舰船雷电效应特性及试验方法研究
2022-11-03 10:40阅读：
舰船所处位置的雷电环境不同于在云内飞行的飞机等飞行器，与飞机等物体相比，舰船雷电效应特性和分析方法有其不一样的特点。目前，国内大部分雷电效应相关研究主要针对飞机、导弹等飞行器，对舰船雷电危害效应的分析方法和规律研究较少，对于舰船这样复杂的大型平台，如何针对舰船雷电特点，提出有效分析方法，对准确分析舰船雷电效应和电磁环境规律，具有重要意义。近年来，舰船雷击事故频发，造成极大损失，严重影响了舰船的全天候执行任务和作业[1]。因此，必须针对舰船雷电效应特点，做好舰船平台雷电效应特性分析和防护，为提升舰船在雷电强电磁环境下的生存力提供技术支撑。
一、舰船雷电危害效应的特点
舰船所处的位置主要在海面上，遭遇的雷击以云地闪为主。与飞机和地面建筑物相比，舰船雷电效应及危害有不一样的特点：
（1）由于自然雷电过程中先导速度约为（1~100）×105
m/s，远大于舰船航行速度（最快航行速度约50
节，即25 m/s
左右），舰船与飞机相比，其运动速度慢，这种相对位移造成的雷电通道扫掠现象不明显。因此，舰船雷电效应机制与飞机及建筑物不相同，适用于飞行器的雷击分区及扫掠通道附着效应不适用于舰船。
（2）舰船线性尺度大，上层建筑复杂，雷达、通信等天线林立，同时密集装备了大量电子设备和信息系统。舰船上大量的窗口、通风孔、门、缝隙、外露电缆等，造成雷电电磁脉冲耦合途径
多样。因此，舰船的雷电效应更为复杂，加上舰船复合材料使用比例以及电
子化、信息化程度的提高，雷电效应对舰船系统危害更大。
（3）直接效应与间接效应同时存在。当雷电不直接作用于舰船结构时，仍能产生威胁级的效应，如邻近雷击。雷击天线时，可以对天线造成物理损伤，同时对天线附近的发射机/
接收机电路造成干扰或器件损伤。舰船特别是主桅杆上各类通信天线、雷达天线等突出物多，而且是海面上唯一的金属突出物，容易遭受雷电袭击，雷击频次高。
二、舰船平台雷电效应分析
对于舰船大型平台，雷电先导附着可能出现在舰船不同方位，为了完整评估舰船上哪些地方更容易被雷电击中，必须分析舰船不同区域、不同方位的情况，获得舰船平台雷电电磁环境特性。舰船的运动在雷电先导附着分析过程中影响较小，舰船雷击效应分析可将雷击过程中的舰船近似看做海面上的静止物，参考建筑物及输电线路落雷面积的估算方法，引入“吸引面积”的概念，开展雷电对舰船效应的分析
三、舰船雷电试验项目和方法
舰船雷电防护的有效性和符合性评估通常有分析
计算、仿真评估和实装雷电试验等方法，雷电试验被认
为是最有效和最基本的方法。
3.1试验内容及程序
由于舰船雷电试验技术难度大，过程复杂，关键问题是要确定哪些项目必须做，试验如何开展。雷电试验的开展是一个系统工程，试验前应开展试验分析和预评估工作，通过分析，确定试验的重点和关键内容，降低风险，提高试验的有效性。同时要根据不同系统、设备各自的特点，制定试验大纲和详细的试验计划。总体
一般情况下，先开展缩比模型附着点试验，通过试验确定舰船可能的雷电附着点，基于附着点进行雷电区域划分和验证。雷电直接效应试验包括高电压试验和大电流试验，高电压试验为初始先导附着试验，大电流试验为电弧引入试验或者电流传导试验。间接效应试验方法中，电流瞬态感应试验方法用来测量系统或设备内电缆或端口的雷电感应瞬态电平；脉冲电磁场效应试验用于验证雷电电磁场对系统或设备的影响；雷电感应瞬态敏感度试验用于验证线缆上的瞬态感应对设备的影响
