2018S-66-金属柱体雷电间接效应的回路导体仿真分析

基金项目 ： 国家重点研发计划资助项目 （2017YFF0104300）
张琪， 男， 1987 年生， 博士， 讲师。研究方向： 电磁防护和电磁仿真技术。
增刊 1
Байду номын сангаас
黄瑞涛等： 金属柱体雷电间接效应的回路导体仿真分析
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0
引
言
［1］
在金属圆柱表面的分布是分析雷电间接效应的首 要内容。由于回路导体的布局和结构会对柱体表 面电流分布产生影响， 因此有必要设计回路导体 的布局和结构， 以尽可能在金属柱体表面获得均 匀的电流分布。均匀的表面电流分布可以充分暴 露柱体表面任何位置处因屏蔽缺陷引起的内部电 磁场的泄漏。受返回导体中电流产生的磁场的影 响， 不同形式的导体回路对柱体表面电流分布的 影响不同。 同轴型结构， 图 1 所示为其试验模型及配置。测 击的情况。
收稿日期： 2018 - 09 - 05 网络首发时间： 2019-1-16 11:36
distribution inside and outside the cylinder are analyzed.［Results］ The simulation results show that the
cylinders.［Conclusions］The simulation results provide a basis for the further test.
1
1.1
同轴型回路导体装置搭建方法
试验模型建立
金属柱体遭遇雷击后， 雷电电流将从柱体表
I = I 0 (e- αt - e )
- βt
α 为上升 式中：I 0 为雷电流峰值，I 0 =218 810 A ； β =647 265 s-1； t 为时间。
（1）
面流过并对内部结构产生反应， 因此， 分析雷电流
文献标志码： A DOI： 10.19693/j.issn.1673-3185. 01407
流波形， 分析系统的电流谐振； 然后， 通过电磁仿真软件 CST 对金属柱体表面电流分布进行仿真， 分析不同负载
Simulation analysis on return conductor configuration for lightning indirect effect test of metal cylinder
cage type injection device similar to coaxial line can be used for indirect lightning effect test of metal Key words： metal cylinnder； lightning indirect effect； return conductor； CST simulation
第 13 卷 增刊 1 2018 年 12 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal Ship Research 中 国 舰 of 船 研 究
Vol.13 Supp 1 Dec. 2018 第 13 卷
引用格式： 黄瑞涛， 段艳涛， 石立华， 等. 金属柱体雷电间接效应的回路导体仿真分析 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （增刊 1） ： 66-70， 91. HUANG R T， DUAN Y T， SHI L H， et al. Simulation analysis on return conductor configuration for lightning indirect effect test of metal cylinder ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （Supp 1） ： 66-70， 91.
金属柱体雷电间接效应的回路导体仿真分析
黄瑞涛， 段艳涛， 石立华， 罗康， 张琪
陆军工程大学 电磁环境效应与光电工程重点实验室， 江苏 南京 210007
摘
要： ［目的］为了研究金属柱体类军械的雷电间接效应， ［方法］研究一种搭建金属柱体类飞行物体雷电间
接效应试验装置的方法， 并设计一种类似于同轴线的笼型框架作为耦合装置。首先， 研究不同终端负载下的电 阻抗和不同回路导体排列结构对金属柱体表面电流分布均匀性的影响； 最后， 根据仿真结果， 分析柱体结构表 面电流密度及柱体内、 外部瞬态电磁场的分布。 ［结果］仿真结果分析表明， 这种类似于同轴线的笼型注入装置 可用于金属柱体类物体的雷电间接效应试验。 ［结论］仿真结果可为下一步的试验提供基础。 关键词 ： 金属柱体； 雷电间接效应； 回路导体； CST 仿真 中图分类号 ： U674.7+02； N33
电 流 分 量 在 6.4 μs 时 达 到 200 kA 的 最 大 幅
所包含波长的 1/4 整数倍时， 在该频率处即发生谐 以下。因此， 当具有低频能量的雷电流 A 分量注 入到回路导体系统时， 不会发生谐振。
第 13 卷
的时间为 69 μs， 电流总持续时间不超过 500 μs。
α =113 54 s-1；β 为下降沿衰减系数 沿衰减系数，
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中
国
舰
船
研
究
值， 上 升 时 间 为 2.85 μs， 从 开 始 到 最 大 衰 减 50% 为了完整计算电流 A 波分量对空间电磁场和金属 柱体表面电流分布的影响， 仿真时间应该大于下 降至 A 波波形半宽度的时间值。但是， 模拟时间 过长会导致运行时间过长， 时间过短又会导致仿 真结果不完整。经综合分析， 将仿真时间设置为 100 μs。 在 频 率 范 围 上 ， 当前 A 波分量的能量主 要集中在 103 kHz 以下， 但是， 当雷电电磁波耦合 进金属柱体内部以后， 会在内部发生谐振现象， 从
