某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究

某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究 某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研 究 某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究2010年9月 某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究 蔡良元,王清海,温磊,崔溢 (北京航空材料研究院,jE京100095) 摘要:飞机的气象雷达天线罩一般装载于飞机的机头部位,该部位的非金属材料件.天线罩对雷击比较敏感,容易遭受雷 击,雷击造成天线罩及罩内雷达天线损坏,对飞行安全造成了极大的隐患,因此雷达天线罩必须采取有效的雷电防护措施,保 护天线罩和罩内设备安全.本文介绍了某飞机气象雷达天线罩的雷电防护措施,雷电防护系统的设计原则和设计过程,各种 雷电分流条的选择及优缺点,雷电防护系统在天线罩上的安装技术等,并按照航空安全 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要求进行了雷电防护试验,试验结 果表明采取有效的雷电防护措施可以保护气象雷达天线罩和罩内天线设备. 关键词:雷达天线罩;雷电防护;分流条 中图分类号:V243.2文献标识码:A文章编号:1003—0999(2010)05—0066—05 l前言 雷电是大气环境中的一种自然现象,一般由起 始高电流脉冲,持续电流和高电流反复脉冲组成. 在地球大气中,平均每天约发生800万次雷电.雷 电电压可达亿伏以上量级,其中电流幅值高达 200kA以上的雷电约占雷电总数的2%左右,即全 球每天约有16万次雷电流幅值达200kA以上的雷 电发生,雷电等离子体通道可长达数千米以上,雷电 流的变化率可达105A/~s量级J.巨大的雷电能 量和巨大的雷电电磁脉冲使得飞行事故时有发生, 有些是灾难性的.美国军方七十年代1O年间的雷 击事故统计表明,10年间平均每年有一架飞机遭雷 击而坠毁,各种等级事故每年则不下百起.统计表 明,一架固定航线的飞机,平均每年要遭到一次雷 击.一架军用飞机,在其寿命周期内,平均要遭到两 次雷击.迄今为止,已有很多架飞机遭受雷击,并且 造成了机毁人亡的事故,这些雷击事故严重影响着 航空航天的安全J. 由于气象雷达天线罩装载于飞机的机头部位, 而且复合材料的导电率低于金属材料,本文研究的 雷达天线罩由高强s玻璃纤维/环氧复合材料蒙皮 及Nomex蜂窝,是一种具有很好透波性能的绝缘材 料结构J,遭受雷击时比其他结构更容易破坏,同 时,未受保护的透波复合材料结构对机载电子,电气 系统电磁屏蔽没有保护能力,因强烈的闪电流使雷 达罩内的天线发生损伤,并进人设备内导致系统出 现故障J,因此必须采取有效的措施,解决雷达天 线罩的雷电防护问题,保护天线罩和天线罩内的电 气设备. 本文叙述了某型雷达天线罩的雷电防护系统的 设计,雷电防护系统的安装,雷电防护试验过程和试 验结果. 2天线罩雷电防护系统设计 该型雷达天线罩位于飞机的机头,为玻璃钢 Nomex蜂窝夹芯结构的双曲形面,采用制造航空航 天高品质先进树脂基复合材料构件的热压罐成型工 艺技术制造L6J,周边结构为金属包边.电性能基本 要求为:平均功率传输系数i>85%,最小功率传输系 数t>75%. 2.1飞机和天线罩雷电分区 根据GJB3567{军用飞机雷电方法鉴定试验方 法》和HB6129{飞机雷电防护要求及试验方法》要 求,确定该型雷达天线罩雷电环境为1区. (b)发动机装在机身上的飞机 图l飞机雷电附着区域示意图 Fig.1Schematicsofthelightningstrikeareainthemrcraft 收稿日期:2009—1129 本文作者还有冯便便和段泽民. 