基于FEKO的直升机雷电间接效应仿真分析

    从图中可以看出，在雷电注入点处的电流密度最大，如耦合到机头部天线的电流最大（蓝色）；直升机机身中部天线耦合最小（红色）；机身尾部天线耦合因靠近尾部雷电流出点，电流进行汇聚导致比中部耦合电流大。从上面的分析和电流分布图可以看出，除了在雷击的附着点和分离点处的电流比较大以外，在发动机整流罩，尾梁、窗户等位置的边沿的电流比较集中。因此，在进行直升机设计时，应该避免不连续棱边和不规则表面结构的设计，这些地方是进行雷电防护的重要位置。

3.2舱外电磁环境

    雷电是一种高能量的脉冲信号，它在空间中分布的电磁场对直升机电子系统造成了严重的威胁。在雷电击中飞机时，6.4μs（最大）和69μs（衰减至一半）时直升机表面附近的电场强度分布图如图6所示。

图6 直升机舱外电场分布图

    根据仿真结果可知，在此路径下直升机注入电流最大时表面附近的瞬时电场强度达到了上百MV/m。从图中可以看出，直升机附近的电场强度主要集中在机头、旋翼、尾翼等结构比较突出的地方。在雷击条件下，直升机附近的电场可以看成是机体表面电流产生的近场电磁环境，而近场电场的分布与直升机表面电荷的分布有着紧密的关系，而机身表面比较突出的结构，如机翼、尾翼、机头等尖端处容易集聚大量的电荷，从而造成尖端附近的电场环境比较恶劣。

    图7显示了6.4μs和69μs时机身表面电流和直升机外部磁场的分布图。从图中可以看出，机身表面电流密度越大，其附近的磁场强度也就越大，磁场强度的分布与电流密度的分布保持一致，这是因为电流是磁场产生的源。

图7 直升机空间磁场分布图

    磁场强度最大值达到了170KA/m，其中机头，发动机整流罩等关键部位附近的磁场环境比较严峻。机头、机尾是雷电的注入和输出点，因此这两处附近的磁场强度明显比较大。

    由机舱外部电磁环境的分析可知，直升机表面电场分布与机身不连续的表面结构有关；而磁场强度分布与表面电流的分布有关，而表面电流密度的分布不仅与雷电路径相关，同时和机身表面的结构有关系。因此直升机结构的对舱外电磁环境有着重要的影响，良好的直升机结构设计能最大限度的使雷电流均匀分布在直升机表面，从而使得舱外电磁环境更加良态。

3.3舱内线缆

    直升机由于装配、焊接等操作产生了的孔缝和窗、门等部件严重降低了直升机的屏蔽效能。预先设定的直升机内部线缆在100us以内耦合电流分布如图8所示。

图8 线缆耦合电流

    由于模型的简化，只是将直升机驾驶舱设置为玻璃而机身采取精密的全封闭机身进行仿真，线缆耦合的电流比实际略小。这是因为实际情况中驾驶舱和机身的孔缝是不能避免的，对舱内线缆影响更加剧烈。

    因此，对于雷电间接效应的防护，应该尽量避免机身孔缝等结构出现，并对关键部位采取加入屏蔽隔板的措施增强电磁屏蔽效能。

4 结论

    本文根据SAE-ARP5416和ASE-ARP5412相关标准，使用FEKO的强大的时域分析功能对直升机机身表面电流分布、舱外电磁环境、舱内电磁环境和线缆感应电流进行了仿真分析。得到直升机表面电场分布与机身不连续的表面结构有关；而磁场强度分布与表面电流的分布有关。根据仿真结果给出了影响机身表面电流分布和电磁环境的一些主要的因素，仿真结果表明该方法能有效的模拟直升机在飞行过程中的雷电间接效应，为直升机的优化设计和雷电防护提供了依据。