EVTOL雷电分区方法解读

EVTOL航空器闪电分区

一.概述

EVTOL作为新一代复合翼航空器，其机身结构采用碳纤维复合材料制造，具有显著的轻量化优势与优异的疲劳寿命特性。然而，与传统金属机身航空器相比，复合材料固有的低导电性导致其对闪电电磁场的屏蔽效能显著降低，进而削弱了航空器的整体抗雷击能力。

鉴于EVTOL独特的气动外形与复合材料结构特性，其闪电附着行为与常规航空器存在显著差异。为保障飞行安全，需通过系统性试验明确其在雷暴环境下的闪电附着点分布规律，并据此建立科学的闪电分区模型。此项研究将为后续闪电防护系统的优化设计、关键区域防护措施的制定以及整机闪电防护验证提供重要的数据支撑与理论依据。

本文依据SAE ARP 5414B，对EVTOL进行了初步闪电分区，并通过仿真软件对其最严苛的水平飞行姿态进行仿真，进一步分析闪电附着区域，最后以EVTOL缩比模型雷击试验对分区结果进行验证，得到相应详细分区结果。

二.航空器闪电分区

根据航空器闪电附着特性、闪电通道扫掠特性和闪电电流传导特性，将航空器表面划分为3个区域，根据航空器闪击特性，区域l可进一步划分为区域lA、区域1B和区域lC，区域2可进一步划分为区域2A和区域2B。

区域1：

经受初始闪电先导附着和首次回击可能性很大的区域：

● 区域1A（首次回击区域）：航空器表面承受首次回击的所有区域，该区域在闪电通道附着期间，电弧悬停可能性较小。
● 区域1B（悬停时间长的首次回击区域）：航空器表面承受首次回击的所有区域，该区域在闪电通道附着期间，电弧悬停可能性较大。
● 区域1C（首次回击过渡区域）：航空器表面承受电流幅度已降低的首次回击的所有区域，该区域在闪电通道附着期间，电弧悬停可能性较小。

区域2：

经受初始闪电先导附着和首次回击可能性较小，但经受后续回击可能性大的区域，该区域由航空器运动时闪电通道从初始附着点向后扫掠形成。

● 区域2A（闪电通道扫掠区域）：航空器表面承受启续回击的所有区域，该区域在闪电通道扫掠期间，电弧悬停可能性较小。
● 区域2B（悬停时间长的闪电通道扫掠区域）：航空器表面承受后续回击的所有区域，该区域在闪电扫掠期间，电弧悬停可能性较大。

区域3：

经受任何电弧附着可能性很小，但在初始闪电附着点和扫掠通道附着点之间传导闪电可能性很大的区域。

三.分区原则及方法

3.1 分区原则

航空器闪电分区有两种方法，相似类比法和逐步分析法。航空器闪电分区流程见图1。航空器闪电分区的一般原则为：

● 对与己获得适航认证航空器相似的新研或改进航空器，使用表明己获得适航认证航空器闪电分区是有效的，可以按照已获得适航认证航空器闪电分区结果，对新研或改进航空器进行闪电分区，按照相似类比法进行航空器闪电分区。
● 对于新研航空器或外形新颖的航空器，则需要按照逐步分析法进行航空器闪电分区。对于全新或者改进航空器，其未改动部分可以按照相似类比法进行闪电分区，而全新或改进部分按照逐步分析法进行闪电分区。

图 1 分区流程图

3.2 逐步分析法

影响因素：
影响航空器闪电分区结果主要因素为：航空器外形、飞行速度和飞行高度。

初始闪电先导附着位置：
首先确定闪电先导在航空器表面的初始附着位置。典型的初始闪电先导附着位置包括机头、翼尖、垂尾端部、螺旋桨端部、旋翼端部、起落架以及其他较大的机外突出部件。
本次确定初始闪电先导附着位置的方法采用相似法、经验法、试验法和仿真计算法，详见第4章。

区域1A和区域1B：
航空器遭到闪击时，随着航空器向前飞行，闪电先导会从初始附着点向后扫掠，直到闪电先导到达地面（或其他电荷中心）引发首次回击。航空器在这段时间飞过的距离决定了区域lA表面从初始先导附着点向后延伸的范围，依据等式1可知延伸距离d，取决于飞行速度、飞行高度（对云地放电）以及闪电先导速度（见图2）。

（等式1）

式中：
   Vt——航空器飞行速度，单位为：米/秒（m/s）。
   d ——闪电先导扫掠距离，单位为：米（m）；
   h——飞行高度，单位为：米（m）；
   Vi——闪电先导速度，单位为：米/秒（m/s）；

