飛機(jī)及軍用裝備雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)方法解析

趙濤寧

（蘇州峰極電磁科技有限公司，江蘇 蘇州 215011）

摘要：雷電是影響飛機(jī)飛行安全的重要因素之一。飛機(jī)的雷電效應(yīng)一般分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，裝有高精度、智能化飛控系統(tǒng)的現(xiàn)代飛機(jī)，在遭受雷擊時(shí)更容易受到雷電間接效應(yīng)的影響，導(dǎo)致功能異?；蛘呤Э?。本文通過對(duì)雷電與飛機(jī)的作用耦合機(jī)理的深入研究和對(duì)各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析，對(duì)飛機(jī)雷電間接效應(yīng)的試驗(yàn)方法做了深入解析，指出了試驗(yàn)中的難點(diǎn)重點(diǎn)；基于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，研制了一套用于雷電間接效應(yīng)測(cè)試的模擬器，測(cè)試結(jié)果證明了輸出波形和性能與標(biāo)準(zhǔn)的符合性。

關(guān)鍵詞：雷電間接效應(yīng)雷電防護(hù)瞬態(tài)感應(yīng)試驗(yàn)方法

中圖分類號(hào)： TM833文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

飛機(jī)在強(qiáng)對(duì)流天氣飛行時(shí)，容易遭受到雷擊，一般將飛機(jī)雷電效應(yīng)分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩個(gè)部分。直接效應(yīng)主要針對(duì)飛機(jī)外部可以直接遭受到雷擊的結(jié)構(gòu)部件，會(huì)導(dǎo)致機(jī)身材料溶蝕、擊穿，造成結(jié)構(gòu)損壞甚至引起飛機(jī)解體。間接效應(yīng)是直接雷電大電流沖擊機(jī)身，在飛機(jī)表面產(chǎn)生的瞬變脈沖電流在內(nèi)部線纜束和設(shè)備端口感應(yīng)出的瞬態(tài)浪涌信號(hào)，造成電子系統(tǒng)功能異常或飛機(jī)失控^[1]。

隨著科技的發(fā)展，一方面高強(qiáng)度復(fù)合材料因其結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良、重量輕等特點(diǎn)、已經(jīng)逐步在替代金屬材料應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身的制作。另一方面高集成度、智能化的電子系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了飛機(jī)智能化程度、簡(jiǎn)化了飛機(jī)的控制操作程序。但是飛機(jī)在遭受雷擊時(shí)，由于復(fù)合材料的導(dǎo)電和屏蔽性能差，雷電流流過表面會(huì)形成較高的結(jié)構(gòu)IR電壓、和在內(nèi)部導(dǎo)線上會(huì)感應(yīng)出較高的電流，而高集成度、高靈敏度的電子芯片更容易受到干擾，導(dǎo)致功能異常，甚至發(fā)生失控事故。因此，進(jìn)行飛機(jī)遭受雷電間接效應(yīng)的研究，對(duì)于飛行安全具有重要意義^[2]。

為了能準(zhǔn)確模擬飛機(jī)遭受雷擊時(shí)內(nèi)部設(shè)備所承受的雷電間接效應(yīng)的影響，本文通過對(duì)雷電與飛機(jī)作用機(jī)理的研究，和對(duì)國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解讀分析，對(duì)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行了深入分析，對(duì)試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1  自然雷電特性分析

自然界的雷電現(xiàn)象是雷雨云之間或在云地之間形成，根據(jù)放電環(huán)境和放電電流通道可將雷電分為云地負(fù)閃、云地正閃和云間閃電三種類型^[3]

