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干貨分享 | 雷達(dá)罩及天線罩的一個(gè)雷電直接效應(yīng)防護(hù)及試驗(yàn)技術(shù)

作者：　　日期：2025-01-10　　瀏覽次數(shù)：1384次　　來(lái)源：

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概要
在現(xiàn)代航空領(lǐng)域中，雷達(dá)罩及天線罩作為飛行器的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到飛行器的探測(cè)能力和通信效果。然而，雷電作為一種自然現(xiàn)象，對(duì)飛行器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，特別是雷電直接效應(yīng)對(duì)雷達(dá)罩及天線罩的物理破壞，更是不可忽視的問題。本文旨在探討雷達(dá)罩及天線罩的雷電直接效應(yīng)防護(hù)技術(shù)，以及為飛行器的安全運(yùn)行提供有力保障。

01 雷電直接效應(yīng)
雷電直接效應(yīng)是指雷電直接落到雷達(dá)罩或天線罩上所產(chǎn)生的物理破壞效應(yīng)。這種效應(yīng)主要包括雷電波沖擊、電擊穿、熱、電磁力等。

02 飛行器雷擊區(qū)域
根據(jù)雷電在飛行器上的附著概率不同，將飛行器的雷擊區(qū)域分為3個(gè)大類、6個(gè)小類。其中，1A區(qū)、1B區(qū)和1C區(qū) 屬于首次回?fù)魠^(qū)域，2A區(qū)和2B區(qū) 屬于閃電通道掃掠區(qū)域，而3區(qū)則是閃電流傳導(dǎo)區(qū)域。

在防護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮將雷達(dá)罩及天線罩放置在雷擊概率較小的區(qū)域，如3區(qū)。

03 雷達(dá)罩、天線罩的雷電防護(hù)技術(shù)
對(duì)于雷電直接效應(yīng)的防護(hù)，主要依賴于罩體的材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及防護(hù)裝置。一方面，選擇具有高介電常數(shù)的材料可以提高天線罩的擊穿電壓，從而增強(qiáng)其對(duì)雷電沖擊的承受能力。另一方面，通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線罩的厚度和形狀，可以優(yōu)化電場(chǎng)分布，減少雷電對(duì)天線罩的破壞。同時(shí)，可以利用分流條等裝置將雷電流引導(dǎo)至安全區(qū)域，從而保護(hù)雷達(dá)罩及天線罩免受損壞。

1、罩體特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)：
a. 罩體材料與電場(chǎng)分布的關(guān)系：對(duì)于傳統(tǒng)介質(zhì)：隨罩體 εr 增加，天線罩相對(duì)介電常數(shù)在 0~50 以內(nèi)變化時(shí)防雷效果較明顯。
b. 罩體厚度與電場(chǎng)分布的關(guān)系：隨罩體厚度增加，內(nèi)部天線附近電場(chǎng)逐漸降低，且趨勢(shì)越來(lái)越緩。

2、間隙型導(dǎo)流條防護(hù)：

片段式導(dǎo)流條或者間隙型導(dǎo)流條分流條是一種用于雷電防護(hù)的裝置，其透波性較好，對(duì)天線影響較小。其工作原理如下：
結(jié)構(gòu)組成：片段式導(dǎo)流條由一系列薄的導(dǎo)電金屬片組成，這些金屬片之間用阻性材料連接，并固定在復(fù)合基帶上。
正常狀態(tài)：在正常情況下，由于金屬片段之間存在間隙，導(dǎo)電通道處于斷開狀態(tài)，整個(gè)導(dǎo)流條屬于絕緣體。
雷擊時(shí)：當(dāng)遭遇雷擊時(shí)，相鄰金屬片段兩端開始聚集大量電荷，并產(chǎn)生羽毛狀的電弧。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，金屬片段便會(huì)擊穿上方空氣，形成電離通道。
雷電流傳導(dǎo)：雷電流通過(guò)這個(gè)電離通道傳導(dǎo)到引下線，而不經(jīng)過(guò)導(dǎo)流條本身。這樣既不會(huì)對(duì)導(dǎo)流條自身造成破壞，也避免了大電流對(duì)葉片表面的損傷。

