雷电防护用纽扣式分流条结构与布局研究

发布时间：2020-09-14 16:37

　　雷电电压可高达上亿伏,峰值电流可达到200kA,这给飞机的正常飞行带来一定的安全隐患,因此对飞机进行雷电防护是必不可少的。飞机雷达天线罩雷电防护是飞机雷电防护的重要组成部分,纽扣式雷电分流条是天线罩雷电防护的关键部件,这种分流条的透波效率高,但其雷电防护能力显著受制于其设计结构及在天线罩表面的分布。本文基于GJB3567-1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》与SAEARP5416《飞行器雷电测试方法》中试验要求,分别进行纽扣式雷电分流条的击穿耐压试验及其雷电流、雷电压直接效应试验,获得不同设计参数下纽扣式雷电分流条的击穿电压及雷电压、雷电流损伤情况。结合上述标准中天线罩的雷电屏蔽试验工况,在有限元软件COMSOL中,针对某型号机载雷达天线罩建立了天线罩雷电屏蔽模型,从分流条长度、数量和天线与罩体距离三个方面,仿真分析了纽扣式雷电分流条布局对天线周围感应电场的影响趋势,获得了纽扣式分流条布局对天线罩雷电防护能力的影响规律,并通过试验验证了仿真结果的有效性。通过在有限元软件CST的微波工作室中建立天线罩雷电屏蔽模型,仿真研究雷电防护设计参数对某型机载天线罩透波性能的影响规律。本文主要结论如下:(1)纽扣式雷电分流条击穿电压随其长度的增加呈现非线性上升趋势,金属纽扣间距越大增加速率越快,间距越小增加速率越慢。纽扣式雷电分流条长度和金属纽扣间距的增大,分流条击穿电压等级均逐渐提高,且雷电压及雷电流直接效应损伤加重。(2)针对此型号天线罩,随着纽扣式雷电分流条长度和数量的增加,天线附近电场强度呈递减趋势,长度超过天线自身高度的约40%后,这种趋势变缓;数量达到分流条最大间隔经验公式所对应最小值后,这种趋势同样变缓;随天线与罩体距离的增大,天线周围场强会有小幅增强。(3)该型号天线罩表面纽扣式雷电分流条长度在900mm以内,罩体保持高透波率。天线罩透波率随罩体表面分流条数量的增加呈现线性下降趋势,且高频天线对应的下降速率缓于低频天线下降速率。天线偏移角越接近0°或90°时,天线罩透波率相对较高,而天线偏移角在45°附近时,天线罩透波率相对较低,且高频天线偏移对天线罩透波率影响小于低频天线偏移。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V244.1
【部分图文】：

过程图,雷电放电,过程,雷电

飞机在雷电环境中飞行容易遭遇雷击，这与雷电环境下飞机周围电场分布有逡逑着密切的关系，因此，首先对雷电的基本理论要有一个基本的了解，清楚雷电的逡逑形成和特征更有利于分析雷电对飞机及其天线罩的影响。飞机天线罩多位于雷电逡逑１Ａ区，极易遭到雷击，所以了解飞机天线罩的雷电损伤机制对后文的天线罩雷电逡逑防护研宄奠定了一定的理论基础。逡逑２．１雷电基本理论逡逑２．邋１．１雷电的形成过程逡逑雷电主要来自位于积雨云，积雨云层中存在的电荷密度是不均勾的，但从宏逡逑观角度看主要分为三个电荷集中区［３９］：出于云层最上端的电荷集中区为大量的正逡逑电荷，其云层中间区域主要以负电荷为主，云层下端区域仅带有少量的正电荷。逡逑通过起电机制聚集起的大量空间电荷带来极强的大气场强，在电场力作用下空气逡逑中带电离子与中性分子发生连续碰撞，导致分子不断电离，形成了电离通道，雷逡逑云中存在的大量电荷或地表电荷以电离通道为传输途径将电荷中和，这种在长距逡逑离上以剧烈方式发生的放电现象称为雷电过程［４Ｑ］。逡逑

发展过程,雷电

第二章雷电与飞机天线罩逡逑一次雷电持续时间约０．２ｓ，人们很难通过肉眼看清其整个过程，雷电是由多个逡逑阶段依次发生的复杂的放电过程。典型雷电放电发展过程如图２．１所示。逡逑２．１．２雷电的主要类型及其特征逡逑雷电的类型主要分为云地闪电、云内闪电和云间闪电。逡逑（１）云地闪电，即云地之间的任何极性的雷电形式，该形式的雷电具有很强逡逑的破坏性。典型的云地放电过程如图２．２所示。逡逑｜逦－邋－邋－邋－邋ｊ逦６０｜ｉｓ逦１．５ｍｓ邋６０＾ｉｓ逦１．５ｍｓ邋６０坤逡逑令９邋Ｙ邋／邋｝／逡逑＼逦Ｈｉ幰逦、回击、回击逡逑＇＂／／／／／／／〉＂／／＂／／＂／逦７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７７￣逡逑时间——？逡逑图２．２云地放电发展过程逡逑Ｆｉｇ邋２．２邋Ｃｌｏｕｄ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑由图可知，发生云地闪电时，电场强度较高区域使得空气发生连续击穿从而逡逑形成阶梯式雷电先导，并步进式逐步向下，新的步进又会出现多个分支，分支也逡逑会继续延伸若干步进后终止。一次云地闪电发生之后，由于大气电离导致电荷密逡逑度依然很大，与此同时周围电场也在发生变化，很可能在间隔很短时间后，再次逡逑以箭式先导直击而下并迅速形成回击

飞机,电场,带电云

了雷电所造成的。逡逑带电云团中存在大量电荷，云团周围电场非常强，在大气中飞机机身可视为逡逑等势面，其尖端部位通常会形成如图２．５所示的畸变电场，该电场会感应出大量与逡逑带电云团极性相反的电荷，当尖端部位的电场强度达到３０ｋＶ／ｃｍ时，其周围空气逡逑发生电离，形成先导流光。当机体附近电场强度平均值保持在５？７ｋＶ／ｃｍ时，先导逡逑流光就会沿着与飞机整体电性相反方向（雷云方向）传播出去，如图２．６所示。此逡逑夕卜，飞机触发雷电往往与大气环境有关。国外学者研宄了即时环境对飞机触发雷逡逑电过程的影响，研宄表明，处于雷电环境中的飞机遭遇了一定量的降雨后，飞机逡逑本身触发雷电的概率将显著提高［４６】。逡逑电场的方向逦产ｗ邋＾逡逑逦逦Ｔ逦等电位线邋＿＿逡逑丨丨丨．．．．－邋邋一－．＾一逡逑？＾．？－ｎ－ｒ－．－ｒｒｒｒ…丨

【参考文献】