摘要
雷電是自古以來(lái)就有的自然電磁現(xiàn)象，但在信息技術(shù)高度發(fā)達(dá)、微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，雷電防護(hù)的需求日益迫切。雷電防護(hù)涉及的范圍十分廣泛，近年來(lái)國(guó)際范圍內(nèi)對(duì)雷電防護(hù)技術(shù)的研究也高度重視。本文主要根據(jù)掌握的資料，對(duì)國(guó)外一些典型的整機(jī)雷電試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行綜述介紹。
整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證是從系統(tǒng)整體角度發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，驗(yàn)證產(chǎn)品雷電防護(hù)性能的必要手段。雖然高壓和大電流產(chǎn)生技術(shù)已十分成熟，但實(shí)驗(yàn)室的雷電參數(shù)模擬能力實(shí)際是與受試件大小和阻抗密切相關(guān)的。
1
美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室雷電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
SLS（Sandia Lightning Simulator）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一套大型雷電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生峰值20~200 kA、上升時(shí)間0.5-2.1 μs的單次模擬回?fù)?a href="/kx/shehui/131399.html">電流脈沖，也可產(chǎn)生包含兩個(gè)幅度可調(diào)、間隔時(shí)間可調(diào)的二次模擬回?fù)綦娏髅}沖。系統(tǒng)由高壓源、兩組Marx發(fā)生器、持續(xù)電流源、測(cè)試籠型支架和測(cè)量室構(gòu)成，見(jiàn)圖1。四個(gè)獨(dú)立的Marx發(fā)生器分成兩組裝在浸滿變壓器油的兩個(gè)獨(dú)立機(jī)箱內(nèi)，兩組高壓脈沖發(fā)生器可以組合操作，每個(gè)都通過(guò)油浸的傳輸線連接到輸出端。根據(jù)需要，還可在輸出電流端附加額外的持續(xù)電流，幅度為百安培量級(jí)，持續(xù)時(shí)間小于等于1 s。高壓源通過(guò)激光觸發(fā)crowbar開關(guān)控制，電流波形為單極性。輸出電流由1 mΩ同軸分流器測(cè)量，檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)特殊屏蔽的同軸電纜傳至儀器屏蔽室，由Tektronix7612D數(shù)字轉(zhuǎn)換器記錄。
圖1 SLS試驗(yàn)系統(tǒng)
圖1的測(cè)試裝置中受試裝備位于籠型裝置軸線上，該裝置半徑1.5 m、長(zhǎng)5.5 m，電流由軸線上注入，通過(guò)周圍等排列的16根銅質(zhì)導(dǎo)體返回。這種均勻排布有助于減小受試裝備表面電流分布的不均勻性。
2
美國(guó)紅石技術(shù)試驗(yàn)中心LTF雷電試驗(yàn)設(shè)施
該設(shè)施隸屬于美國(guó)紅石技術(shù)試驗(yàn)中心（RTTC），建成于1988年。主要服務(wù)于美國(guó)陸軍的武器裝備試驗(yàn)與評(píng)估，最早用于導(dǎo)彈實(shí)彈測(cè)試，后來(lái)拓展至軍用車輛和航空設(shè)備，其規(guī)?？梢员ＷC對(duì)帶有數(shù)千磅燃料的大型導(dǎo)彈進(jìn)行實(shí)彈試驗(yàn)。該設(shè)施有三組獨(dú)立電容器來(lái)產(chǎn)生高達(dá)200 kA的雷擊電流，產(chǎn)生波形包括了雷擊直接效應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的A、C、D三類。為防止受試系統(tǒng)以外點(diǎn)火引起的災(zāi)害，設(shè)置了固定的鋼質(zhì)大型安全罩，安全罩內(nèi)還設(shè)置有小型的安全室，用于對(duì)不同大小的受試系統(tǒng)開展試驗(yàn)（見(jiàn)圖2）。系統(tǒng)設(shè)有充電/放電間安裝充放電配電系統(tǒng)，遠(yuǎn)處有混凝土掩體和控制室供操作人員控制試驗(yàn)。
圖2 LTF試驗(yàn)系統(tǒng)
LTF的高壓、大電流產(chǎn)生系統(tǒng)共使用了480只60 kV、1.875 μF的電容器。分為4級(jí)，每級(jí)120只并聯(lián)，用于獲得大的放電電流。雷電流測(cè)試系統(tǒng)采用了Pearson1080電流探頭和OP-300型光纖傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)特點(diǎn)是自帶有方波校準(zhǔn)信號(hào)。波形記錄系統(tǒng)有HP的54111D和Tektronix的7612D等多種示波器。
3
法國(guó)格拉瑪研究中心全尺寸雷電試驗(yàn)模擬器
