Lightning Protection Tests and Waveforms for Aircraft
合肥航太电物理技术研究所 (合肥230088) 段泽民
合肥市长江西路669号 Email: htiep@mail.hf.ah.cn 电话0551-5320268
摘 要 简述大气电气环境对飞机的危害及飞机雷电防护的要求介绍了飞机雷电防护试验与波形和相关标准以及我国的飞机雷电防护试验研究概况
Abstract This paper briefly introduces the hazard of atmospheric electrical environment to aircraft and requirement of lightning protection. The lightning protection standards tests and waveforms for aircraft and lightning protection testing study in China are presented
关键词 飞机 雷电防护 大气电气环境 标准
Key words aircraft lightning protection atmospheric electrical environment standard
1 概 述
地球上平均每天约发生800万次雷电各类飞行器不可避免(不以人的意志为转移)的要遭遇大气雷电环境巨大的雷电能量和雷电电磁脉冲辐射场使得飞行事故时有发生如1969年美国阿波罗12号宇宙飞船在发射升空时遭到雷击;1987年美国瓦罗普斯岛上5枚火箭遭雷击其中3枚自行点火升空1988年9月越南一架客机在曼谷上空遭雷击76人遇难美国军方70年代10年间的雷击事故统计表明平均每年约有一架飞机遭雷击而坠毁各种等级事故每年则不下百起2000年6月,我国一架飞机在强雷暴环境中失事,飞机遭到了雷击通常一架固定航线的飞机平均每年要遭到一次雷击航空史上已有2500多架飞机遭雷电击毁
在现代航空航天技术中为减轻飞行器结构重量和提高飞行器测控系统性能而大力发展并大量采用的先进复合材料技术和微计算机微电子测控技术对雷电更敏感遭到雷击时损失更大因此必须发展飞行器的雷电防护设计和试验研究技术
2 飞机的雷电防护要求
自上世纪60年代中期以来一直每两年举行一次国际雷电与静电学术会议(ICOLSE)交流与讨论飞机的雷电防护要求标准与设计和试验研究工作美国和欧洲等适航当局先后颁发了各类适航条例如FAR23部25部27部29部等适航条例就飞机的雷电防护提出了严格的要求我国也参照欧美飞机雷电防护体系颁发了相应的适航条例如CCAR25部等这些适航条例对飞机雷电防护的要求主要归为三大类即飞机结构与部件飞机燃油系统和飞机电气电子系统例如25581条款针对飞机的总体及其组件25954条款针对飞机的燃油系统25.1316条款针对飞机的电气电子系统需对这些要求进行验证当不能满足上述任一条款对飞机雷电防护的安全性要求时适航审查当局将拒发适航证飞机将不得进入航线
3 飞机雷电防护的适航审查
飞机雷电防护适航审查的符合性方法通常有分析计算法类比法和地面模拟雷电试验法分析计算方法主要用于飞机某些能得出准确解的局部结构和部件的计算类比法主要是将外形结构和用途都基本相同的飞机或结构与部件与已通过适航审查的飞机或结构与部件进行比对
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确实相同则可认为满足要求地面模拟雷电试验法主要用于新机型的研制设计和老机型的改进或改型设计由于飞机外形的不规则性及机械结构与电气电子系统的多样性与复杂性电场与磁场的精确解非常困难故上述方法中地面模拟雷电试验方法最有效
4 我国飞机雷电防护标准和试验波形
要实现飞机在雷电环境下的各项安全要求除需进行正确有效的设计和制造外还需有效的试验与检测手段目前国际公认的有关飞行器的雷电试验波形由美国SAE学会于上世纪70年代发布的AE4L报告给出其后的一系列军民用飞机的雷电防护试验标准中基本都采用了这个报告给出的波形我国目前采用的飞机雷电防护标准,主要有国家军用标准GJB 2639-96军用飞机雷电防护GJB 3567-99军用飞机雷电防护鉴定试验方法和航空工业标准HB 6129-87飞机雷电防护要求及试验方法等飞机雷电防护试验主要有雷电附着点试验雷电直接效应试验和雷电间接效应试验
在雷电附着点试验中分别有最高可达MV级的高电压ACB和D波等波形如图1所示以满足飞机不同的雷电压试验要求其中电压A波要求上升率为1000kVs电压B波上升时间约1.2s半峰时间约50s用于在试验样品与电极间建立所要求的电场梯度电压C波持续时间2s电压上升率和幅值不作规定主要用于飞机或飞机模型的雷电区域划分试验电压D波的上升时间约50250s
在雷电流试验中分别有雷电流ABCD分量和EH波等不同参数的波形以满足不同的雷电流试验要求其中A分量的电流峰值可达200kA作用时间500s(可调整为10350s波形)作用积分为2106A2s各分量主要用于能量冲击试验即雷电直接效应试验根据试验要求可以不同的组合以连续的方式作用到试验样品上图2为雷电流A(500s)B(5ms)C(0.251s)D(500s)各分量的示意图
