基于FEKO的直升机雷电间接效应仿真分析

1 引言

    闪电是一种高电压和大电流的自然放电现象，在放电过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的大电流脉冲。一般而言，闪电持续最短的时间可能只有几百万分之一秒，但电流却可高达几万安培。这种高脉冲电流会向空间辐射很强的瞬态电磁场，对直升机的飞行构成严重的威胁。同时，现代直升机为了提高综合性能，越来越多的使用先进的复合材料，高灵敏的电子设备和系统，因而在直升机遭到雷击时，造成损失的几率也就越来越大。为了保证直升机的飞行安全，必须对直升机的雷电防护设计和试验进行研究。

    为了解决飞行器的飞行安全，欧美等国率先进行了雷电防护试验，并制定了一系列的雷电试验标准。雷电防护试验虽然可以完成飞行器雷电防护设计的要求，但由于试验成本高昂，试验条件苛刻，人员组织困难，电子设备易损等因素增加了飞行器雷电防护试验的难度和降低了试验执行的效率。因此，采用数值仿真方法对飞行器的雷电效应进行仿真分析是近几年研究的重点。文献对雷电电磁场的场线耦合问题上进行了理论计算、数值分析和试验测试验证。文献对飞行器系统雷电效应的试验仪器、试验方法和测试波形进行回顾，并对飞行器的雷电效应进行了实验和仿真分析。文献使用VAM-LIFE对C-27J运输机的雷电间接效应进行了仿真分析。文献使用TLM方法对空客A320的间接效应进行了仿真分析。由于国内雷电效应的研究起步比较晚，在飞机雷电防护方面缺乏仿真和试验数据，在飞机设计前期，完成对飞机雷电效应的数值仿真分析的对飞机的雷电防护设计具有重要的意义。

    本文通过使用三维电磁仿真软件FEKO对直升机雷电间接效应进行了仿真分析。根据美国工程师协会的SAE-ARP5416和ASE-ARP5412等标准相关试验方法的规定，本文在设定的雷电注入路径下，对直升机表面电流分布、舱外电磁环境及舱内线缆进行了仿真分析。通过分析找出影响直升机表面电流分布、电场分布和磁场分布的重要因素，为直升机的防护设计提供支撑。

2 仿真环境设置

2.1电磁场软件的选择

    全波算法是求解电磁场问题的精确方法，对于给定的计算机硬件资源，此类方法所能仿真的电尺寸有其上限。电磁仿真软件有一个共性，就是它们都与要仿真物体的电尺寸相关，电尺寸定义为被仿真物体的几何尺寸除以所涉及最高频率对应的波长，单位是波长数。雷电的最高频率达到50MHz，即使对于几十米长的现代大型航空客机，也属于中小电尺寸的仿真对象。因此常用的数字仿真全波算法如MoM（矩量法）、FDTD（时域有限积分法）、FEM（有限元法）都是比较有效的工具，可以用来评定大型航空飞机的表面雷电电流分布。

    FEKO是针对天线设计、天线布局与电磁兼容性分析而开发的专业电磁场分析软件，它的核心算法是MoM，原理上MoM可以解决任意复杂结构的电磁问题。航空器表面雷电电流分布的求解问题，属于低频、电磁兼容问题的建模和仿真，采用FEKO的MoM进行分析是非常合适的。

    时域有限差分（FDTD）求解器的加入，标志着FEKO在算法的完整性和解决各类问题的有效性方面进入一个新的里程碑。新增的FDTD求解器易于激活和使用，并可与其它求解器便捷切换。尽管该算法设定在时域，但通过傅立叶变化可以计算宽带频域数据。它采用一阶数值微分可达到二阶的精度。这种算法非常适合非均匀材料建模，也更加适用于多种并行技术。当硬件系统有可用的GPU资源时，FDTD求解器支持GPU计算以提升性能，获得显著加速效果。新的时域求解器的加入，为关注宽带天线和非均匀结构仿真的FEKO用户提供了更加有效的解决方案。

2.2模型建立

    本文以某直升机为例进行雷电间接效应仿真分析，该直升机模型如图1所示，其尺寸为22m×18.6m×7.8m,为了使模型更精确使用FEKO的挡风玻璃扩展功能能将驾驶窗前面设置为三块玻璃，厚度为3mm,如图1(a)。为了分析雷电对直升机表面天线影响，设置了如图1(a)的3个单极子天线；为了分析雷电对机载设备的影响，在机舱内设置了一根线缆，线缆两端分别端接50Ω负载，线缆的类型为RG58的同轴线，线缆分布如图1(b)所示。

图1 阿帕奇直升机模型

2.3激励源设置

    根据SAE-ARP5416-2005试验试验方法的规定，全机闪电间接效应试验需进行大电流脉冲注入试验和扫频试验，本文主要针对大电流脉冲试验进行仿真分析。FEKO中设置外加电流为飞机雷电击中点，用与注入电流反相表示电流流出点。ASE-ARP5412中对雷电试验波形进行了规定，间接试验需采用试验波形A，D和H进行脉冲注入试验，由于直升机属于低空飞行器，因此选择波形A进行电流脉冲试验的仿真分析。该波形是一个双指数形式，其数学表达式为：

公式1 波形表达式