作者简介:蔡良元(1971一),男,高级工程师,主要研究方向为功能复合材料. FRP/CM20lii0~N5 2010年第5期玻璃钢/复合材料67 2.2天线罩雷电防护设计原则 位于1区的天线罩雷电防护设计原则如下: (1)天线罩位于雷电1区,这样连接雷击进入 点与离开点之间的天线罩表面导电通道应具有多次 传输2004-20kA峰值电流和在1,2s内传输500C 电荷量的能力. (2)雷电防护系统应能可靠地运作,能有效保 护天线罩及罩内的电气设备,雷击落在防护系统上, 而不是落在天线罩上. (3)采用雷电防护系统必须兼顾电性能设计要 求,雷电防护系统对电磁波的阻挡和反射要小,不能 引起超越指标要求的天线罩电性能降低.雷电防护 结构与飞机的雷击导电通道应有良好的电连接,稳 定可靠. (4)选用的防护系统及其采用的工艺方法都不 应该破坏天线罩的结构性能. (5)雷电防护系统能牢固地固定在天线罩结构 上,防止由于飞行过程中雨水冲击及雷击电磁力的 冲击而脱落. (6)天线罩雷电防护系统必须考虑可维修性, 维护方便. (7)采用分流条防护系统时应考虑分流条尽量 布置在天线电场的弱能量区域.根据外形大小确定 分流条的间距,数量和危险着雷区,着雷点.在保证 有良好的雷电防护性能条件下,分流条应尽量少而 短.在布置时要考虑与罩内设备相对位置要合理, 在罩表面安装要合理. (8)考虑防护系统的经济性和成本. 根据以上设计原则,该型雷达天线罩采用了分 流条进行雷电防护,试验验证采取该种防护系统是 有效的. 2.3雷电分流条的布置 天线罩由非导电材料制成,对雷电附着就更加 敏感,兼顾电性能设计要求和外形,根据计算和经验 分析,按照天线罩顺气流方向放置分流条,便于闪电 扫击再次附着在分流条上,通过分流条与边框连接, 以便电流传人结构. 目前为止,还没有唯一正确的计算公式求出分 流条之间的距离,按资料中公式计算往往不准.一 般结构表面任意一点的雷击电压必须小于击穿雷达 罩蒙皮所需要的最大击穿电压.分流条最大间距和 最小间距如下: 最大间距(cm)?蒙皮击穿电压(kV)/表面雷 击电压(kV/cm) 最小间距(cm)?(感应电压(kV)一击穿电压 (kV))/表面雷击电压(kV/cm) 通常两分流条之间距离为300—600mm.材料 的击穿电压高,距离就大,反之则小.分流条的长度 在不影响天线罩电性能情况下,宁长勿短.该型雷 达天线罩外形为航向对称分布,因此对称布置4根 分流条,分流条之间最大距离不大于550ram,如图2 所示. 图2天线罩雷电分流条布置 Fig.2ThelayoutoflightningdiverterstripintheRadome 2.4天线罩雷电分流条材料的选择 目前在机头雷达天线罩使用的分流条一般有三 种,见表1. 表1机头雷达天线罩常用分流条及其比较 Table1Thecomparisonofordinarylightning diverterstripusedinthenoseRadome 分流条种类安装方法优点缺点 纯金属螺接,胶接,铆 分流条接或复合连接 纽扣分流条结构胶胶接 竺要压敏胶胶接物分流条…一, :,相对较重,价格昂对苎矍能 ,影响较小"………, 价格昂贵,维护费用要等量 ,的电性能影响最小…………… 考虑到该天线罩的电性能指标要求,天线罩外 形,以及经济性和维护性,纯金属分流条最适合本天 线罩的雷电防护,这样既能满足电性能指标要求,又 相对于纽扣分流条和金属氧化物分流条,每个天线 罩可以节省2,3万元的成本. 天线罩上的雷电分流条在遭到雷击时,就会有 幅值很高的冲击雷电流通过分流条导向机身,再通 向机身以外的空间.因此必须考虑雷电分流条的电 FRP/(1I2o10;No.5 68某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究 动力特性与热稳定特性.当雷电分流条不能满足电 动力或热稳定的要求时,分流条仍不能可靠地保护 天线罩.轻则分流条损坏,增加维护费用,影响正常 飞行,重则仍保护不了天线罩.如机头罩在空中遭 到多重雷击时,初始的雷击放电可能崩断或击飞雷 电分流条,在其后的再次雷击时,雷电可能直接作用 在天线罩上,进而可能撕裂机头罩,威胁飞行安全. 显然,简单地增加分流条的几何尺寸,可以满足电动 力特性与热稳定特性的要求,但随之而来的问题是 可能会增加重量.因此,雷电分流条有一最佳几何 结构与尺寸的问题,即尽可能减少重量,又要能可靠 地保护机头罩的安全.因此在设计时,当平衡了分 流条重量和天线罩安全的不同要求时,还必须通过 地面的模拟雷电流冲击试验来验证机头罩分流条能 否可靠地保护机头罩. 