图1雷电模拟电压ABCD波形
图2 电流分量ABC和D示意图
E波和H波主要用于雷电电磁兼容LEMC即雷电间接效应试验电流变化率可达105AsH波的波形见图3但试验时H波需以波形串的方式作用到试验样品上
图3 雷电流H波形
5飞机雷电防护试验要求
51 工程试验
一架新飞机在设计时就需严格考虑雷电防护飞机的气动外形确定后即开始飞机雷电区域划分的确定这通常由雷电附着点试验来完成可采用雷电压A波C波和D波等波形飞机的不同部位结构或部件包括电气电子系统等在进行雷电防护设计时首先需确定自己所处飞机上的雷电防护区域不同的区域对雷电防护的设计要求是不同的目前国际上通行的作法是将飞机表面划分为36个区可采用不小于130的飞机缩比模型试验如A319飞机进行了117的缩比模型雷电附着区域划分试验,模型飞机的电气结构特征应与原机一样在确定了飞机的雷电区域划分后飞机的各个局部即可根据自己在飞机上的不同位置进行有针对性的雷电防护设计当设计完成后再根据不同区域雷电试验的要求选择雷电试验的电压和电流波形同样的部件和结构当处在飞机的不同雷电区域时其雷电防护设计的要求是不同的区域1的要求较高通常为机头翼尖旋翼垂尾座舱外挂物等突出的部位这些部位还常安装有电气电子部件如空速管航行灯天线等在雷击发生时所承受的雷电能量较大因此一般设计要求较高区域2为雷电等离子体弧的扫掠区所承受的雷电能量相对1区弱些区域3为传导区一般不会直接遭到雷击通常只考虑雷击电流的传导雷电防护要求相对较低例如碳纤维复合材料位于区域1时需进行抗击雷电高能量的设计如表面喷涂铝等措施位于区域3时表面可不喷涂铝或少量喷涂铝位于电子仪器舱口盖时则需进行高导电磁能力的处理以提高电磁屏蔽能力雷电试验完成后需判断其是否符合飞机的安全要求对于结构件通常可用现场观察的方法以及探伤和力学试验的方法来判断对于燃油系统常用火花和燃爆试验的方法来判断对于电气电子部件可检查其硬件是否有损坏软件是否受干扰是否误动作等这个过程一般就称为工程试验
5.2 鉴定试验
飞机完成了雷电防护设计和工程验证试验后为了取得适航认证还需进行雷电防护鉴定试验试验件应是实际的并获得适航认可的装机件或其一部分并确定试验件所处的雷电区域试验点的数量和分布以及适用的试验波形和每点的试验次数目前我国已可开展飞机的雷电防护试验包括鉴定试验
5.3整机试验
飞机在经历了缩比模型雷电附着区域划分试验部件工程试验和部件鉴定试验后最后进行整机的雷电防护特性试验F14A340等飞机均开展过整机试验因为当将符合雷电防护安全性要求的各飞机局部结构或部件组装成整机时由于局部结构或部件相互间的影响如负载效应电磁耦合等原因并不能保证整机也符合雷电防护安全性指标要求只有通过整机的雷电防护试验来验证对发现的问题进行技术处理并达到规定的要求后才能认为飞机满足雷电防护安全性指标的要求
6 我国的飞机雷电防护试验
自1994年以来由于我国航空工业的快速发展开始研制飞机雷电防护试验装置先后开展过运七运八歼八直十一等各类飞机直升机的改型及其它新型号的雷电防护试验研究为我国飞机大量采用先进的复合材料和先进的电气电子系统提供了大量重要的技术数据和图片资料使国产飞机的防雷性能得到极大提高如在Y7200A飞机上机头雷达罩为雷击1区进行了雷电压A波和D波的雷电附着点试验以及雷电流A分量和B分量的能量冲击试验取得了非常有价值的试验数据(见图4)图5图6为部分典型的雷电试验波形
图4 运七飞机雷达罩雷电试验
图5 雷电流A波及其作用积分曲线
7 结语
飞机雷电防护试验是一项投入很大技术要求很高的试验目前我国已初具试验条件但与发达国家相比还有相当差距由于投入很大飞机型号任务数量有限应避免重复投入加强支持现有实验室的完善和建设积极跟踪国际新版飞机雷电防护标准及时修改编制我国的飞机雷电防护标准研究新的科研模式使我国飞机雷电防护适航取证与国际接轨
图6 雷电流B波波形和它的电荷传递量
参 考 文 献
1 聂云国外航空教训启示录北京航空工业出版社1992
2 段泽民等.飞机雷电防护适航要求与试验.国际航空,1999,(6):28
3 GJB 356799军用飞机雷电防护鉴定试验方法
4 GJB 263996军用飞机雷电防护
5 J.Anderson Plumer et al. The new aircraft lightning environment and related test waveforms standard from AE4L and EUROCAE WG31. Int. Conference on Lightning and Static Electricity. ToulouseFrance1999
6 Duan Zemin et al The lightning protection tests for the radome in Y7-200A aircraft of China. Int. Conference on Lightning and Static Electricity. Toulouse, France, 1999
段泽民 1955年生研究员美国SAE法国AAAF学会会员常期从事飞机雷电防护电磁兼容强脉冲功率等技术的研究与应用工作