1.1云地負(fù)閃

一般云地負(fù)閃發(fā)生的概率為云地閃的80%以上，經(jīng)過預(yù)計(jì)穿、梯級(jí)先導(dǎo)后使空氣形成等離子體放電通道，然后帶電云團(tuán)內(nèi)的電荷大量向下轉(zhuǎn)移形成首次回?fù)?、后續(xù)回?fù)?，典型的?duì)地負(fù)閃波形如圖1、表1所示，一般由1-11個(gè)脈沖組成，平均值為3個(gè)，最多可到26個(gè)。 總的持續(xù)時(shí)間在20ms 到1s 之間，平均值為0.2s， 回?fù)糸g的時(shí)間間隔一般約60ms，首次回?fù)舻纳仙龝r(shí)間大約為2μs，衰減時(shí)間為40μs，峰值可達(dá)100kA，后續(xù)回?fù)舻姆档停渖仙乃俣确炊鴷?huì)更快 ，回?fù)糁g會(huì)有100-400 A的“持續(xù)電流”。

圖1 典型的對(duì)地負(fù)閃波形

表1 對(duì)地負(fù)閃的主要參數(shù)

1.2云地正閃

云地正閃發(fā)生頻率較云地負(fù)閃低，約占10%左右，主要發(fā)生在高山或者高塔等特殊環(huán)境，通常只有一個(gè)回?fù)?，云團(tuán)內(nèi)的能量一次泄放完成，具有電流峰值高、電荷轉(zhuǎn)移量大等特點(diǎn)，如圖2、表2所示，最大峰值可能會(huì)達(dá)到250kA以上，傳遞電荷量達(dá)到350C以上，但波形上升率低于對(duì)地負(fù)閃。

圖2 典型的對(duì)地正閃波形

表2 對(duì)地正閃波形參數(shù)

1.3云內(nèi)閃電

云內(nèi)閃電目前研究相對(duì)較少，美國(guó)和法國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)利用飛機(jī)上安裝的相關(guān)儀器進(jìn)行了云內(nèi)閃電的研究，主要是由云團(tuán)內(nèi)電荷的重新分配產(chǎn)生。如圖3所示，一般幅值較小，只有20-30kA，但頻次較高，脈沖的上升率較大。

圖3 典型的云閃波形

2  飛機(jī)雷電試驗(yàn)波形

飛機(jī)雷電試驗(yàn)的波形選取主要依據(jù)自然界各種雷電的特點(diǎn)發(fā)生的概率，SAEARP5412的標(biāo)準(zhǔn)中將雷電電流理想化為3種類型的標(biāo)準(zhǔn)波形：大電流的ABCD連續(xù)波、多次回?fù)舻腄波、以及多脈沖群形式的H波。

2.1 大電流ABCD連續(xù)波

大電流的ABCD主要用來模擬對(duì)地正閃、對(duì)地負(fù)閃所產(chǎn)生的大電流，主要用來進(jìn)行雷電大電流、高能量對(duì)被測(cè)物體造成的物理破壞效應(yīng)，波形要求如圖4 所示，其中：

A分量代表負(fù)閃首次回?fù)艉驼W的峰值電流，定義波形參數(shù)為：峰值200kA，作用積分2×10⁶A²s，波形起始點(diǎn)到峰值的時(shí)間為6.4us，波形起始點(diǎn)到下降為一半的時(shí)間為69us。使用雙指數(shù)形式標(biāo)示為：

其中，I₀=218810A，α=11354s^-1，β=647265s^-1，γ=5423540s^-1，t是時(shí)間（s）

B分量標(biāo)示負(fù)閃中的中間電流，也可認(rèn)為是A分量波形的延續(xù)，波形定義為：平均電流2kA，持續(xù)時(shí)間為5ms的指數(shù)波或者方波，對(duì)波形上升時(shí)間和下降時(shí)間無具體要求。雙指數(shù)波形表達(dá)式同（式1），其中，I₀=11300A，α=700s^-1，β=2000s^-1，γ=22 000.0s^-1 ，t =time(s)

C分量標(biāo)示負(fù)閃中回?fù)糁苯虞^長(zhǎng)的持續(xù)電流，定義波形參數(shù)為平均電流為200A-800A之間，持續(xù)時(shí)間0.25s-1s之間，電荷轉(zhuǎn)移量為200C的單向波，可以是指數(shù)或者方波直流

