一种雷电间接效应 A 波电流发生器系统的设计研发

摘 要

　　雷电对飞机的安全飞行构成极大的威胁，据统计，一架固定航线的商业飞机平均每年要遭到一次雷击，一架战斗机在其寿命周期内平均遭到两次雷击，因雷击造成的飞行安全事故时有发生。在此背景下，世界各国展开了对飞机的雷电防 护研究，并取得了不错的效果，然而，现代飞机设计中为了减轻飞机重量、提高飞机的机动性能大量使用微电子技术和复合材料，降低了飞机对外部电磁环境的屏蔽能力，飞机面对的雷电威胁依然严峻，因此，针对飞机的雷电防护研究丝毫不能松懈。

　　本文基于飞机雷电间接效应试验的需求，设计了一种雷电间接效应 A 波电流发生器系统，该系统可以产生满足标准要求的雷电间接效应 A 波，整个系统主要由波形发生器本体及其控制系统、波形测量和处理系统等组成。论文的主要内容有：

　　首先分析了国内外飞机雷电防护的研究现状，阐述了雷电的形成机理、飞机 遭遇雷击的过程，研究了飞机雷击区域的划分以及雷电对飞机的损伤效应。其次重点研究了间接效应 A 波电流发生器系统，依据缩比 A 波的数学模型，运用解析 法求出缩比 A 波的各回路参数，仿真分析了各参数对波形的影响并通过试验加以验证。然后建立了基于网络控制的波形测量和控制系统，最后分析了雷电间接效应试验的波形，探讨了整机试验的方法、目的、回路导体的布置方式以及试验结果的判定准则等，并介绍了飞机间接效应雷电防护的常用防护措施。

　　关键词：雷电；波形发生器；间接效应；雷电防护；控制系统

ABSTRACT

　　Lightning causes great harm to the safety flight of aircrafts , according to statistics, a fixed route of commercial aircraft will encounter a lightning strike on average per year, a warplane will meet with two lightning strike in its life cycle on average, flight accidents have occurred due to thunder and lightning. Under this background, the countries all over the world launched a study of the aircraft lightning protection and achieved good results, however, microelectronic technology and composite materials are extensively used in the modern aircraft design in order to reduce the weight of aircraft and to improve the aircraft's mobility ,but this reduces aircrafts's shielding capacity to the external electromagnetic environment, aircrafts still face grim threat of lightning, therefore, the study of lightning protection for aircrafts can not be relaxed.

　　Based on the requirement of the test for aircraft lightning indirect effects , A lightning indirect effects A wave current generator system is designed, the system can provide lightning indirect effects A wave that meets the standard requirements , the whole system are mainly composed of waveform generator ontology and its control system , waveform measurement and processing system, etc. The main contents of the paper are:

　　Firstly, analyzing the research status of aircraft lightning protection home and abroad and elaborating the formation mechanism of lightning, the process of lightning stroke and then studying the pision of aircraft lightning zoning and the damage effect of lightning on aircrafts. Secondly, A key research is focused on the indirect effect A wave current generator system, the circuit parameters of A-wave are calculated by analytic method based on the mathematical model of the ratio A wave. The influence of the parameters on the waveform is simulated and verified by experiments.And then establishing the waveform measurement and control system based on network control. Finally, analyzing waveforms of indirect effects test of lightning, especially the method, purpose, layout of the circuit conductor and the judgment criterion of the test result. The commonly used protective measures of the indirect effect for lightning protection of aircrafts are introduced.