a.導(dǎo)流條間隙與電場(chǎng)分布的關(guān)系
導(dǎo)流條的間隙對(duì)電場(chǎng)分布具有重要影響，目前來(lái)說(shuō)導(dǎo)流條片段的間隙，大體上都是在0.2mm，相比與0.6mm、1.0mm等間隙距離，0.2mm電場(chǎng)強(qiáng)度是比較高，更容易接閃雷電。

b.導(dǎo)流條形狀與電場(chǎng)分布的關(guān)系
導(dǎo)流條的形狀對(duì)電場(chǎng)分布具有重要影響。不同形狀的導(dǎo)流條在雷擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電場(chǎng)分布特性。例如，橢圓形和圓形導(dǎo)流條在雷擊初期的電場(chǎng)強(qiáng)度較高；菱形導(dǎo)流條在尖端點(diǎn)擊穿的瞬間會(huì)燒蝕，導(dǎo)致尖端越來(lái)越圓滑；而正方形導(dǎo)流條在導(dǎo)通后連續(xù)性更好，雷電可以一直連續(xù)下去。因此，在選擇導(dǎo)流條形狀時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和防護(hù)要求進(jìn)行綜合考慮。

c.導(dǎo)流條尺寸與基帶介電常數(shù)的影響
導(dǎo)流條的尺寸也是影響其防護(hù)效果的重要因素之一。如果導(dǎo)流條的尺寸超過(guò)了波長(zhǎng)的1/8，就會(huì)影響其透波性能。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)流條的尺寸在1mm~2.5mm之間比較合適。此外，基帶介電常數(shù)也會(huì)對(duì)電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響?；鶐Ы殡姵?shù)越低，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。因此，在選擇基帶材料時(shí)，需要考慮其介電常數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布的影響。

d.導(dǎo)流條的分布設(shè)計(jì)

e.導(dǎo)流條的長(zhǎng)度計(jì)算

需根據(jù)電壓擊穿效應(yīng)計(jì)算，一般是高于天線的30%~50%左右是最合適的，如下圖所示的模型中350mm長(zhǎng)的導(dǎo)流條已經(jīng)能防護(hù)雷電了，450mm長(zhǎng)的導(dǎo)流條效果已經(jīng)很好了。

f.分流條的數(shù)量計(jì)算

04 試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真分析

在雷電防護(hù)技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析是不可或缺的手段。通過(guò)搭建試驗(yàn)設(shè)備，可以模擬雷電直接效應(yīng)對(duì)雷達(dá)罩及天線罩的破壞過(guò)程，并觀察防護(hù)裝置的實(shí)際效果。同時(shí)，利用仿真軟件對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行模擬和分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。
1、初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)：需要考慮各個(gè)方向的來(lái)雷，因此試驗(yàn)時(shí)要選擇多個(gè)方向多個(gè)角度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)需要放置實(shí)際的天線或者參數(shù)一致的模擬件，以保證試驗(yàn)的合理性和準(zhǔn)確性；
2、掃掠通道試驗(yàn)：需要注意當(dāng)試驗(yàn)件大于0.25m，需要分段掃掠；
3、大電流物理破壞試驗(yàn)：當(dāng)確認(rèn)了罩體的雷擊附著點(diǎn)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行大電流測(cè)試，以驗(yàn)證防護(hù)裝置的同流能力，同時(shí)監(jiān)測(cè)感應(yīng)，看天線端口上的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電流是否在我們的設(shè)計(jì)閾值內(nèi)。

總結(jié)

在具體實(shí)踐中，我們可以從以下幾個(gè)方面入手：
一、加強(qiáng)材料研發(fā)，尋找具有更高介電常數(shù)和更好透波性能的新材料；
二、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)改變天線罩的形狀和厚度等參數(shù)來(lái)優(yōu)化電場(chǎng)分布；
三、深入研究分流條等裝置的防護(hù)機(jī)理和性能特點(diǎn)，探索更加高效和可靠的防護(hù)方案；
四、加強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證和仿真分析工作，不斷提高防護(hù)技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。

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