D分量標(biāo)示負(fù)閃中的一個(gè)后續(xù)回?fù)?，定義波形參數(shù)為：峰值100kA，作用積分0.25×10⁶A²s，波形起始點(diǎn)到峰值的時(shí)間為3.2us，波形起始點(diǎn)到下降為一半的時(shí)間為34.5us。同樣使用（式1）的雙指數(shù)波表達(dá)，其中，

I₀=109405 A，α=22 708s^-1，β=1 294 530s^-1，γ=10 847 100s^-1，t=time(s)

需要注意的一點(diǎn)是，當(dāng)僅用來進(jìn)行直接效應(yīng)試驗(yàn)時(shí)，A分量和D分量的波頭上升時(shí)間要求可以降低，且不限定波形形式，可以是指數(shù)波也可以是振蕩波，只需要幅值和作用積分達(dá)到即可。

圖4 ABCD連續(xù)波示意圖

2.2 多次回?fù)舻腄波

如圖5所示，在對(duì)地負(fù)閃中，發(fā)現(xiàn)到多達(dá)14次隨機(jī)的有間隔的回?fù)?，多次回?fù)舻腄波就是用來模擬自然界中這種對(duì)地負(fù)閃的情況。定義首次回?fù)舴逯禐?00kA，后續(xù)13個(gè)回?fù)舻姆逯禐?0kA，波形參數(shù)為D波，總的持續(xù)時(shí)間為1.5s，間隔時(shí)間在10-200ms之間，平均間隔時(shí)間為115ms。由于多次回?fù)舻哪芰啃∮贏BCD連續(xù)波，因此多次回?fù)糁饕脕碓u(píng)估系統(tǒng)在受到多重瞬態(tài)效應(yīng)影響時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的間接效應(yīng)影響。

圖5 多次回?fù)舨ㄐ问疽鈭D

2.3多脈沖群的H波

多重脈沖群H波是根據(jù)空中飛行所獲得的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出來的，主要包括了云內(nèi)閃電的高頻次特性，也包含了云地閃初期梯級(jí)擊穿過程中的放電特性，這些現(xiàn)象也可能在閃電過程中隨機(jī)出現(xiàn)。

如圖6所示，H波定義為幅值為10kA，波形起始到峰值的上升時(shí)間為0.245us，波形起始到下降至一半峰值的時(shí)間為4us，可使用式1的雙指數(shù)函數(shù)標(biāo)示，其中，I₀=10572 A，α=187 191s^-1，β=19 105 100s^-1，γ=153 306 000s^-1，t=time(s)。

一個(gè)脈沖群包含3個(gè)脈沖組，組之間間隔為30-300ms，每一個(gè)脈沖組有20個(gè)脈沖，間隔為50-1000us。

圖6 多脈沖群測(cè)試的H波形示意圖

3雷電與飛機(jī)的相互作用

雷電在與飛機(jī)相互作用過程中，雷電直接附著在飛機(jī)表面，對(duì)飛機(jī)表面材料和結(jié)構(gòu)造成直接效應(yīng)影響，導(dǎo)致表面溶蝕、穿孔、結(jié)構(gòu)變形等物理現(xiàn)象，且在此過程中，瞬態(tài)變化的強(qiáng)大雷電流會(huì)造成飛機(jī)內(nèi)部機(jī)載設(shè)備及其連接線纜上感應(yīng)出強(qiáng)烈的脈沖電壓和電流信號(hào)，如果機(jī)載設(shè)備未設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)措施，就有可能造成設(shè)備器件燒毀、功能異常等故障，嚴(yán)重的可能引起飛控系統(tǒng)故障，造成機(jī)毀人亡的重大飛行事故。

高幅值和高變化率的A、D和H分量會(huì)在飛機(jī)的線路中誘導(dǎo)出大部分的暫態(tài)波形，而分量B和C不會(huì)造成重要影響。雷電間接效應(yīng)的影響主要有2種途徑：結(jié)構(gòu)IR電壓和孔縫耦合。

