（32145部队，河南 453000）
摘要：耦合仿真技术是目前主要应用于直升机瞬态雷电感应磁场研究中的模拟和评价技术，通过模型仿真方式，能够建立起直升机维护设计方案。本文所进行的直升机电子设备舱的磁场特性研究，同样也以耦合仿真技术为出发点，通过建立直升机的仿真模型方式，对直升机在运行过程中出现的受电情况进行模拟，并分析动态环境中的直升机磁场变化，从而了解雷电感应下直升机特点。
关键词：直升机；瞬态雷电感应；磁场特性；耦合仿真
前言：
直升机在雷电天气环境运行过程中，容易遭受雷电打击，发生雷击后的直升机内部会形成雷电电磁场传导效应，并直接击穿飞机内部，作用于直升机电缆线设备，继而产生浪涌电压和电流现象。这些电压、电流幅值极高，进而造成直升机机载工具的损坏，严重情况下会酿成坠机惨案。因此雷击现象也成为目前直升机风险因素当中的重点。通过模拟方式分析磁场特性，能够建立起直升机维护方案。
一、直升机瞬态雷电感应的耦合仿真方法
（一）直升机瞬态雷电感应的耦合仿真模型建设
直升机在运行过程中，最易遭受雷电袭击的部分为直升机内部的电子设备舱，因此本文将电子设备舱作为主要的雷电感应研究对象，通过对其进行仿真，实现对瞬态磁场变化情况的判断，从而了解雷电感应状态下直升机的磁场情况。由于直升机电子设备舱呈现出盒体状态，因此在进行仿真模型建设当中，应当以长宽高三个方面的数值进行设定。一般情况下，直升机内部的电子设备舱为铝合金材料制成，盒体则通过少量的钢材进行紧固，下部为电子设备存放的主体空间，而上方则分布为燃油管路通道[1]。通过这样的模型设计进行了仿真构建，使其整体形态能够在3D软件当中展示出来。由于直升机电子设备舱自身所处的电磁特点，在对其加以分析和仿真时要求采用时域仿真方法，以此来模拟雷电环境当中所产生的电磁耦合，因此在模型仿真建设方面，选用依据时域仿真算法所建立的EMA3D软件进行模拟。该软件除了能够完美应用到时域仿真当中，还可以提高模型精准度，广受好评。模型构建主要以坐标轴进行点位的标注，其中模型的后端面及其所在的底板所形成的平面交线设定为X轴，而垂直于地面的平面部分，则设定为Y轴；底板平面则为模型当中的Z轴。
（二）雷电流波形模拟
直升机正常运行状态之中，受到雷电干扰，雷电会以流的形式进入到电子设备舱的通道当中，对直升机造成影响。这种雷电流所形成的冲击是雷电主要的形式。在模型模拟当中，雷电流主要以国家标准飞机防雷SAE ARP5412B所要求的波形进行设定，不过国家标准中设定的波形是一种理想状态，其中根据分量的区别，雷电流会呈现出两种状态，其中一种表述为首次雷击下的波形，另一种则是直升机所处云层当中的波形。两种分量雷电波都可以利用双指数波形函数进行描述，实现电磁耦合分析。在进行不同分量雷电流的模拟时，模拟所呈现出的整体波形趋势应当为前沿陡峭而后沿缓和的状态。其中前沿部分的状态会导致雷电流自设的频谱分布呈现出宽泛状态，其所表现出的能量最高可以到到10M赫兹左右，因此会在直升机电缆上出现震荡电压波，且表现为高幅值状态。在进行耦合研究当中，需要充分考量这部分内容。
（三）蒙皮建模
真实情况下的直升机电子设备舱会采用一定的蒙皮结构，这种结构的厚度不足1mm，因此传统建模软件FDTD所进行的网格划分方案无法对其进行精准描述，同时效率性也无法得到保障。而在EMA3D技术当中，3D技术能够利用面模型完成建模，相较于FDTD更具效率和精度。通过运用EMA3D建模方式，能够将实际环境当中雷电流沿着蒙皮表面所产生的扩散效应精确的表现出来，并通过面模型获取蒙皮内壁可能出现的扩散电场，同时借助函数完成表达。
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二、雷电感应磁场特性的仿真结果分析