　　KEYWORDS: Lightning; Waveform generator; Indirect effects; Lightning protection; Control system

目录

　　第一章绪论

　　1.1课题研究的背景和意义

　　雷电是一种非常壮观的大气放电现象，全世界平均每天发生800万次雷电[1],雷电产生过程中会形成持续时间短的高电压、大电流并释放出巨大的能量，因此，它对飞机的安全飞行构成极大的威胁。一架正常服役的飞机平均每年大概遭受一次雷击[2],由于任务的特殊性，军用飞机面对的雷电环境可能更糟糕，置身于这样的雷电环境，飞机不可避免的会遭遇雷电的危害。现代飞机设计中为了减轻飞机重量提高飞机机动性，设计师们越来越多的采用复合材料代替传统的铝合金材料，复合材料的使用虽然改善了飞机的机动性能，但却降低了飞机对外部电磁环境的屏蔽能力[3];除此之外，为了提高飞控系统的性能而广泛采用计算机和微电子技术，微电子器件在雷电环境下非常脆弱，仅仅只需要百万分之一焦耳的能量就能使一架现代化的飞机出现灾难性故障，由于雷电而产生的飞行事故时有发生[4].在复杂电磁环境下，飞机上某些设备可能会发生故障、系统失灵甚至引发灾难性后果，因此，飞机的雷电防护显得越来越重要，对飞机的雷电防护工作展开试验与研究也显得相当必要而紧迫。冲击电流发生器作为脉冲功率技术的一个研究分支，针对冲击电流及其应用技术的研究变得日益活跃，并且已经应用到许多科学研究领域如：核物理、电磁兼容、粒子加速器、激光武器、电磁脉冲、强流电子束集团等，有着广阔的发展和应用前景。为了对飞机开展雷电防护试验与研究，必须要模拟自然界真实的雷电环境，然而对于自然界的雷电，人类目前的科技是无法完全复现的，因此我们需要设计能产生与自然雷损伤效应相同的设备即冲击电压发生器和冲击电流发生器。本文设计的缩比A波电流发生器主要用于飞机的间接效应试验，飞机雷电间接效应试验一方面可以探究雷电对飞机的间接损伤，另一方面也可以检验飞机的雷电间接效应防护设计的可靠性。飞机的雷电损伤通常可以分为两种，即直接效应损伤和间接效应损伤。其中，直接效应损伤是指雷电通道附着于飞机表面或者由于雷电流的传导造成的损伤。

　　其表现形式有：飞机雷击附着点的熔蚀，阻抗引起的温度升高、磁力作用、电弧和火花以及燃油箱的蒸汽点燃等[5];雷电间接效应损伤是指当飞机遭遇雷击时，伴随雷电流的瞬变过程会产生强大的脉冲电磁场，雷电电磁脉冲对飞机的安全飞行危害极大，它通过电磁耦合作用，会在机载电子电气设备连线上感应出电压或电流，当感应的电压或电流幅值超过设备的设计承受范围，就可能导致设备功能异常甚至造成不可逆的损伤。

　　对飞机进行雷电防护试验与研究具有重要的价值和意义，一方面可以检验测试飞机的防雷性能，另一方面还可以积累丰富的防雷经验，这对于以后雷电防护的优化改进以及未来新机型设计中的防雷布置都是一笔珍贵的参考资料。飞机的雷电试验可以分为两种即直接效应试验和间接效应试验。通常情况下，我们把自然界的雷电直接效应试验分为两类：高电压试验和大电流试验，其中，高电压试验主要包括模型的附着点试验、全尺寸部件附着点试验、电晕和流光试验等。大电流试验包括电流的传导试验、电弧引入试验、结构直接效应试验、非导电表面试验[6].高压雷电附着点试验使用冲击电压发生器产生数MV的雷电冲击电压波形，用于确定雷电可能的附着位置和飞机雷电防护设计的有效性，图1.1为合肥航太电物理技术有限公司的冲击电压发生器，该发生器可产生4.8MV最高电压。大电流试验常常要求将大电流注入到飞机蒙皮或结构的样件中，用于评估样件对电流的响应和样件防护设计的有效性。飞机雷电间接效应试验主要分为部件级、设备级和系统级以及整机试验[7],目前国内进行的雷电间接效应试验主要是前三种，针对飞机的整机雷电试验进行的较少。飞机进行整机雷电间接效应防护试验与研究的目的是确定飞行关键和重要电子电气系统、分系统及设备的互联线束上瞬变感应电压和电流的实际瞬变电平（TCL），测试结束后将测得的实际瞬变电平与设备的瞬态设计电平（ETDL）进行比较，要求瞬态设计电平高出实际瞬变电平TCL一个安全余量，通常为6dB[8],已确认飞机雷电间接效应防护的有效性，进而判断飞机雷电间接效应防护能力是否满足相关标准的要求。

