飞机雷电间接效应试验方法

飞机雷电间接效应试验方法赵涛宁　刘顺坤 / 苏州泰思特电子科技有限公司摘　要　通过对雷电与飞机相互作用耦合机理的深入研究和对各相关标准的分析，对飞机雷电间接效应的试验方法做了深入解析，指出了试验中的难点重点；基于标准试验要求，研制了一套用于雷电间接效应测试的模拟器，测试结果证明了输出波形和性能与标准的符合性。

关键词　雷电间接效应；雷电防护；瞬态感应；试验方法；机载设备0　引言飞机在强对流天气飞行时，容易遭受到雷击，一般将飞机雷电效应分为直接效应和间接效应两个部分[1]。

直接效应主要针对飞机外部可以直接遭受到雷击的结构部件，会导致机身材料溶蚀、击穿，造成结构损坏甚至引起飞机解体。

间接效应是直接雷电大电流在飞机表面产生的瞬变脉冲电流在内部线缆束和设备端口感应出的瞬态浪涌信号，造成电子系统功能异常或飞机失控[2]。

为了能准确模拟飞机遭受雷击时内部设备所承受的雷电间接效应，本文通过对雷电与飞机作用机理的研究和对国际、国内相关标准的解读分析，对雷电间接效应试验方法进行了深入分析，对试验关键点进行了重点研究。

1　飞机雷电试验波形飞机雷电试验的波形主要以自然界雷电的特点为基础，结合实验室试验的特点，SAEARP5412的标准中将雷电电流理想化为三种类型的标准波形：大电流的ABCD连续波、多次回击的D波、以及多脉冲群形式的H波。

1.1　大电流ABCD连续波大电流的ABCD主要用来模拟对地正闪、对地负闪所产生的大电流，主要用来进行雷电大电流、高能量对被测物体造成的物理破坏效应，波形要求如图1 所示，其中：A分量代表负闪首次回击和正闪的峰值电流，定义波形参数为：峰值200 kA，作用积分2×106 A2s，波形起始点到峰值的时间为6.4 μs，波形起始点到下降为一半的时间为69 μs。

使用双指数形式表示为I(t) = I(e-αt - e-βt)(1 - e-γt)2 （1）其中，I0 = 218 810 A，α = 11 354 s-1，　β = 647 265 s-1，γ = 5423 540 s-1。

图1　ABCD连续波示意图B分量标示负闪中的中间电流，也可认为是A 分量波形的延续，波形定义为：平均电流2 kA，持续时间为5 ms的指数波或者方波，对波形上升时间和下降时间无具体要求。

C分量标示负闪中回击直接较长的持续电流，定义波形参数为平均电流为200 ~800 A之间，持续时间0.25~1 s之间，电荷转移量为200 C的单向波，可以是指数或者方波直流。

D分量标示负闪中的一个后续回击，定义波形参数为：峰值100 kA，作用积分0.25×106 A2s，波形起始点到峰值的时间为3.2 μs，波形起始点到下降为一半的时间为34.5 μs。

同样使用双指数波表示，其中，I0 = 109 405 A，α = 22 708 s-1，β = 1 294 530 s-1，γ = 10 847 100 s-1。

需要注意的一点是，当仅用来进行直接效应试验时，A 分量和D 分量的波头上升时间要求可以降低，且不限定波形形式，可以是指数波也可以是振荡波，只需要幅值和作用积分达到即可。

1.2　多次回击的D 波如图2所示，在对地负闪中，发现有多达14次随机的有间隔的回击，多次回击的D 波就是用来模拟自然界中这种对地负闪的情况。

定义首次回击峰值为100 kA，后续13个回击的峰值为50 kA，波形参数为D 波，总的持续时间为1.5 s，间隔时间在10~200 ms 之间，平均间隔时间为115 ms。