经验表明，飞行中遭到的大部分严重闪击现象，发生在飞行高度1500m以下的云对地放电中，区域lA的延伸范围以此高度计算，闪电先导速度取值为1.5×10⁵m/s。

初始闪电先导附着在区域1B时，由于该区域位于航空器表面最后端，闪电通道必须始终悬停在该区域直至闪电放电过程结束，区域1B不存在闪电通道扫掠现象。

图 2 先导扫掠与航空器高度速度关系示意图

区域1C：
   飞行高度为1500m～3000m之间时，扫掠先导能到达的航空器表面为区域lC。在此区域内，航空器承受的回击电流幅度小于初始首次回击电流幅度。扫掠距离d2可用等式1得出，其中飞行高度取值为3000m。
   飞行高度低于3000m时，处于d1与d2之间的航空器表面为区域lC。对于飞行速度更低的航空器，闪电扫掠距离d2可相应减少。区域lA和区域lC如图3所示。

图3 区域1A和区域1C示意图

区域2A和区域2B：
   在闪电放电的持续时间内，飞行距离通常大于机身长度，区域lC后面的航空器表面为区域2A，区域2A的后缘表面被确定为区域2B，除非这些区域已经被确定为区域lB。

   区域横向扩展：
   SAE ARP 5414B中规定沿翼根、垂直和水平安定面根部的1A区、1C区、1B区、2A区和2B区两侧各0.5m的表面，也应视为在这些相同区域内，以考虑闪电通道的小幅度横向移动。
   1A区、1B区、2A区和2B区横向延伸区域的确定应基于飞机的外部或外露特征。对于没有翼梢小翼的飞机，1A区和1B区应从弯曲翼尖的切点向内侧延伸0.5m，或从平直翼尖的尖端向内侧延伸0.5m。此外，后缘从尖端向内侧额外0.5m范围内、宽度为5cm的区域应视为1B区，如图4所示。

图 4 SAE ARP 5414B机翼分区示意图

非导电表面：
   非导电表面通常被认为是周围导体的一部分，初始闪电先导或扫掠通道通常附着在非导电表面周围的导体上。当非导电表面没有足够的绝缘强度防止闪电击穿的情况下，闪电也可能附着在非导电表面内部的导电物体上，如闪电附着在机头内部设备上，本次试验未开展非导电表面测试，全部按照导电表面处理，后期应增加初始先导附着试验，以便进一步细化闪电分区。

四.初始闪电先导附着区域确定

4.1 雷击区域划分初步分析

采用相似法和经验法划分闪电区域，EVTOL属于固定翼和旋翼组合：首先根据两种航空器的以往经验，确定其初始附着区域一般包括一些尖端区域，如机头、旋翼尖端、空速管、起落架等；其次确定闪电回击电流可能经过的区域，主要包含1A、1B和1C区。

正常情况下，EVTOL处于向前运动的过程中，在闪电先导到达地面（或其他的放电中心）和初始返回雷击的时间内，雷击和闪电先导可能已经从初始附着点开始向后扫掠。在该时间段内EVTOL运动的一段距离，决定着从初始闪电附着点开始的1A区域范围，其由EVTOL速度、相对于地面的高度和闪电先导速度。

1区初划定：
   依据公式1，EVTOL飞行高度选择1500m或更低，此时闪电先导速度应达1.5×10⁵m/s。EVTOL真空极限速度约为73m/s，此时1A区域的范围为730mm，这里选择750mm。
   由于EVTOL垂直上升时，除旋翼外，其余部分相对闪电弧保持水平方向静止，闪电附着后停留的时间较长，因此闪电附着区可能接收闪电的所有分量，应划为1B区，如起落架、垂尾顶端、旋翼旋毂部分等。
   1C区域是确定扫掠距离根据式(1)计算，取高度h=3000m，计算出总闪电先导扫掠距离d2。根据EVTOL实际上升高度不超过1500m，因此不存在1C区域。

   2区初划定：
   EVTOL旋翼在上升中处于运动状态，旋翼翼尖处在初始附着区，由于旋翼运动速度快，闪电停留时间短，将旋翼翼尖分划为1A区，1A区沿旋翼向旋翼轴方向的延伸部分划为2A区，在SAE ARP 5414B中虽然将旋翼桨毂分为2A区，但要求能传导1B的所有电流。
   固定翼采用3.2章节的方法，附着区域选取宽度5cm作为1B、2B区。其中1B为有闪电电弧附着位置区域，2B为扫掠最后末端区域。重叠区域按闪电损伤较高的区域进行覆盖。