在机头罩上纯金属分流条的材质一般为2A12 铝和T2紫铜,铝金属条重量较轻,与天线罩贴合性 较好,其熔点较低,但其电导率仅为50%IACSll(与 国际标准铜电导率相比),铜金属条密度较大,熔点 高,电导率为101.5%IACS_8J,这样相对铝分流条来 说,具备同样的导电能力,铜条的截面积比铝条小得 多,但重量增加一倍以上. 雷电分流条的阻性温升可由下式求得: ?:0.238 . 9p[ . iZdf(1) 乙UAj 式中,I为电流,A;T为时间,S;C为比热, Cal/g?cc;D为密度,g/cm.;P为电阻率,n?cm;A 为截面积,em. 金属在温度升高时就会伸长,因此对于遭雷击 的部件特别是小截面部件必须考虑其高温下的 强度. 本研究中初期设计时考虑工艺简易性,设计为 铝分流条,2A12铝,宽度为9mm,厚度为1mm.试 验验证后期更改为紫铜,宽度为9mm,厚度为 2mm.采用了两种分流条的天线罩都进行了雷电流 试验,对装配9mm宽度雷电分流条的天线罩进行了 电性能测试. 2.5雷电分流条的连接 雷电分流条采用胶螺接形式,每根分流条与天 线罩用两个螺钉连接,与金属边框用两个螺钉连接, 在分流条与天线罩螺接部位预埋玻璃钢块加强,防 止强大电磁力拉坏天线罩.由于分流条在遭受雷击 的过程中温度会瞬间升高,为了减轻分流条本身的 FRWCM20i0No.5 强度压力及兼顾工艺操作的方便,采用低温固化高 温使用的胶粘剂胶接天线罩和分流条. 该胶粘剂选定为北京航空材料研究院制造的 SY-40胶粘剂,该胶粘剂具有较高的胶接强度和耐 介质性能,在室温环境下固化,使用温度为一55 , 200?. 3雷电分流条的安装 雷电分流条安装步骤如图3所示. 图3雷电分流条安装步骤图 Fig.3Theinstallationprocedureof lightningdiverterstripintheRadome 注意分流条根部与天线罩金属边框连接部位不 能涂胶,否则分流条与边框不能形成良好的电搭接. 安装好雷电分流条的天线罩进行导电性和电阻测 量,在室温下7d或在80~C温度下4h后可转人下一 道工序. 4试验 天线罩雷电防护试验包括两项试验,即雷电压 试验和雷电流试验.其中雷电压试验用以确定 雷电附着的部位和范围,验证任何方向的雷击都会 落在分流条上,而不是落在天线罩上.雷电流试验 考核雷电附着部位能否承受得住雷电流的冲击,验 证其是否符合雷电安全性. 该天线罩雷击区域属于1区,按照标准要求,雷 电压试验波形为A电压波和D电压波,A波正,负 极性电压幅值为1400kV左右,D波正极性电压幅值 为500kV左右,负极性电压幅值为1300kV左右. 放电问隙约1m,考虑到空间雷电方位的不确定性, 选择了多个必要的冲击方向,如图4所示,划分为I 区,?区,?区和?区四个区,对每个区域进行不同 方向的雷击.雷电流试验采用了A电流分量和B 电流分量构成的复合分量,A,B分量需以连续的方 式进入雷击点,雷电流分量放电间隙取?10mm,A 波电流峰值为200?20kA,B波电流峰值为2kA左 右.由于雷电分流条对称分布,对1号和2号分流 条进行3次雷电流试验,对3号和4号分流条进行 一 次雷电流试验.天线罩为实际装机状态,内装模 2010年第5期玻璃钢/复合材料69 拟天线和收发机等设备.天线罩分流条分别为1× 9mm截面2A12铝条及2×9mm截面紫铜条. 流条 图4天线罩雷击区域划分图 Fig.4Thelightningstrikeareadivision schematicsintheRadome 5试验结果和分析讨论 5.1电性能测试 雷电分流条宽度是影响天线罩电性能的主要因 素,装配9mm宽度雷电分流条的天线罩进行电性能 测试,其平均功率传输系数为89.2%,最小功率传 输系数为75.02%,满足了天线罩的电性能指标要 求,说明采用9mm宽度的雷电分流条不会引起超越 指标要求的天线罩电性能降低. 5.2雷电压试验 根据标准要求,对雷达天线罩的四个区域不同 方向进行了8O余次的雷电压试验,所有的雷击点都 落在分流条上.试验结果表明天线罩由四根雷电分 流条按照间距300,600mill布局合理可行,能够满 足雷电附着要求.典型试验现象如图5所示. 图5雷电压试验现象 Fig.5Thestatusoflightning—vohagetest 5.3雷电流试验 初步设计装配1×9mm截面雷电分流条雷电防 护系统的天线罩在第一次雷电流冲击后,发现雷电 分流条截面过小,A波电流造成雷电分流条严重发 热,失去了强度,在强大电磁力作用下雷电分流条变 成金属碎屑而飞散,天线罩表面有烧蚀的痕迹,但无 损检测发现天线罩没有破坏.