飛行雷電試驗(yàn)表明，雷電導(dǎo)致的電磁脈沖前沿可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微秒量級(jí)，因此法國(guó)格拉瑪研究中心（CEG）針對(duì)快前沿雷電電磁脈沖對(duì)飛機(jī)耦合研究的需要，建立了PARSIFAL雷電模擬器。該模擬器采用圖3所示的50 Ω阻抗同軸結(jié)構(gòu)，由三只絕緣支撐環(huán)支撐半徑漸變的傳輸線，保證阻抗的一致。在文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)階段，注入電流為500 A，未來(lái)發(fā)展目標(biāo)是5 kA至15 kA的峰值可變電流注入，同時(shí)對(duì)于波形寬度也可調(diào)整。在第一研究階段通過(guò)低電流試驗(yàn)了解不同飛機(jī)部位的傳遞函數(shù)并與FDTD數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)和分析的測(cè)點(diǎn)包括了機(jī)身表面和機(jī)艙內(nèi)部電纜的不同位置，兩者吻合程度較好。
圖3 PARSIFAL雷電模擬器：(左)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，(右)測(cè)量和仿真結(jié)果的比較（磁場(chǎng)）
4
英國(guó)BAE公司LSS雷電試驗(yàn)?zāi)M器
2008年，英國(guó)BAE公司在歐洲電磁學(xué)年會(huì)上介紹了其研制成功的一款全威脅等級(jí)(Full threat level)LSS（Lightning Simulation System）模擬器。圖4為該模擬器外形以及對(duì)臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行注入試驗(yàn)的情況。LSS主要模擬雷電流A波，采用電感儲(chǔ)能工作方式。高壓源為750kV的Marx發(fā)生器，峰值電流50-200 kA。脈沖源系統(tǒng)長(zhǎng)6 m、寬2 m、高5 m，使用變壓器油和SF 6絕緣，變壓器油用量為5500 gal，系統(tǒng)總重41 t。系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可移動(dòng)方式，便于托送至飛機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。
圖4 LSS雷電模擬器：(左)脈沖源，(右)全尺寸飛機(jī)試驗(yàn)設(shè)置
該系統(tǒng)已用于以復(fù)合材料為主要結(jié)構(gòu)的歐洲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)和金屬機(jī)身的Nimrod MRA4偵察機(jī)雷電測(cè)試，前者測(cè)試峰值電流達(dá)到200 kA，后者注入電流范圍為15-50 kA。通過(guò)全尺寸、高威脅量級(jí)的注入試驗(yàn)為飛機(jī)整機(jī)雷電實(shí)驗(yàn)方法和機(jī)身內(nèi)部系統(tǒng)雷電防護(hù)措施的制定提供了重要依據(jù)。
5
俄羅斯VNIIEF的雷電試驗(yàn)系統(tǒng)
全俄羅斯實(shí)驗(yàn)物理研究院（VNIIEF）下屬的高電壓研究中心和俄羅斯聯(lián)邦核中心均開展有高壓和大電流的雷電模擬實(shí)驗(yàn)。與一般采用電容或電感儲(chǔ)能的雷電流產(chǎn)生方法不同，VNIIEF針對(duì)可移動(dòng)的雷電流注入試驗(yàn)需求，采用了爆炸磁累積發(fā)生器（MCG）技術(shù)產(chǎn)生大電流，前沿為微秒量級(jí)、峰值可達(dá)到90-160 kA。MCG實(shí)質(zhì)上就是我國(guó)以及美國(guó)常稱為磁通量壓縮發(fā)生器（MFCG）的一種大電流產(chǎn)生裝置，它利用爆炸化學(xué)能壓縮磁通量、放大電流，在俄羅斯被稱為爆炸磁累積發(fā)生器。VNIIEF先后研制了MCG-80（0.2MJ）、MCG-160（2MJ）和MCG-320（10MJ）等發(fā)生器作為產(chǎn)生電流和電磁場(chǎng)的能源發(fā)生裝置。利用這些裝置在野外完成了磁場(chǎng)和沖擊電流注入試驗(yàn)，圖5為MCG-160對(duì)接地系統(tǒng)模擬雷電流注入時(shí)的試驗(yàn)場(chǎng)景。
圖5 MCG-160對(duì)接地系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)電流注入試驗(yàn)
VNIIEF開展的另一類有特色的實(shí)驗(yàn)是高壓靜電場(chǎng)中周圍帶有不同極性電荷云的飛行器的閃電附著點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。其中，飛機(jī)模型附近靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)1 MV/m，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可充滿中型電荷、負(fù)電荷或正電荷的離子云。盡管試驗(yàn)設(shè)施高度和跨度已經(jīng)非常之大，但是也還僅能滿足縮比模型實(shí)驗(yàn)的需求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，獲得了飛機(jī)模型在不同條件下表面雷擊分區(qū)的異同。
6
基于人工引雷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)