3.1 結(jié)構(gòu)IR電壓

雷電流流過機(jī)體表面是由于機(jī)體時(shí)，機(jī)體的結(jié)構(gòu)阻抗會(huì)在兩臺(tái)機(jī)載設(shè)備之間形成電壓差，造成設(shè)備的過電壓擊穿，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在復(fù)合材料的機(jī)身上。一般常見的結(jié)構(gòu)IR電壓波形為電流波形分量A（波形4），在結(jié)構(gòu)IR電壓的擴(kuò)散耦合過程中，會(huì)耦合出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、但幅度不大的波形，如果是結(jié)構(gòu)阻抗較高產(chǎn)生的波形具有更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間和更大的幅值，一般規(guī)定為2種波形40/120μs（波形5A）和50/500μs（波形5B）。

圖7 結(jié)構(gòu)IR耦合電氣等效圖

3.2 線纜耦合效應(yīng)

雷電流流過機(jī)體表面是，強(qiáng)烈變化的電磁場(chǎng)穿過孔縫在內(nèi)部導(dǎo)線和屏蔽上將誘導(dǎo)電流和電壓，在電線和屏蔽層等低阻抗結(jié)構(gòu)上會(huì)誘導(dǎo)出與電流分量A成正比的電流波形6.4/69μs（波形1），穿過小孔的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)在電纜上產(chǎn)生共振，振蕩的頻率取決于孔縫大小和結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，通常規(guī)定為阻尼正弦波，頻率為1MHz和10MHz。

圖8瞬變電磁場(chǎng)孔縫耦合效應(yīng)示意圖

4  實(shí)驗(yàn)室雷電試驗(yàn)方法淺析

雷電具有上億伏的電壓和數(shù)百千安的電流，按照典型的對(duì)地負(fù)閃計(jì)算，若定義首次閃電電流2×10⁵A，電壓1×10⁸V，可理論計(jì)算出瞬時(shí)峰值功率為：

P=U*I=2×10¹³W   （式2）

按照A波形計(jì)算放電能量：

若以電容器儲(chǔ)能放電形式完成本次放電，需要儲(chǔ)能電容電壓1億伏，電容量為0.3uF，

電容器儲(chǔ)能能量為：

按照一分鐘放電一次，依據(jù)電荷守恒定律，可計(jì)算出需要充電電源功率：

從以上（式6）計(jì)算可以看出，若想在實(shí)驗(yàn)室中完全模擬自然界雷電需要供電電源達(dá)到500MW，基本是不可能實(shí)現(xiàn)的，若考慮發(fā)生器的體積，1億伏的電壓需要試驗(yàn)大廳的高度400米以上，堪比世界級(jí)摩天大樓。因此，根據(jù)雷電對(duì)不同試驗(yàn)部件的影響將飛機(jī)的雷電試驗(yàn)分為雷電直接效應(yīng)和雷電間接效應(yīng)兩類。

4.1雷電直接效應(yīng)試驗(yàn)

雷電直接效應(yīng)主要的受試對(duì)象是機(jī)身外部材料、結(jié)構(gòu)、安裝在外部的電氣部件。目的在于測(cè)試被試件在強(qiáng)大的雷電流流過時(shí)，表面是否會(huì)出現(xiàn)溶蝕、損傷或者結(jié)構(gòu)變形，是否存在影響飛行安全的因素?？赏ㄟ^高電壓試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行脈沖電場(chǎng)下的放電試驗(yàn)，找到雷電可能注入的位置和雷電在飛機(jī)表面的掃略路徑，然后對(duì)可能遭受雷擊的入點(diǎn)和出點(diǎn)進(jìn)行大電流注入，測(cè)試在大電流下機(jī)身材料的物理特性。由于云間閃電能量小，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料的破壞能力遠(yuǎn)小于對(duì)地正閃和對(duì)地負(fù)閃，因此直接效應(yīng)測(cè)試只考慮云地正閃和負(fù)閃，且測(cè)試時(shí)可不用過多考慮di/dt對(duì)試驗(yàn)件的影響，主要考核電流峰值和作用積分的能量是否達(dá)到即可。

