小、振動(dòng)阻尼性好、抗疲勞能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[15]。假設(shè)厚度為1 mm的碳纖維殼體可以產(chǎn)生30 dB的衰減量，若要提高其屏蔽效能，則必須增加碳纖維殼體的厚度。因此對(duì)敏感設(shè)備殼體的加固質(zhì)量增量模型為[16]：

(6)

式中：ρkt與Skt分別為碳纖維殼體材料的密度和表面積；dkt為碳纖維殼體的厚度；T為與材料本身屏蔽性能有關(guān)的衰減效果特征參數(shù)。

2) 通風(fēng)孔

一般考慮在通風(fēng)孔處設(shè)置通風(fēng)波導(dǎo)窗，在實(shí)現(xiàn)有效通風(fēng)的同時(shí)又可以保證對(duì)低頻電磁波的有效屏蔽。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的結(jié)論，波導(dǎo)窗的厚度與衰減量成線性關(guān)系，所以對(duì)通風(fēng)孔處進(jìn)行加固后其質(zhì)量增量模型為：

Δmbd=kbd·A1

(7)

式中：A1為波導(dǎo)窗所提供的電磁屏蔽效能；kbd為波導(dǎo)窗質(zhì)量與其所能夠提供的屏蔽衰減量之間的系數(shù)，是一個(gè)與波導(dǎo)窗的面積與波導(dǎo)窗類型有關(guān)的常數(shù)。

3) 縫隙

一般考慮在縫隙處采用導(dǎo)電氈布，對(duì)于屏蔽要求特別高的場(chǎng)合，考慮采用導(dǎo)電橡膠或者梳形簧片，這些屏蔽措施相比于殼體質(zhì)量來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，因此縫隙處的質(zhì)量增量模型為

(8)

式中:Afx為該設(shè)備殼體在縫隙處所需要的電磁屏蔽效能。對(duì)于銅箔或?qū)щ姎植紒?lái)說(shuō)，Afx取60 dB，對(duì)于導(dǎo)電橡膠或者梳形簧片來(lái)說(shuō)，Afx取80 dB。記：

Δmfsh=Δmkt+Δmbd+Δmfx

(9)

滿足約束條件：

-10lg(10-A0/10+10-A1/10+10-A2/10)≥Azhb

(10)

為箭內(nèi)典型電氣設(shè)備抗雷電電磁脈沖輻射傳導(dǎo)的質(zhì)量增量模型。

3.2.3最小質(zhì)量增量模型

由以上分析可得箭內(nèi)典型電氣設(shè)備抗LEMP的最小質(zhì)量增量模型：

ΔmLEMP=min{Δmchd+Δmfsh}

(11)

滿足約束條件：

(12)

于是運(yùn)載火箭的抗雷電電磁脈沖的工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)帶有約束條件的單目標(biāo)尋優(yōu)問(wèn)題，應(yīng)選擇合適的方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而權(quán)衡火箭抗雷電電磁脈沖指標(biāo)與加固質(zhì)量增量之間的關(guān)系，在滿足加固指標(biāo)的情況下獲得最佳的火箭總體性能參數(shù)。

4 加固設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 粒子群算法

粒子群算法[18]屬于群智能算法的一種，是受鳥(niǎo)群捕食行為啟發(fā)所設(shè)計(jì)的一種全局尋優(yōu)算法，它的核心思想是利用群體中個(gè)體對(duì)信息的共享從而使整個(gè)群體的運(yùn)動(dòng)在問(wèn)題求解空間中從無(wú)序變?yōu)橛行?。在該算法中，每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解都是搜索空間中的一個(gè)“粒子”，所有的粒子都具有一個(gè)位置向量(粒子在解空間的位置)和一個(gè)速度向量(決定下次飛行的方向和速度)，并可以根據(jù)目標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算當(dāng)前所在位置的適應(yīng)度值。在每次迭代中，每個(gè)粒子除了根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)(歷史位置)進(jìn)行學(xué)習(xí)之外，還可以根據(jù)種群中最優(yōu)粒子的“經(jīng)驗(yàn)”來(lái)學(xué)習(xí)從而確定下一次迭代時(shí)飛行的方向與速度，這樣逐步迭代后整個(gè)種群就會(huì)逐步趨向最優(yōu)解。粒子群算法省去了遺傳算法的交叉與變異操作，簡(jiǎn)單易行，收斂性好，特別適合工程上的一些優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

4.2 傳導(dǎo)干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，火箭被雷電擊中時(shí)在其箭上脫插上產(chǎn)生的感應(yīng)電流峰值為0.12 A，按照最嚴(yán)苛的條件，定義為：

I1=0.12 A

(13)

根據(jù)對(duì)雷電環(huán)境下火箭上裝電纜感應(yīng)電流的數(shù)值仿真，采用不同類型的屏蔽方式所導(dǎo)致的電纜質(zhì)量增量與電纜芯線上產(chǎn)生的感應(yīng)電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

(14)

