CST闪电间接效应研究

Modeling and Simulation 建模与仿真, 2017, 6(1), 31-39

Published Online February 2017 in Hans. /journal/mos https:///10.12677/mos.2017.61004

文章引用: 周秦汉, 吴红兰, 乔新. CST 闪电间接效应研究[J]. 建模与仿真, 2017, 6(1): 31-39.

CST Study on Lightning Indirect Effect

Qinhan Zhou, Honglan Wu, Xin Qiao

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu

Received: Feb. 4th , 2017; accepted: Feb. 24th , 2017; published: Feb. 27th

, 2017

Abstract

Lightning is coupled into the airplane through the gap of the aircraft, which produces electromag-netic interference. In this paper, the CST simulation software is used to set up the slot structure on

the 787 model to verify its electromagnetic coupling mechanism; this simulation selects different

kinds of cables, analyzing their electromagnetic shielding performance by comparison and pro-viding the basis for the cable laying and modification.

Keywords

Indirect Effect of Lightning, Gap, Cable, Electromagnetic Shielding

CST 闪电间接效应研究

周秦汉，吴红兰，乔 新

南京航空航天大学，江苏 南京

收稿日期：2017年2月4日；录用日期：2017年2月24日；发布日期：2017年2月27日

摘 要

闪电通过飞机开口缝隙耦合进入飞机内部，产生电磁干扰。本文利用CST 仿真软件在787模型上设置开口缝隙结构，对其电磁耦合机理进行验证；选取了不同型号的传输线，对比分析其电磁屏蔽性能，为线缆铺设改装提供依据。

关键词

闪电间接效应，开口缝隙，线缆，电磁屏蔽

周秦汉等

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

/licenses/by/4.0/

1. 引言

闪电是一种常见的自然现象，同时也是最常见的强电磁干扰源，每天发生约800万次。国际电工委员会已将闪电灾难现视为电子信息化时代的一大公害，而同时闪电也是飞机研制和适航审定所必须验证的一项电磁环境。CCAR25.1316-系统闪电防护[1]指出：(a) 系统安全性评估确定为A级的系统，对于其功能失效会影响或妨碍飞机继续安全飞行和着陆的每种电气、电子系统的设计和安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境时，执行这些功能的系统的工作与工作能力不受不利影响。(b) 系统安全性评估确定为B 级和C级的系统，对于其功能失效会影响或造成降低飞机能力或飞行机组处理不力运行条件能力的各种电气和电子系统的设计和安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境之后能及时恢复这些功能。

闪电对飞机的影响可以分为闪电直接效应和闪电间接效应。上世纪70年代，一批来自FAA和NASA 等机构的航空界工程师对如何评估记载电子设备对闪电间接效应敏感性的测试方法展开了研究，并提出了一种瞬态分析技术，开创了通过实验验证电设备的瞬态设计水平(ETDL)是否可以耐受实际瞬态水平(ATL)的方法。航空无线电技术委员会(RTCA)和美国汽车工程师协会(SAE)等航空组织也相继退出了一系列的标准用以指导如何惊醒闪电间接效应实验。我国对闪电的研究成果主要集中在闪电直接效应，而间接效应的研究尚处于起步阶段，大部分的标准和实验都要借鉴国外。本文利用CST软件对闪电效应进行初步研究，主要针对闪电耦合进入飞机内部的路径——开口缝隙影响机理进行验证，另外对闪电防护主要措施——屏蔽线缆的电磁屏蔽性能进行验证[2] [3] [4] [5]。

2. 闪电间接效应影响机理

闪电的间接效应是指伴随闪电产生的强电磁脉冲引发的过电压或者过电流对于飞机系统或设备产生的损害，主要可分为三个部分：静电效应、暂态过压、电磁耦合。本文主要讨论电磁耦合的影响机理。

所谓电磁耦合，就是伴随闪电的电磁场通过缝隙、开口、复合材料耦合到飞机内部的设备中，继而产生大的电压或电流，损伤设备。

其主要耦合方式分为三类：(1) 磁场耦合；(2) 阻抗耦合；(3) 电场耦合。

(1) 磁场耦合

当闪电击中飞机时，快速变化的闪电电流在机身周围形成一个环绕机身的瞬变强电磁场。而这个强磁场中的一部分磁通量则会通过上述路径进入到飞行器内。除此之外，飞行器内部也可能来自闪电电流的向内扩散。进入飞行器内部的变化磁场可以在没有闭合的电路中感应出电压，而在闭合电路中则会感应出电流。

(2) 阻抗耦合

所谓阻抗耦合，就是当闪电电流经过阻抗部位时就会产生压降。当飞机内部设备与机身相连时二者之间就会产生电压差。对于高导电的金属材料，这个压降不会很高。而对于复合材料或者其他导电率较低的材料，就会产生大的电压差。

(3) 电场耦合

电场可以通过上述的路径直接进入机体内部，便会在导体上产生正比于电场变化率的位移电流I，其对应关系式：