圖9 雷電直接效應(yīng)對(duì)于ABCD連續(xù)波的波形參數(shù)要求示意圖

4.2雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)

雷電間接效應(yīng)的受試對(duì)象主要為機(jī)身內(nèi)部安裝的機(jī)載設(shè)備、互聯(lián)電纜、儀器儀表等雷電不會(huì)直接作用于其表面的部件。目的在于測(cè)試?yán)纂娏鬟^飛機(jī)表面時(shí)，在內(nèi)部安裝的設(shè)備、儀器是否會(huì)出現(xiàn)功能異?；蛘邠p壞，是否會(huì)引起誤動(dòng)作等故障。

由于機(jī)載設(shè)備等安裝在飛機(jī)內(nèi)部，測(cè)試的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于直接效應(yīng)所測(cè)試的外部結(jié)構(gòu)件，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)?zāi)康模砩峡赏ㄟ^兩種方案實(shí)現(xiàn)：

一種方案是在飛機(jī)外部直接注入滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的雷電電流波形，檢測(cè)內(nèi)部設(shè)備是否工作正常。這種方案的好處是可以最真實(shí)的模擬飛機(jī)在雷電環(huán)境下的運(yùn)行可靠性，但是執(zhí)行困難。首先，飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多樣，整機(jī)完成組裝時(shí)已處于研制后期，此時(shí)如果測(cè)試出現(xiàn)問題將會(huì)嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度；另外，整機(jī)要進(jìn)行額定的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試設(shè)備的要求也非常高，間接效應(yīng)不像直接效應(yīng)的試驗(yàn)只需要對(duì)縮比模型和部件的大電流注入即可，波形也只需要滿足幅值和能量，對(duì)波形前沿?zé)o特殊要求，但是間接效應(yīng)的試驗(yàn)就不同了，主要是模擬雷電放電的感應(yīng)效應(yīng)，對(duì)雷電波形的電流變化率更為敏感，因此，間接效應(yīng)試驗(yàn)不只要幅值和能量達(dá)到要求，更重要的是對(duì)于波形的波頭時(shí)間和波形的重復(fù)頻率等有了更高的要求，這也就對(duì)試驗(yàn)的設(shè)備提出更高要求，理論計(jì)算若要達(dá)到模擬云地閃的大電流試驗(yàn)設(shè)備，成本造價(jià)最少需要上億元人民幣，如果要實(shí)現(xiàn)多次回?fù)舻脑囼?yàn)設(shè)備同樣需要上億元人民幣的投入，而要想實(shí)現(xiàn)模擬云間閃電的H波脈沖群發(fā)生器，發(fā)生器的設(shè)計(jì)電壓需要達(dá)到3000kV以上，是我們平時(shí)使用的脈沖群發(fā)生器（一般4-6kV）的近1000倍，而成本與電壓的平方成正比，那也意味著花費(fèi)將是天文數(shù)字。綜合考慮，這樣的試驗(yàn)方案基本上不可行。

另一種方案是小電流外推方法^[4][5]，也是SAE標(biāo)準(zhǔn)所推薦的試驗(yàn)方法，具體操作思路是對(duì)飛機(jī)注入一個(gè)幅值遠(yuǎn)小于額定值的電流波形，通過飛機(jī)內(nèi)置傳感器測(cè)量不同部位、不同設(shè)備上所感應(yīng)出的電流值，然后在所測(cè)量電流值乘以一個(gè)比例系數(shù)得到對(duì)應(yīng)的設(shè)備需要進(jìn)行的試驗(yàn)幅值，再使用信號(hào)發(fā)生器對(duì)機(jī)載設(shè)備進(jìn)行直接注入或者耦合注入即可。此方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投入成本低，可將整體的試驗(yàn)化整為零，分解到各設(shè)備廠家進(jìn)行。典型的測(cè)試電流一般以1000A的電流注入飛機(jī)外部，內(nèi)部加裝電流檢測(cè)線圈，采用示波器采集感應(yīng)信號(hào)，采集到的信號(hào)再乘以200倍的比例因子得到該部位安裝的設(shè)備所需要進(jìn)行測(cè)試的電流/電壓值，詳細(xì)的試驗(yàn)方法可參加SAE ARP5415標(biāo)準(zhǔn)。