   3区初划定：
   若不在以上任何区域内，但处在它们之间的表面和结构应考虑为区域3的范围。

4.2 闪电附着点仿真分析

仿真原理：
   飞机触发闪电的条件是要有足够大的场强，浸没飞机的闪电静电场会在飞机的尖端和边缘感应出电晕流光，电场强度达到500kV/m时，流光继续传播形成成熟闪电先导。云层和地之间是一些平行的等势面，在飞行器飞入后，引起飞行器表面电荷的重新分布。
   根据库仑定律：

（等式2）

式中：
   E——电场；
   Q——为电荷；
   r——为该点距离场源的距离；
   ε₀——为空气电介质常数。

通过式(2)可计算出同一电场下飞行器上各点的电荷分布，电荷密度越大，与云层电荷间的电势差越大，触发放电的概率越大。

仿真处理：
   a. 仿真对象几何模型处理
     (1) 航空器外表面轮廓结构，不改变模型的气动形态；
     (2) 将模型中几何干涉、破面、缝隙等进行处理；
     (3) 所有面均采用金属结构。

   b. 雷电附着仿真环境几何构建
     (1) 雷电附着仿真采用空气介质求解域，空气域的几何四周边界与仿真对象边缘的距离需要大于仿真对象最大空间尺寸（d）的1/3，模型尺寸为12m，空气域采用半径10m；
     (2) 上边界与模型边缘的距离需大于50m，如图5-图8所示。
     (3) 仿真需获取航空器外表面的电场强度，需要对高角度姿态下及水平姿态下的航空器进行仿真。考虑到航空左右结构的对称性，因此仿真分析考虑具有代表性姿态。

   c. 材料参数设置
   航空器雷电附着仿真涉及的材料有：金属、空气，设置的电参数有相对介电常数（1）与电导率（S/m）。其中金属电导率按照铜5.8e7（S/m），空气电导率，取10e-5（S/m）可提高计算收敛性。

   d. 仿真源及边界设置
   雷电附着仿真源是在空气域上下边界加载高电压：上下表面分别设置为高压边界（V=3000kV）与接地边界（V=0），外围空气边界设置为电绝缘。

   e. 网格设计
   (1) 使用自由四面体网格；
   (2) 网格应按照线、面、体从低纬度向高纬度剖分；
   (3) 网格应按照几何对象几何尺寸从大到小剖分；
   (4) 结构边缘需加密处理；

   仿真结果分析：
   航空器遭到闪击时，随着航空器向前飞行，闪电先导会从初始附着点向后扫掠，直到闪电先导到达地面（或其他电荷中心）引发首次回击。航空器在这段时间飞过的距离决定了区域lA表面从初始先导附着点向后延伸的范围，依据等式1可知延伸距离d，取决于飞行速度、飞行高度（对云地放电）以及闪电先导速度（见图2）。
   仿真分析首先建数值模型，采用comsol软件数值模拟电场，通过模拟最严苛的水平飞行姿态下可能的电场情况。
   计算各部分感应的电荷量，以最大电荷量为基准，将飞机感应电荷量换算为dB值。仿真结果在多种仿真姿态情况下：
   a. 飞机的尖端部位（如机头、垂尾顶端、翼尖等）以及机身曲率半径较小的凸起结构周围，呈现明显的红色区域，表明这些位置电场集中，易引雷。
   b. 飞机机翼上表面中部、部分机身中部等平坦或流线型区域，主要呈现绿色区域，表明这些位置电场强度相对较弱。

五.设备方案

我司自主研发的高电压附着点分区试验系统，可模拟测试飞机等设备在遭受雷击时，在飞机表面不同区域可能被雷电袭击的概率，找到容易被雷电袭击的附着点，完全符合GJB 1389A，GJB 3567等国军标标准，同时也满足美军标MIL-STD-464C、航空系统SAE ARP5416、DO 160 section23等飞机雷电试验标准要求。可应用于飞机整机、航空航天材料、舰船、导弹、军用车辆、雷达等设备设施。其特点如下：

1. LVG3000采用开放式主回路设计，H型塔式机构，从而实现了整体超小型
   2. 基于触摸屏控制的MCS2000全自动智能控制系统，图形化显示设备运行状态，操作简单、方便
   3. 可配置进行分区试验的匀电场电极
   4. 设备标配附着点测试用电极
   5. 设备整体外观美观、大方
   6. 采用Marx发生器，实现并联充电串联放电
   7. 球隙自动跟踪电压在全充电电压范围内自动调整球隙距离，可调精度0.1mm
   8. 自动安全保护程序，声光报警