由于多次回击的能量小于ABCD 连续波，因此，多次回击主要用来评估系统在受到多重瞬态效应影响时系统内部设备的间接效应影响。

图2　多次回击波形示意图1.3　多脉冲群的H 波多重脉冲群H 波是根据空中飞行所获得的数据推导出来的，主要包括了云内闪电的高频次特性，也包含了云地闪初期梯级击穿过程中的放电特性，这些现象也可能在闪电过程中随机出现。

如图3所示，H 波定义为幅值为10 kA，波形起始到峰值的上升时间为0.245 μs，波形起始到下降至一半峰值的时间为4 μs，可使用式（1）的双指数函数表示，其中，I 0 = 10 572 A，α = 187 191 s -1，β = 19 105 100 s -1，γ = 153 306 000 s -1，t= time(s)。

图3　多脉冲群测试的H 波形示意图一个脉冲群包含3个脉冲组，组之间间隔为30~300 ms，每一个脉冲组有20个脉冲，间隔为50~1 000 μs。

2　雷电与飞机的相互作用雷电在与飞机相互作用过程中，雷电直接附着在飞机表面，对飞机表面材料和结构造成直接效应影响，导致表面溶蚀、穿孔、结构变形等物理现象。

且在此过程中，瞬态变化的强大雷电流会造成飞机内部机载设备及其连接线缆上感应出强烈的脉冲电压和电流信号。

如果机载设备未设计相应的防护措施，就有可能造成设备器件烧毁、功能异常等故障，严重的可能引起飞控系统故障，造成机毁人亡的重大飞行事故。

高幅值和高变化率的A、D 和H 分量会在飞机的线路中诱导出大部分的暂态波形，而分量B 和C 不会造成重要影响。

雷电间接效应的影响主要有两种途径：结构IR 电压和孔缝耦合。

2.1　结构IR 电压雷电流流过机体表面时，机体的结构阻抗会在两台机载设备之间形成电压差，造成设备的过电压击穿，这种现象主要出现在铺设复合材料的机身上。

一般常见的结构IR 电压波形为电流波形分量A（波形4），在结构IR 电压的扩散耦合过程中，会耦合出持续时间较长、但幅度不大的波形。

如果是结构阻抗较高产生的波形，则具有更长的持续时间和更大的幅值，一般规定为2种波形40/120 μs （波形5 A）和50/500 μs（波形5B）。

2.2　线缆耦合效应雷电流流过机体表面时，强烈变化的电磁场穿过孔缝在内部导线和屏蔽上将诱导电流和电压，在电线和屏蔽层等低阻抗结构上会诱导出与电流分量A 成正比的电流波形6.4/69 μs（波形1），穿过小孔的电场和磁场会在电缆上产生共振，振荡的频率取决于孔缝大小和结构长度，通常规定为阻尼正弦波，频率为1 MHz 和10 MHz。

3　实验室雷电试验方法3.1　雷电直接效应试验雷电直接效应主要的受试对象是机身外部材料、结构、安装在外部的电气部件。

试验目的在于测试被试件在强大的雷电流流过时，表面是否会出现溶蚀、损伤或者结构变形，是否存在影响飞行安全的因素。

可通过高电压试验对被试件进行脉冲电场下的放电试验，找到雷电可能注入的位置和雷电在飞机表面的扫略路径，然后对可能遭受雷击的入点和出点进行大电流注入，测试在大电流下机身材料的物理特性。

由于云间闪电能量小，对于结构材料的破坏能力远小于对地正闪和对地负闪，因此直接效应测试只考虑云地正闪和负闪，且测试时可不用过多考虑d i/d t对被试件的影响，主要考核电流峰值和作用积分的能量是否达到即可。

