王朋辉　彭平

【摘 要】系留气球作为一种长时间、定点留空的浮空平台，容易受到雷击等各种自然灾害。气球的囊体为绝缘材料，不能为气球内部电子设备提供良好的电磁屏蔽，在遭受雷击时产生的强烈电磁脉冲会经过设备舱上的孔洞缝隙耦合而在舱内线缆上感应出电压和电流，严重时造成设备故障甚至损坏，随着球载电子电气设备的广泛使用，雷击间接效应造成的危害严重影响系留气球的运行安全。本文基于CST软件仿真球载设备舱内由于雷电间接效应造成线缆上的电磁干扰，为系留气球的间接效应防护提供参考依据。

【关键词】系留气球 间接效应 雷击 电磁耦合

雷电是指带电的云层和带异种电荷的其它云层或大地之间发生的一种强烈的放电现象。雷电在极短的时间高压放电，产生强大的电流。放电的同时产生强烈的电磁辐射和闪光，并伴随有巨大的声音。在地球上，平均每天约发生800万次雷电，雷电电压可达亿伏以上量级，其中每天约有16万次雷电流幅值达200kA以上的雷电发生，雷电等离子体通道可长达数千米以上，雷电流的变化率可达105A/us量级[1]。

系留气球工作高度介于几百米到几千米之间，而一般云底高度为1～3km，最低可达150m，最高可达几十千米，它主要负电荷中心的平均高度约为3km。因此系留气球工作高度位于云层中可能性较大，又由于系留气球体积较大、工作高度较高，容易受到雷电影响。

1 雷电间接效应防护

当系留气球遭受雷击时，通过球上电缆或设备舱内设备电缆耦合产生干扰信号，导致电子设备功能紊乱或损坏。雷电间接效应整机试验用于测试与评估这种干扰程度。但是雷电间接效应试验往往耗资巨大，而且还将耗费大量的人力和物力，并且不能很好的作预测性研究。未来的趋势是利用仿真的方法来部分代替实物测试，在设计阶段采用电磁仿真软件进行雷电效应仿真，及时发现问题、采取改善措施具有很大的应用价值。

2 系留气球雷电防护试验标准

目前，国际上及国内关于飞机的雷电防护试验均已有完善的标准体系，如GJB-3567《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》、SAE-ARP-5416《飞机雷电试验方法》、SAE-ARP-5412《飞机雷电试验波形》、RTCA/DO-160F《机载设备的环境条件和测试规程》等标准[2]。系留气球由升空的气球、球载设备、系留缆绳、地面设备以及接地系统等构成。根据国际上的通行分类，系留气球及球载设备系统，属于飞行器范围。可依据飞机雷电防护试验标准方法体系开展系留气球雷电试验方法研究。

3 雷击环境试验波形

为在实验室中模拟出理想的雷击环境，美国SAE学会的ARP 5412给出了模拟自然闪电特性的电压波形和电流波形分量。在各种波形中，不同的雷电影响（直接或间接影响）试验采用的波形参数不同。例如，在直接影响中电流峰值振幅、作用积分和持续时间是主要考虑的因素，而在间接影响中则考虑电流上升和下降的速率。

4 仿真环境建立

球载设备舱结构为金属框架覆盖金属蒙皮，设备舱外形尺寸为700mm×700mm×1000mm，在设备舱内部建立一条线束通道，起点和终点坐标分别为N1（50，50，100）和N2（50，50，800），设备舱前面板设置缝隙尺寸为：宽0.5mm，深0.5mm，其CST模型见图1，线束通道内设置单芯线、双绞线、同轴电缆三种导线，终端接50Ω电阻，在CST Cable中生成的模型见图2。雷电注入波形见图3。峰值为200kA，最大峰值时间T1=6.4μs，半峰值时间T2=69μs。

5 仿真结果及分析

5.1 金属设备舱屏蔽效果

雷电击中设备舱会在设备舱表面形成强大的振荡电流，见图4，同时也会通过设备舱缝隙在舱内产生相应的感应电场。由于设备舱表面采用金属蒙皮，能起到很好的屏蔽效果，见图5。

5.2 单线、双绞线与同轴线的感应电压

遭受雷击后，会在设备舱内部产生感应电场，舱内的各个线路也会产生感应电压，见图6、图7。单芯线与同轴线对于这些感应场会有不同的表现，由于单芯线外面没有屏蔽层，对导线外的电场感应非常敏感，会产生较大的感应电压。对于同轴线，外层的屏蔽网能很好的屏蔽掉外部电场，同轴线内部导体受外部电场影响较小。

6 结语

数值仿真技术对雷击间接效应的防护设计有很大的工程价值，通过仿真能大大降低雷电间接效应防护设计的人力、物力成本。应用仿真软件的关键在于如何建立合理的模型及设置正确的仿真参数，使得仿真环境更能反映实际情况。

参考文献：

[1]黄军玲.飞机线路雷电感应仿真分析[J].科技视界，2014.（32）.

[2]黄军玲，周利军.飞机雷电间接效应仿真与研究[J].科学技术与工程，2015.（3）.

作者简介：王朋辉（1982—），男，河南洛阳人，硕士，工程师，研究方向：电磁兼容仿真。

彭平（1980—），男，贵州六盘水人，硕士，工程师，研究方向：飞行器电气设计。