出于對(duì)彈藥庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)雷電模擬試驗(yàn)的需求，美國(guó)陸軍和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代開展了基于可移動(dòng)人工引雷設(shè)備的試驗(yàn)技術(shù)研究，研發(fā)了SATTLIF（Sandia Transportable Triggered Lightning Instrumentation Facility）。該系統(tǒng)安裝在20 m×8 m×8 m的集裝箱內(nèi)，可由一輛貨運(yùn)卡車搭載，也可由飛機(jī)運(yùn)輸，送至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)圖6。每組引雷裝置由12只帶有地面系留金屬絲的小火箭構(gòu)成，金屬絲通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)接地。系統(tǒng)自帶25 kW柴油發(fā)電機(jī)，對(duì)外界依賴性低。人工誘發(fā)雷電的電流、電場(chǎng)等參數(shù)由SATTLIF的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得，通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)送至集裝箱內(nèi)的記錄系統(tǒng)。引雷時(shí)機(jī)根據(jù)地面大氣電場(chǎng)儀讀數(shù)判定，引雷火箭同樣通過(guò)光纖傳輸系統(tǒng)加以控制。該系統(tǒng)于1990年夏季在美國(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心（KSC）完成了一系列引雷試驗(yàn)。獲得的5組雷電流數(shù)據(jù)與KSC測(cè)量系統(tǒng)獲得結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，誤差在7 %以內(nèi)。數(shù)據(jù)表明，人工引雷獲得的雷電流幅度在3-24kA之間。
圖6 人工引雷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)置
近些年來(lái)，國(guó)際范圍內(nèi)開展人工引雷試驗(yàn)最為著名的研究機(jī)構(gòu)是美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)國(guó)際雷電研究與試驗(yàn)中心（ICLT, International Center for Lightning Research and Testing），有關(guān)人工引雷試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展可參見(jiàn)文獻(xiàn)。
總結(jié)與展望
本文主要關(guān)注大型設(shè)備的雷電試驗(yàn)技術(shù)，具體圍繞整機(jī)雷電流直接注入試驗(yàn)，總結(jié)了國(guó)外一些大型雷電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況。相對(duì)于部件級(jí)及縮比模型的試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，整機(jī)雷電防護(hù)性能的驗(yàn)證對(duì)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)需求高、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高，實(shí)施難度大，國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰υ谶@一方面還存在嚴(yán)重不足。
綜合分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)和技術(shù)需求，整機(jī)雷電實(shí)驗(yàn)技術(shù)今后的發(fā)展動(dòng)向主要包括：
（1）同時(shí)滿足全尺寸和威脅等級(jí)要求的大型試驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)；
（2）滿足裝備和設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求的可移動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)；
（3）高效、高可靠性雷電耦合效應(yīng)測(cè)量技術(shù)研究；
（4）具有重復(fù)脈沖產(chǎn)生功能的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；
（5）雷擊近區(qū)電場(chǎng)、磁場(chǎng)效應(yīng)的模擬；
（6）從連續(xù)波測(cè)試結(jié)果估計(jì)脈沖波測(cè)試結(jié)果的等價(jià)評(píng)估技術(shù)；
（7）數(shù)值分析與試驗(yàn)?zāi)M的相互驗(yàn)證。
本文摘選自《環(huán)境技術(shù)》第6期
作者：
王春雷1， 石立華2 ，段艷濤2， 付尚琛2 ，蘇麗媛2；
作者單位：1.海裝駐南京地區(qū)第四軍事代表室，2.陸軍工程大學(xué)電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
作者簡(jiǎn)介：
王春雷，碩士，電子對(duì)抗專業(yè)，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)及應(yīng)用等。
石立華，教授，博導(dǎo)，工學(xué)博士，陸軍工程大學(xué)電磁環(huán)境效應(yīng)與光電工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。研究方向?yàn)槔纂娢锢?、時(shí)域測(cè)量、電磁兼容與防護(hù)技術(shù)等。
本網(wǎng)站所發(fā)布、轉(zhuǎn)載的文章，其版權(quán)均歸原作者所有。
責(zé)任編輯：