3．2试验项目和波形选择
开展舰船雷电防护和试验时，需对舰船雷电区域进行准确划分和验证，以确定舰船各个位置的雷电电磁环境要求。根据水面舰船结构、不同的雷电威胁和电磁环境，提出了具有舰船特点的“舰船雷电分区”，主要划分为3
个区域，直击雷非防护区（LPZ0A）：受直接雷击电磁场威胁的区域，该区域内各类系统都可能受到直接雷击，属完全暴露的不设防区域；直击雷防护区（LPZ0B）：区域内各类系统受到直接雷击的概率较小，属于充分暴露的直击雷防护区域；舱室雷电防护区（LPZ1）：由于舱室等屏蔽体的屏蔽作用，区域内各类系统不会受到直接雷击，属于不暴露的雷电防护区域。确定舰船的雷电区域划分后，可根据所处区域内的雷电环境，进行舰船系统、结构及设备有针对性的防护和试验，并根据不同区域雷电试验的要求选择雷电试验波形进行试验。
3.3舰船总体缩比模型附着点试验
舰船总体缩比模型附着点试验用于确定舰船上雷击可能的附着点，以进行舰船雷电区域划分和验证。舰船缩比模型试验，首先须确定缩比系数以确定缩比模型外部尺寸[7]。根据已经开展的舰船雷电试验工作经验，由于舰船尺寸较大，若按一个比例，很难实施。根据工程实践，长度小于100
m 的舰船推荐使用20
倍缩放系数，长度大于100 m
的舰船推荐使用30
倍缩比系数，长度大于200 m
的舰船推荐使用50
倍缩比系数，同时要求缩比系数的选择应保证舰船在航向平面的尺寸不小于2
m。
4.4 舰船系统及设备雷电试验
舰船雷电分区确定后，需对不同雷电区域的舰船系统、结构体和设备进行试验考核，一般包括初始先导附着试验、电弧引入试验和电流传导试验。初始先导附着试验用于直击雷非防护区内的装舰系统、设备，或典型样件，确定全尺寸设备、部件或设备、部件模型的雷电附着位置，击穿路径及保护装置的性能。初始先导附着试验，将试验件放置于接地平板之上，外部平板电极悬挂于试验件之上并处于高电位，采用试验波形为电压波形D。电弧引入试验是模拟雷电通道附着于被试件时产生的冲击、烧蚀、燃爆等效应，考核LPZ0A
区的设备或结构承受雷电直接效应的能力，如电弧破坏、热斑点、熔穿以及对接头和部件的损伤。试验配置见图12。舰船系统、设备、结构等进行雷电试验后，采用损伤查看、检测等方法来判断其是否符合舰船雷电防护要求。如不满足，则需进行防护改进，重新试验验证。舰船上装备了大量的电子电气设备和系统，同时玻璃钢等材料在舰船上的应用越来越广泛，但其存在电屏蔽效能低等问题。舰船内部的设备和系统通常不会遭遇直接雷击，但是雷电电磁脉冲辐射和耦合，会对舰船内部系统、设备造成间接效应影响。为验证舰船电子电气设备对雷电间接效应的承受能力，必须对电子电气设备、系统进行脉冲电磁场效应试验和雷电感应瞬态敏感度试验。脉冲电磁场效应试验是用来检验舰载电子、电气系统、设备承受临近雷击脉冲电磁场的能力，包括脉冲电场和脉冲磁场试验。雷电感应瞬态敏感度试验包括插针注入试验及电缆束试验，插针注入试验是将瞬态电平直接注入到受试设备接口电路，以评估设备接口电路的耐压能力与破坏限值，试验时，受试设备要按装舰要求，安装在有接地板的试验台上，并保持良好接地。电缆束试验是指将瞬态电平通过耦合装置加载到电缆束或通过直接对地注入的方式，以评估受试设备及其电缆所承受的干扰及其损伤情况