在進(jìn)行小電流外推試驗(yàn)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

A．         使用A波、D波、和H波三種波形進(jìn)行測(cè)試，由于只是進(jìn)行感應(yīng)幅度的測(cè)量，可以不用多次回?fù)艉投嗝}沖群的形式進(jìn)行試驗(yàn)，只進(jìn)行單波測(cè)試即可。

B．         注入的電流幅值應(yīng)以不損壞飛機(jī)內(nèi)的儀器為前提，典型的試驗(yàn)幅值可選取500A-1000A

C．         比例因子=額定值÷試驗(yàn)值。額定值參加表2，即A分量為200kA，D分量為100kA，H分量為10kA。

D．        由于感應(yīng)信號(hào)小，一般為幾安培至幾十安培的脈沖信號(hào)，可能會(huì)受到環(huán)境的干擾，應(yīng)考慮信號(hào)在傳輸過程中的損耗，提高抗干擾措施，建議采用光纖采集系統(tǒng)。

E．         理論上測(cè)試到的感應(yīng)電平并非線性的，而是隨著電流的增加感應(yīng)幅值增幅會(huì)降低，實(shí)際按照比例因子外推的試驗(yàn)電平已超過實(shí)際感應(yīng)電平。

圖10 小電流外推試驗(yàn)回路搭建

5機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)

根據(jù)3.2方法可以方便測(cè)量到飛機(jī)在遭受雷擊時(shí)，不同部位的設(shè)備因雷電間接效應(yīng)可能會(huì)感應(yīng)到的脈沖電平，可依此對(duì)安裝于此處的機(jī)載設(shè)備提出需要承受的浪涌波形和電平。事實(shí)上，小電流外推方法也只是在評(píng)估階段用于研究，實(shí)際操作可能會(huì)因測(cè)量等問題受限導(dǎo)致不準(zhǔn)確，現(xiàn)代飛機(jī)經(jīng)過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)主要通過飛機(jī)的雷電分區(qū)以及仿真分析等手段按照設(shè)備安裝于飛機(jī)內(nèi)部的具體位置和用途提出雷電試驗(yàn)等級(jí)和要求^[6]，一般會(huì)使用一組字母與數(shù)字組成的字符串表示該設(shè)備需要進(jìn)行的雷電試驗(yàn)波形和試驗(yàn)等級(jí)，比如B3G4L3，表示需要對(duì)該設(shè)備引腳進(jìn)行波形3和波形5A的等級(jí)3試驗(yàn)，對(duì)電纜束進(jìn)行單次回?fù)艉投啻位負(fù)舨ㄐ?和波形3的等級(jí)4試驗(yàn)，及進(jìn)行多脈沖群波形3的等級(jí)3試驗(yàn)，具體詳細(xì)字母及數(shù)字對(duì)應(yīng)參數(shù)可見RTCA-DO160G標(biāo)準(zhǔn)^[7][8]。

5.1波形參數(shù)及其意義

在SAE ARP5412和RTCA DO160中一般將雷電間接效應(yīng)引起的瞬態(tài)感應(yīng)試驗(yàn)波形規(guī)定為6個(gè)波形，其主要的波形參數(shù)及代表的意義見下表

表3 機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)波形參數(shù)

5.2 試驗(yàn)方法

針對(duì)機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)包含了2種類型的試驗(yàn)：針腳注入試驗(yàn)和電纜束試驗(yàn)。針腳注入試驗(yàn)主要用來測(cè)試設(shè)備的損毀容忍度，而電纜束試驗(yàn)主要是進(jìn)行設(shè)備的功能失效容忍度。

1）針腳注入試驗(yàn)