3.2　雷电间接效应试验雷电间接效应的受试对象主要为机身内部安装的机载设备、互联电缆、仪器仪表等雷电不会直接作用于其表面的部件。

目的在于测试雷电流过飞机表面时，在内部安装的设备、仪器是否会出现功能异常或者损坏，是否会引起误动作等故障。

由于机载设备等安装在飞机内部，测试的复杂程度远大于直接效应所测试的外部结构件，为了实现机载设备的雷电间接效应试验目的，原理上可通过两种方案实现。

一种方案是在飞机外部直接注入满足标准要求的雷电电流波形，检测内部设备是否工作正常。

这种方案的好处是可以最真实地模拟飞机在雷电环境下的运行可靠性，但是执行困难。

首先，飞机内部系统复杂，设备多样，整机完成组装时已处于研制后期，此时如果测试出现问题将会严重影响项目进度；其次，整机要进行额定的雷电间接效应试验，对测试设备的要求也非常高。

间接效应试验主要是模拟雷电放电的感应效应，对雷电波形的电流变化率更为敏感，因此，间接效应试验不仅要幅值和能量达到要求，更重要的是对于波形的波头时间和波形的重复频率等有了更高的要求。

另一种方案是小电流外推方法[3][4]，也是SAE 标准所推荐的试验方法，具体操作思路是对飞机注入一个幅值远小于额定值的电流波形，通过飞机内置传感器测量不同部位、不同设备上所感应出的电流值，然后在所测量电流值乘以一个比例系数得到对应的设备需要进行的试验幅值，再使用信号发生器对机载设备进行直接注入或者耦合注入即可。

此方法的优点是操作简单，设备投入成本低，可将整体的试验化整为零，分解到各设备厂家进行。

典型的测试电流一般以1 000 A的电流注入飞机外部，内部加装电流检测线圈，采用示波器采集感应信号，采集到的信号再乘以200倍的比例因子得到该部位安装的设备所需要进行测试的电流/电压值。

4　机载设备的雷电间接效应试验根据3.2方法可以方便测量到飞机在遭受雷击时，不同部位的设备因雷电间接效应可能会感应到的脉冲电平，可依此对安装于此处的机载设备提出需要承受的浪涌波形和电平。

事实上，小电流外推方法也只是在评估阶段用于研究，实际操作可能会因测量等问题受限导致不准确。

现代飞机经过多年的实践经验，主要通过飞机的雷电分区以及仿真分析等手段，按照设备安装于飞机内部的具体位置和用途提出雷电试验等级和要求[5]，一般会使用一组字母与数字组成的字符串表示该设备需要进行的雷电试验波形和试验等级，比如B3G4L3，表示需要对该设备引脚进行波形3和波形5A的等级3试验，对电缆束进行单次回击和多次回击波形2和波形3的等级4试验，及进行多脉冲群波形3的等级3试验，具体详细字母及数字对应参数可见RTCA-DO160G标准[6][7]。

4.1　波形参数及其意义在SAE ARP5412和RTCA DO160中一般将雷电间接效应引起的瞬态感应试验波形规定为6个波形，其主要的波形参数及代表的意义见表1。

4.2　试验方法针对机载设备的雷电间接效应包含了两种类型的试验：针脚注入试验和电缆束试验。

针脚注入试验主要用来测试设备的损毁容忍度，而电缆束试验主要是测试设备的功能失效容忍度。

1）针脚注入试验针脚注入试验主要试验波形为波形3（1 MHz）、波形4和波形5A，均对这些波形的开路电压和短路电流波形有要求，同时对发生器的输出阻抗有要求，详细可查阅RTCA-DO160G标准表22-2，在此不做详细描述。

测试中需要注意的是，当被试件不接入电源时，可以直接使用发生器连接至被试件端口进行试验，如果被试件需要带电进行在线试验，可以通过在电源端加入浪涌去耦单元，和在发生器输出端增加电源耦合单元，以确保浪涌不对供电电源造成影响，同样的确保电源也不造成浪涌发生器损坏。

为了避免电源对发生器的损坏，可以采用耦合变压器进行对针脚的注入，但需要注意耦合变压器输出的开路电压和短路电流波形必须满足针脚注入的试验要求。