（一）瞬态雷电感应下的磁场分布
在仿真模型当中，仿真状态下的电子设备舱结构的电导率可以实现精确的计算，EMA3D建模所完成的蒙皮厚度设置模拟厚度完成参考数值，可以表明，铝合金材料本身的电导率情况下，蒙皮即便厚度达到最大标准，实际上雷电感应磁场也会出现大规模的扩散。经过对仿真结果的分析可以看到，电子设备舱当中的蒙皮材料本身具有一定的涂层，而涂层的存在会使其整体电阻加大，但同时，直升机所采用的蒙皮多数为复合碳纤维材料，这种材料到导电量级较低，甚至比一般金属还低，因此雷电感应下的磁场分布在模型模拟当中出现了较大规模的异常状态。在本文所进行的模型仿真当中，可以明显看出，雷电流分量A在早期集中在设备舱内部的内壁位置，并靠近内壁的底板空间，发生缓慢移动。而随着时间的不断退役，雷电流影响下的感应磁场逐渐出现了大面积的扩散，并扩散到真个设备舱空间，直到雷电流全部弱化消失，其所形成的感应磁场也开始消失。
（二）设备舱材料电导率分析
通过仿真模拟能够发现，设备舱所采用的结构材料不同，导致雷电流在实际的瞬态扩散当中也呈现出不同的影响趋势，所造成的感应磁场也会发生扩散过程中的变化。经过研究分析可以得到，不同结构材料所产生的电导率不同，因此在设备舱当中的仿真影响也不同[2]。研究指出，直升机电子设备舱所采用的碳纤维材料、蒙皮材料、金属材料等，彼此拼接，会造成结构电阻的大幅度增加，从而影响到电流的分布形态，这种分布形态的改变被称为电流的“重新分布效应”。通过对仿真模型当中内壁磁场变化的观察，可以准确获取内壁观察点的感应磁场波形状态，波形显示，感应磁场会出现瞬时增加，达到顶峰在平缓回落的整体趋势，与以往研究结论相一致。这表明在设备舱结构当中，不同材料所产生的不同电导率会导致电阻发生一系列变化，并且改变感应磁场所能够拥有的分布状态。
（三）缝隙耦合效应
缝隙耦合效应时直升机雷电感应当中的电磁耦合机制。电子设备舱在直升机当中是一项特殊的设备，该设备一般被装设在直升机边缘舷窗的位置之上，同时由于多块蒙皮的相互拼合，因此在实际的整体性方面存在不可避免的窗口缝隙以及蒙皮缝隙。受到雷电流后，电子设备舱所存在的缝隙便成为引流通道，从而造成电磁耦合能够进入到设备舱内部。在仿真模型当中，为了能够对缝隙耦合效应进行判别，需要首先设置蒙皮电导率，再进行单独的缝隙研究。本文所进行的研究主要以耦合磁场再缝隙位置的分布状态作为研究，经过计算和测试结果比对可以看到，缝隙耦合磁场所能够活跃的空间相对较小，并在传播过程中逐渐衰退，到达舱内后已经成为大幅度减弱状态。同时整体减弱过程持续时间较短，关键观察位置中的磁场波形变化极快，与电流波形保持一致。
结论：
综上所述，通过仿真模型的建立能够分析得到直升机电子设备舱本身的电导率分布特性，并获取到瞬态雷电感应下由于结构材料的不同所产生的不同的磁场波形，这种磁场波形的特征对于提高直升机安全性而言具有一定的指导意义，可以帮助直升机电子设备舱的设计提高稳定水平。
参考文献
[1]李栋,冯婷.引进俄制直升机航空电子系统国产化思考与建议[J].航空电子技术,2017,48(01):6-9.
[2]高媛媛.泰雷兹与中航工业无线电电子研究所成为直升机航电系统合作伙伴[J].民航管理,2014(12):67
作者简介：上官超（1993.03-），男，山西省晋城市人，职称:航电助理工程师，学历:大学本科，研究方向:航空电子。
第二作者姓名（陈海波）单位（32145部队）。
第三作者姓名（武旭鹏）单位（32145部队）。
论文作者:上官超 陈海波 武旭鹏
论文发表刊物:《知识-力量》2019年2月下
论文发表时间:2018/12/19
标签：直升机论文; 雷电论文; 磁场论文; 蒙皮论文; 感应论文; 电子设备论文; 波形论文; 《知识-力量》2019年2月下论文;