針腳注入試驗(yàn)主要試驗(yàn)波形為波形3（1MHz）、波形4和波形5A，均對(duì)這些波形的開路電壓和短路電流波形有要求，同時(shí)對(duì)發(fā)生器的輸出阻抗有要求，詳細(xì)可查閱RTCA-DO160G標(biāo)準(zhǔn)表22-2，在此不做詳細(xì)描述。

測(cè)試中需要注意的是，當(dāng)被試品不接入電源時(shí)，可以直接使用發(fā)生器連接至被試品端口進(jìn)行試驗(yàn)，如果被試品需要帶電進(jìn)行在線試驗(yàn)，可以通過在電源端加入浪涌去耦單元，和在發(fā)生器輸出端增加電源耦合單元，以確保浪涌不對(duì)供電電源造成影響，同樣的電源也不是浪涌發(fā)生器損壞。同時(shí)，為了避免電源對(duì)發(fā)生器的損壞，可以采用耦合變壓器進(jìn)行對(duì)針腳的注入，但需要注意耦合變壓器輸出的開路電壓和短路電流波形必須滿足針腳注入的試驗(yàn)要求。

圖11 針腳注入試驗(yàn)回路連接框圖-直接注入方式

2） 電纜束測(cè)試

電纜束耦合測(cè)試包含了波形1-波形6的所有波形，和針腳注入試驗(yàn)不同的地方是，無需測(cè)試的電壓和電流波形同時(shí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，只需It或者Vt達(dá)到測(cè)試值即可，且無輸出阻抗要求，在輸出波形形式上有單次回?fù)?、多次回?fù)艉投嗝}沖群。單次回?fù)魳?biāo)示的是自然界單一的雷擊現(xiàn)象，多次回?fù)裟M的是對(duì)地負(fù)閃時(shí)的多次回?fù)衄F(xiàn)象，而多脈沖群主要模擬云閃的高頻次閃擊現(xiàn)象，波形6只有多脈沖群的測(cè)試，無單次回?fù)艏岸啻位負(fù)簟?/span>

在進(jìn)行電纜束測(cè)試時(shí)，可通過耦合變壓器進(jìn)行耦合測(cè)試和對(duì)地注入兩種方式完成，標(biāo)準(zhǔn)推薦在進(jìn)行波形1、波形2、波形3和波形6時(shí)建議使用耦合變壓器進(jìn)行試驗(yàn)，如果是波形4和5建議使用對(duì)地注入進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)然在耦合變壓器能滿足波形4和波形5的前提下，也可以使用耦合變壓器進(jìn)行試驗(yàn)。

圖12 電纜束耦合試驗(yàn)框圖

6  試驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的雷電間接效應(yīng)，本次開發(fā)了保護(hù)波形1-波形6的波形發(fā)生器，可滿足針腳注及電纜束感應(yīng)的所有測(cè)試波形的等級(jí)1-等級(jí)5測(cè)試。同時(shí)在此基礎(chǔ)上開發(fā)了滿足試驗(yàn)要求的各種耦合變壓器及耦合去耦裝置，方便測(cè)試回路的搭建。

由于波形眾多，采用分類模塊化設(shè)計(jì)的方案，共使用2套設(shè)備完成所有波形輸出，將波形1、波形4、波形5三類波形寬度長(zhǎng)、能量大的波形采用一套發(fā)生器完成，波形2、波形3、波形6三種波形寬度短、能量較小、但要求輸出脈沖群的波形使用一套發(fā)生器完成。系統(tǒng)原理框圖見下圖