　　本文依托的是某大型运输机整机雷电试验装置的研制项目，可以为国产某型大型运输机的整机雷电间接效应试验提供技术支持。

　　1.2国内外研究现状

　　国外针对飞机开展雷电防护研究的起步较早，早在上世纪四十年代，美国凭借强大的经济和科技实力并结合国内航空航天等技术发展需要就已经建立了专门的雷电研究机构。以美国为代表的西方发达国家深入研究了雷电的形成机理和飞行器防雷技术，制定了相关的行业标准和规范[9-12],并建立了比较成熟的飞行器雷电防护体系，对军用飞机和民用飞机均做了系统的雷电防护试验研究，走在雷电防护领域的前列。例如意大利航空管理局对C-27J运输机进行了雷电间接效应的认证；空客A330、A340进行了电流脉冲测试，空客A380进行了低电平注入测试。

　　国外在进行飞机雷电防护试验与研究的同时，陆续颁布了很多相关的标准，这些标准对雷电防护试验的要求和方法做了详细的规定。如美国机动车工程师学会（SAE）是国际上最大的汽车工程学术组织，其研究领域涉及汽车、卡车及工程车辆、飞机、发动机、材料等众多领域。由于该学术组织具有高度权威性，因此其制定的许多标准被工程各行业广泛采用，SAE也制定了专门针对于航空航天领域的ARP系列标准，这些标准几乎涵盖了飞机雷电防护的方方面面，为飞机的雷电防护提供了可借鉴的解决方案[13],此外，SC135特别委员会是隶属于美国航空无线电技术委员会的分支机构，该机构颁布的RTCA/DO-160《机载设备环境条件与测试规程》，通过测试被测对象在各种雷电环境下的状态来判断其雷电防护性能指标是否合格，该标准还可以用来规范飞机和机载设备对雷电防护能力的符合性验证试验方法。除此之外，美国军方颁布了美军标MIL-STD-1795《航空航天器和硬件雷电防护军用标准》，规定了军用航空器的雷电防护要求，用以规范雷电环境下军用飞行器及其机载设备对雷电防护效果的符合性验证试验方法。美国和欧洲在飞机雷电防护领域已经基本建立了比较系统的防护技术体系。这些技术体系被编制成标准和规范，广泛应用于工程各领域。建国后由于我国航空工业的发展长期受前苏联的影响，没有对飞机的雷电防护引起足够的重视，改革开放以后，随着经济的高速发展以及国防现代化的需求，进行雷电防护工作变得越来越重要而紧迫，相比于国外，国内开展航空器雷电防护研究工作相对滞后，前期主要进行一些理论研究，例如雷电的形成机理、雷电的效应、基本的雷电防护技术等。但是，在工程实践方面缺少成型的技术资料，经过十余年的发展，国内的雷电防护技术取得了很大的进步，合肥航太电物理技术有限公司作为国内一家最具专业的雷电防护机构，拥有成套的雷电防护试验系统和设备，有些设备已达到世界先进水平，虽然在某些方面与走在前列的西方发达国家相比存在差距，但是不断的探索努力和进步正在使这种差距明显的缩小。

　　国内自1994年开始大力研究飞机雷电防护试验以来，在工程实践领域也积累了丰富的经验，先后开展过多种机型的雷电防护试验研究，例如对Y7-200A飞机进行了雷电附着点试验和冲击电流试验[14],国内已经开展过雷电试验研究项目的飞机型号还有C919大型客机、空警2000预警机、新型H6轰炸机、歼10战斗机、直15、ARJ21等等，这些试验的顺利进行为我国飞机雷电的防护研究积累了大量的经验和珍贵的实用参考数据，为将来进行进一步的研究工作提供了珍贵的参考资料。目前，在国内对飞机的雷电防护研究主要集中在部件级、系统级方面，然而针对飞机整机雷电防护的研究工作开展得比较少。为此，为了此次整机雷电间接效应试验课题的顺利进行，针对飞机雷电间接效应A波电流发生器电路进行设计和研究，为飞机整机雷电防护试验装置的研制提供相关理论和技术支持。