設(shè)備端口的輸入阻抗Zd定義為50 Ω，根據(jù)對(duì)廠家產(chǎn)品的調(diào)研，選用的TSS轉(zhuǎn)折電壓VS為15 V，箝位電壓VT為4 V，使用TSS后在設(shè)備端口由于TSS自身的質(zhì)量和加工工藝所造成的質(zhì)量增Δm3=0.65 kg。將各參數(shù)代入運(yùn)載火箭抗雷電電磁脈沖傳導(dǎo)干擾的加固設(shè)計(jì)模型，應(yīng)用粒子群算法對(duì)總體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，幾個(gè)典型的優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 不同電流指標(biāo)下傳導(dǎo)干擾加固的優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results of conducted interference reinforcement under different current indexes

以指標(biāo)要求為0.3 A和25 A為例，采用粒子群算法所得到的群體適應(yīng)度值迭代情況如圖4和圖5所示。

圖4 指標(biāo)為0.3 A時(shí)適應(yīng)度迭代值

圖5 指標(biāo)為25 A時(shí)適應(yīng)度迭代值

從圖4與圖5中可以看出，當(dāng)指標(biāo)要求為0.3 A時(shí)，粒子群迭代5次后開(kāi)始收斂；當(dāng)指標(biāo)要求為25 A時(shí)，粒子群迭代14次后開(kāi)始收斂，2次優(yōu)化設(shè)計(jì)均在滿足端口電流指標(biāo)的情況下得到了最小質(zhì)量增量的加固設(shè)計(jì)方案。

4.3 輻射干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

文獻(xiàn)[19]中指出當(dāng)碳纖維復(fù)合材料增大1倍厚度時(shí)理論上可增加6 dB屏蔽效能，考慮一個(gè)邊長(zhǎng)為22 cm的正六面體殼體，殼體厚1 mm，密度為ρkt=1.8×103kg/m3，根據(jù)式(6)代入相關(guān)參數(shù)得到其屏蔽效能與質(zhì)量增量滿足：

(15)

屏蔽殼體上通風(fēng)孔處采用波導(dǎo)窗對(duì)電磁輻射進(jìn)行屏蔽，質(zhì)量增量模型為：

Δmbd=0.05A1

(16)

將這些參數(shù)代入運(yùn)載火箭抗輻射干擾的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，采用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，幾個(gè)典型的優(yōu)化結(jié)果如表3和表4所示。

表4 不同指標(biāo)下的輻射干擾加固設(shè)計(jì) 優(yōu)化結(jié)果(導(dǎo)電膠條)Table 4 Optimization results of radiation interference reinforcement design under different indexes (conductive adhesive strip)

以指標(biāo)要求為30 dB和60 dB為例，采用粒子群算法所得到的群體適應(yīng)度值迭代情況如圖6和圖7所示。

圖6 指標(biāo)為30 dB時(shí)適應(yīng)度迭代值

圖7 指標(biāo)為60 dB時(shí)適應(yīng)度迭代值

由圖6可以看出，在縫隙處使用導(dǎo)電氈布、衰減指標(biāo)要求為30 dB時(shí)，粒子群迭代39次開(kāi)始收斂；由圖7可以看出，當(dāng)縫隙處使用導(dǎo)電膠條、衰減指標(biāo)為60 dB時(shí)，粒子群迭代43次開(kāi)始收斂。所得結(jié)果均在滿足屏蔽機(jī)箱衰減指標(biāo)要求的條件下控制了質(zhì)量增量最小。

通過(guò)以上2個(gè)實(shí)例可以看出，本文中所提出的基于粒子群算法的面向最小質(zhì)量增量的火箭抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計(jì)方法，探索研究了加固質(zhì)量與雷電環(huán)境條件之間的關(guān)系，對(duì)不同的環(huán)境條件進(jìn)行了不同程度的加固設(shè)計(jì)，該算法行之有效、收斂性好，既可為后續(xù)火箭的抗雷電加固設(shè)計(jì)提供有益參考，又可為類似領(lǐng)域的優(yōu)化問(wèn)題提供借鑒方案。

5 結(jié)論

隨著火箭全天候發(fā)射需求的與日俱增，必須在火箭的設(shè)計(jì)上充分考慮雷電電磁脈沖對(duì)箭內(nèi)電氣設(shè)備的影響，在提高火箭對(duì)雷電電磁環(huán)境的適應(yīng)性的同時(shí)兼顧火箭的總體參數(shù)。本文中提出了基于粒子群算法的運(yùn)載火箭抗雷電電磁脈沖的加固設(shè)計(jì)方法，所得到的主要結(jié)論有：

1) 對(duì)于雷電電磁脈沖的傳導(dǎo)干擾，若允許流入電氣設(shè)備的電流指標(biāo)較高(Izhb≥25 A)，則可以不采取任何加固措施，帶來(lái)的質(zhì)量增量為0，否則必須采取屏蔽電纜、端口防護(hù)等方式對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2) 對(duì)于雷電電磁脈沖的輻射干擾，隨著Azhb的增加，加固所帶來(lái)的質(zhì)量增量也越來(lái)越大。

3) 由于火箭的起飛質(zhì)量對(duì)火箭總體性能的影響較大，因此應(yīng)針對(duì)箭內(nèi)電氣設(shè)備的不同加固指標(biāo)采取不同的加固措施，力求在加固設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)之間取得平衡。