圖13 雷電效應(yīng)模擬器原理框圖

主回路設(shè)計(jì)主要以分組模塊化設(shè)計(jì)理念，如下圖所示，根據(jù)不同的波形所需的電容量不同，將電容組分為3組（C1、C2、C3），所有波形共用放電開關(guān)KD，選擇的波形和測(cè)試模式可通過開關(guān)K4-K9進(jìn)行切換，為達(dá)到最大利用率，使用不同的調(diào)波回路進(jìn)行波形的調(diào)節(jié)，比如波形4，在進(jìn)行針腳注入模式時(shí)使用L1、R1和并聯(lián)電阻R10進(jìn)行波形輸出，此時(shí)R10約為1Ω，電容器充電10kV時(shí)可輸出2500V的5Ω或者1Ω阻抗，當(dāng)進(jìn)行電纜束測(cè)試時(shí)，此時(shí)對(duì)電流波形無要求，可通過調(diào)整調(diào)波回路電阻，使用L2、R2和并聯(lián)電阻R11實(shí)現(xiàn)更高電壓的輸出，此時(shí)電容充電10kV，可輸出電壓波形最高達(dá)4kV以上，其他波形按照同樣的思路，可以實(shí)現(xiàn)電纜束測(cè)試時(shí)更高的電壓或者電流幅值輸出。

圖14 雷電模擬器主回路原理圖

圖 發(fā)生器輸出波形

圖15模擬器輸出的多次回?fù)艉投嗝}沖群波形

圖16雷電效應(yīng)模擬器成品展示

7  MIL-STD-461G CS117的差異化要求

國(guó)內(nèi)軍用分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行電磁兼容測(cè)試主要依據(jù)GJB151B，其對(duì)標(biāo)美軍標(biāo)MIL-STD-461F，但是現(xiàn)在美軍標(biāo)已經(jīng)于2015年發(fā)布了新版的標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-461G版^[9]，新增了CS117部分-電纜、電源線的雷電瞬態(tài)感應(yīng)敏感度測(cè)試，主要引用了SAE ARP 5412、5414、5415、5416以及RTCA DO-160，但與這些標(biāo)準(zhǔn)不同的是這些標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)飛機(jī)裝備的雷電感應(yīng)效應(yīng)測(cè)試，而CS117部分目的是通用所有軍用設(shè)備，不止包含飛機(jī)，還包含了艦船、陸裝車輛、以及雷達(dá)等武器系統(tǒng)。因此在測(cè)試方式和對(duì)波形的要求上有了些許差異。

1）CS117中刪除了針腳注入測(cè)試，只進(jìn)行電纜束的試驗(yàn)

2） 取消了電纜束的單次回?fù)?，只進(jìn)行多次回?fù)艉投嗝}沖群測(cè)試

3） 取消5個(gè)等級(jí)，測(cè)試等級(jí)上只有內(nèi)部設(shè)備和外部設(shè)備之分，內(nèi)部一般對(duì)應(yīng)的DO160標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)3，外部設(shè)備一般對(duì)應(yīng)DO160的等級(jí)4

4） 取消了對(duì)地注入模式，只能使用耦合變壓器進(jìn)行電纜束感應(yīng)方式測(cè)試

5） 波形2波頭時(shí)間由小于100ns改為小于340ns

8結(jié)束語

由于雷電間接效應(yīng)的測(cè)試要求及復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于雷電直接效應(yīng)，很多人仍會(huì)糾結(jié)于龐大的飛機(jī)系統(tǒng)間接效應(yīng)的測(cè)試方法，本文通過對(duì)雷電間接效應(yīng)的耦合機(jī)理分析和對(duì)各類雷電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)解析，從宏觀面上分析了雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的方法和思路，并通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)過程中所碰到的問題和注意事項(xiàng)予以說明，同時(shí)對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法差異進(jìn)行了對(duì)比和分析，希望在以后的測(cè)試過程中能對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員對(duì)試驗(yàn)的理解有所幫助。

另外，雷電效應(yīng)的研究在我國(guó)尚處于初期階段，測(cè)試設(shè)備依靠進(jìn)口，針對(duì)雷電間接效應(yīng)的瞬態(tài)試驗(yàn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一整套的試驗(yàn)裝備，經(jīng)實(shí)際測(cè)試其輸出波形和測(cè)試方法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，希望在將來國(guó)內(nèi)有更多的人關(guān)注雷電效應(yīng)，提升我國(guó)飛機(jī)及軍用設(shè)備的可靠性