　　脉冲功率技术的发展在某种程度上促进了雷电防护的研究进程，冲击电压发生器和电流发生器产生的冲击电压和电流被用来进行雷电防护试验与研究，以此来检验飞机的雷电防护水平是否满足相关雷电防护标准要求。为了进行飞机整机雷电间接效应试验，必须要有产生雷电流的设备即冲击电流发生器，为此本文设计了一种缩比A波电流发生器，飞机整机试验可以为飞机的整体防雷设计提供参考或验证飞机的雷电防护措施是否有效，对于保证飞机的安全航行有着重要的意义。

　　1.3本文主要研究的内容

　　本文主要针对飞机雷电间接效应A波电流发生器系统设计展开研究，首先分析了飞机雷电防护的研究背景和意义及国内外研究现状，阐述了雷电的形成机理、飞机遭遇雷击的过程，研究了飞机雷击区域的划分以及雷电对飞机的损伤效应。其次重点研究了间接效应A波电流发生器系统，依据缩比A波的数学模型，运用解析法求出缩比A波的各回路参数，仿真分析了各参数对波形的影响并通过试验加以验证。然后建立了基于网络控制的波形测量和控制系统，最后分析了雷电间接效应试验的波形，探讨了整机试验的方法、目的、回路导体的布置方式以及试验结果的判定准则等，并介绍了飞机间接效应雷电防护的常用防护措施。缩比A波发生器系统可以分为发生器本体和测控系统两个部分，两者通过光纤实现信息交换和传递，该系统可以产生用于飞机整机雷电间接效应试验的缩比A波，整个系统使用计算机进行远程自动化控制和可视化操作，操作简单，安全可靠。

　　第二章 雷电对飞机的危害
　　2.1 雷电的形成机理
　　2.2 飞机雷击事故
　　2.3 飞机遭雷击的过程
　　2.4 飞机雷击区域的划分
　　2.5 飞机遭受雷击的损伤效应
　　2.5.1 雷电对飞机的直接效应
　　2.5.2 雷电对飞机的间接效应

　　第三章 雷电流缩比 A 波发生器电路设计与研究
　　3.1 雷电流缩比 A 波数学模型
　　3.2 发生器回路参数设计与仿真
　　3.2.1 参数设计
　　3.2.2 冲击电流波的产生
　　3.2.3 发生器充电回路设计
　　3.2.4 发生器放电回路设计
　　3.2.5 缩比 A 波电流发生器电路仿真
　　3.3 本章小结

　　第四章 测控系统的设计
　　4.1 波形测量系统
　　4.1.1 电压测量
　　4.1.2 电流测量
　　4.2 远程测控系统
　　4.2.1 控制系统的组成

　　第五章 飞机雷电间接效应试验
　　5.1 间接效应波形及参数
　　5.1.1 机载电子设备雷电间接效应试验波形
　　5.1.2 飞机整机雷电间接效应试验
　　5.2 整机雷电间接效应试验布置
　　5.3 实测瞬变的外推
　　5.4 试验方法和内容
　　5.5 试验结果评定准则
　　5.6 雷电间接效应防护措施

第六章 总结与展望

　　6.1 工作总结

　　飞机安全是一个值得格外注意的问题，怎么保证飞机在雷电环境下能够不受损伤或者减轻损伤以使飞机安全着陆，需要对飞机遭遇的雷电环境、雷电对飞机 的危害及损伤效应进行研究进而对飞机采取相应的防护措施，最后通过雷电防护鉴定试验来验证防护的有效性，而进行这一工作的前提是要有模拟雷电环境的设 备即电流发生器，本文主要针对雷电流缩比 A 波发生器电路设计和仿真展开研究，对发生器充放电回路设计进行了理论分析，对测量和控制系统也进行了相关的选 择，然后通过实践搭建发生器电路并辅以仿真来探究回路各参数对电流波形的影响，另外探讨了飞机整机雷电间接效应试验方法。 系统采用恒流充电方式提高了充电效率，采用光纤进行通信和测量，有效的 解决了对被测信号的电磁干扰。最后对设计的缩比 A 波发生器系统进行了调试，测试结果表明该发生器工作性能达到预期目标；能够满足雷电间接效应试验的需求。