试验后现象如图6所 示.表明初步设计的雷电分流条只能承受一次最严 酷的雷击,不满足雷电安全的要求.进行小试件电 流试验发现,满足1区雷电流要求铝分流条的导流 截面积为25mm以上,采用铜分流条的导流截面积 为13ram以上.考虑电性能因素,要求分流条的宽 度不改变,另外兼顾强度因素和安全裕度,这样铝条 厚度在3mm以上,铜条厚度最多为2mm,雷电分流 条太厚,不容易变形,在该型雷达天线罩双曲面上胶 螺接较为困难,故二次设计将雷电分流条变更为2 ×9mm的铜条,安装好分流条后重新进行雷电流试 验,试验后现象见图7,试验结果良好,表明装配2× 9ram铜分流条的雷电防护系统符合标准要求.雷 电流试验结果见表2. 表2不同雷电分流条天线罩雷电流试验结果 Table2Theresuhsoflightning—currenttestwith differentlightningdiverterstripusedintheRadome F】P/,CM誊20i0:No5 70某飞机气象雷达天线罩雷电防护技术的研究2010年9月 6 图6铝分流条雷电流试验后现象 Fig.6Thestatusoflightning—vohagetestwith aluminumlightningdiverterstrip 图7铜分流条雷电流试验后现象 Fig.7Thestatusoflightning-voltagetest withzonelightningdiverterstrip 结论 (1)采用2×9mm四根铜分流条,间距为300, 600mm布局,通过胶螺接工艺安装的雷电防护系统 能够满足该型雷达天线罩的雷电安全要求和电性能 要求; (2)综合考虑电性能指标,气动外形,重量和工 艺施工要求选择雷电分流条的宽度和厚度,采用截 面积为18mm的铜分流条能够满足雷电1区雷电安 全要求,节省了天线罩制造成本. 参考文献 [1]段泽民等.飞机雷电防护标准,试验和波形[J].高电压技术, 2000,(4):42-49. 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S'l'UDYUNTHELIGHTNINGPROTECTIONOFTHEAIRCRAFTWEATHERRADO ME CAILiang-yuan,WANGQing-hai,WENLei,CUIYi (BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China) Abstract:TheweatherradomeofanaircraftiSgenerallyinstalledinthenose.whereiSthemost commonsensi. tivetargetforlightningstrikes.Thestrikesmaydestroytheweatherradomeandradarantenna,SOlightningprotec— tionmeasuresmustbetakenforthesafetyofradomeandtheequipments.Thispaperdescribesthelightningprotec— tionmeasures,thedesignprinciplesandproceduresoflightningprotectionsystem,theselection,advantagesand disadvantagesofseveralkindsoflightningdiverterstrips,andtheassembletechnologyontheradome.Thelightning protectiontestaccordingtoaviationsafetystandardsisintroduced,thetestresultsindicatethateffectuallightning protectionsystemcanmaketheradomeandradarsafe. Keywords:radome;lightningprotection;lightningdiverterstrip ~RP/CM2oi0.No.5