method for constructing the tester for lightning indirect effect of the metal cylindrical flying object is terminators. Then，through the electromagnetic simulation software CST，the surface current distribution of the simulation results，the surface current intensity of cylinder and the instantaneous electromagnetic field conductor arrangement on the uniformity of surface current distribution are analyzed. Finally，according to the metal cylinder is simulated， and the influences of different load impedance and different return
金属柱体
回路导体
（a）CST 模型
d z x 0
图 1 带有同轴回路导体的金属柱体仿真配置 Fig.1 Simulation configuration of the metal cylinder with coaxial return conductors
（b）坐标设置及参数设定
该模型由电流源、 金属柱体、 负载阻抗及回路
studied，and a cage type frame similar to coaxial line is designed as the coupling device. ［Methods］ Firstly， the current resonance of system is analyzed by observing the current waveform of different
［2-3］
。在过去的几年里， 许多研究人
［4-5］
本文使用电磁仿真软件 CST 建立了圆柱体与
员对飞行物体的间接影响予以了关注
［6］
。在武
试电流被注入到金属柱体中以模拟飞行物体被雷
器装备方面， 飞行物体多为圆柱形， 如火箭弹、 导 弹等。 GJB 1389A-2005 对系统电磁兼容性的总 接效应下， 系统均应满足其工作性能要求。为了 满足这一要求， 应该通过系统、 子系统、 设备和组 件级的实验， 分析或对其组合分析进行验证。但 是， 该标准没有对雷电间接效应的实验设备及实 验方法等作出具体规定。 对于金属柱体类飞行物体的雷电间接效应试 验， 可 以 参 考 标 准 SAE-ARP 5416［7］， 该标准适用 于小型固定翼飞机的雷电间接效应测试方法。 GJB 8848-2016［8］给 出 了 采 用 回 路 导 体 形 式 实 验 装置研究金属柱体类设备的雷电间接效应， 其要 求回路导体系统围绕被试件构建， 被试件放置在 同轴线的笼型框架内， 雷电流从头部注入尾部流 出， 至笼型框架外导体， 从而形成一个类似于同轴 传输线的封闭式系统。然而， 上述标准并未明确 规定如何配置回路导体系统， 故有必要对回路导 体的具体配置方法予以研究。 为了研究金属柱体的雷电间接效应， 本文拟 建立一个同轴型回路导体模型， 通过改变回路导 体的参数以及分析不同参数的结果， 选择一个合 适的参数， 从而指导模型的搭建； 同时分析负载阻 抗上的电流波形以得到不同负载阻抗下的电流谐 振特性。在此基础上， 使用电磁仿真软件 CST 计 算不同回路导体结构形式下金属柱体表面的电流 分布。研究结果有助于进一步研究金属柱体在雷 电间接测试中的回路导体配置。 要求予以了规定， 其要求在雷电的直接效应和间
电流源 负载阻抗
雷电是一种强烈的自然放电过程 。对飞行 物体的雷电效应可分为直接效应和间接效应 2 种， 其中直接效应表现为雷电对雷击点的物理 损坏， 包括在金属蒙皮上烧蚀孔洞、 非金属材料被 击穿等； 间接效应表现为飞行器遭受雷击时， 雷电 在放电过程中产生上升时间快、 持续时间短的大 电流脉冲， 同时， 还会产生很强的瞬态电磁场， 这 种峰值很高的电磁场和电流脉冲会干扰或损害飞 机的航电系统
导体组成。图 1 （b） 给出了其坐标设置， 其中 y 轴
正向为垂直纸面向外， d 表示回路导体与金属柱 体轴心的距离。根据标准 SAE-ARP 5412A［9］中的 规定， 在进行飞机试验时， 理想的闪电应是一种复 合波形， 标准的闪电由代表了自然闪电特征的电 流波形分量和电压波形分量组成。在进行飞机间 接效应试验时， 主要采用的是 A 波和 H 波电流分 量。电流 A 波分量将负极性和正极性首次回击的 标准参数结合在了一起， 多发生于低空飞行的飞 机。因此， 参考飞机的雷电间接效应试验方法， 在 该仿真中， 采用标准 SAE-ARP 5412A 中规定的电 数形式表示为 流 A 波和分量来模拟雷电流， 该分量由双指数函
National Key Laboratory on Electromagnetic Environmental Effects and Electro-optical Engineering， Army Engineering University of PLA ， Nanjing 210007， China Abstract： ［Objectives］ In order to study the lightning indirect effect of metal cylindrical ordnance, a HUANG Ruitao， DUAN Yantao， SHI Lihua， LUO Kang， ZHANG Qi
作者简介： 黄瑞涛， 男， 1994 年生， 硕士生。研究方向： 雷电电磁效应及防护。 E-mail： 190485346@qq.com 段艳涛 （通信作者） ， 男， 1980 年生， 博士， 讲师。研究方向： 电磁防护与电磁仿真。 E-mail 石立华， 男， 1969 年生， 博士， 教授， 博士生导师。研究方向： 电磁防护及电磁兼容。 罗康， 男， 1989 年生， 博士， 讲师。研究方向： 微波天线与电磁仿真技术。