　　6.2 工作展望

　　本文设计的缩比 A 波发生器是进行飞机雷电间接效应试验的重要设备，本文工作只是课题研究的一部分，对于课题具有重要的意义，文中还存在不足之处， 后续有待进一步研究的方向可以从以下几点考虑：

　　1、 发生器系统的电磁兼容问题 雷电放电瞬间会产生冲击高电压、大电流，在这样的复杂电磁环境下，测控系统各设备的性能会受到一定的影响，例如安装在发生器周围的视频监控设备在 放电的瞬间受到电磁干扰导致视频监控计算机出现短时的画面失真或者花屏现象，另外复杂电磁环境下对波形的测量也会产生一定的干扰。

　　2、 整机雷电试验的方法技术探究 目前国内进行雷电防护主要针对的是部件级和系统级，对整机的雷电间接效应防护还处于摸索阶段，技术不是很成熟，因此需要更多的试验研究和探索，建立完整的试验技术体系。

　　3、 试验回路导体布置方式对试验测量结果的影响，以及不同类型飞机需要选择怎 样的布置方式。

　　不同类型的飞机由于其形状或者结构不同，也许回路导体的布置方式会对结果有很大的影响，探究回路导体布置方式对测量结果的影响也是必须而重要的。

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致 谢

　　岁月如梭，转眼间将近三年的研究生学习生活即将结束。回首过往，入学仿佛还是昨天的事情，期间发生的好多事至今还历历在目。过去的三年时间里，有汗水也有收获，值得庆幸的是我来到了一个良好的环境，遇到了很多的良师益友，结识了一批志同道合的好友，在求学的路上，他们给了我很多的指引和帮助，从他们身上不仅学到了知识，还懂得了感恩，回忆过去的点点滴滴，一种感恩的心绪涌上心头，在毕业论文即将完成之际，我要向对我寄予关心的老师和同学致以最衷心的感谢！ 首先衷心感谢我的导师段泽民教授，本文正是在段泽民教授的严谨要求和悉 心指导下得以完成的。三年来，段老师深厚的科研水平、丰富的实践经验、兢兢业业的敬业精神和严谨务实的工作风格，都深深的感染和鼓励着我，使我受益匪 浅，无论在工作上还是生活上段老师给我提供了良好的环境，他渊博的知识、敏锐的洞察力以及对工作的热情也深深地影响着我，对我的人生意义重大。

　　其次感谢合肥航太电物理技术有限公司的各位领导和员工，让我在这里度过了有意义的实习生涯。在公司实习期间，得到了副总工程师司晓亮、李志宝博士、赵玉顺老师、徐海波工程师、仇善良博士、王瀚林博士等的照顾和帮助，在此，向他们表示衷心的感谢。在合肥航太电物理技术有限公司实习期间，和公司员工 一起工作，我学到了很多书本上学不到的实践知识，使我的工程经验有了很大的提高，在此由衷的感谢徐海波工程师对我的指导和帮助，还要感谢在实习和项目期间其他帮助过我的公司同事们。此外，还要特别感谢公司刘保华老师、程金海老师的指导和帮助。在此，谨向各位老师和公司同事致以最崇高的敬意和最诚挚的谢意！

　　在合肥工业大学学习和实习期间，得到了我们实验室的朱博、樊帅、李飞、 王明广、郝凤柱、栢勇的无私帮助和通力合作，三年来我们学习生活在一起，互 相帮助，风雨同舟，感谢你们的陪伴和帮助，感谢来之不易的缘分。

　　感谢我的父母以及家人，感谢他们对我学业的大力支持和辛勤付出，正是因为他们一直以来对我的理解、关心、支持与鼓励，才帮助我顺利完成学业。

　　最后，谨向在百忙之中抽出宝贵时间评审我论文的各位专家、学者致以最诚挚的谢意！