飞机天线罩防雷三结点处电场强度的数值模拟分析

飞机天线罩防雷三结点处电场强度的数值模拟分析

任松鹤，李少华，尉月荣

（西安爱邦电磁技术有限责任公司， 西安，710077）

摘要：飞机天线罩及其防雷分流器形状和导流条会引起空气电离和流光的产生，从而导致闪电附着。在本文中，通过数值模拟分析方法特别研究了由金属导流条、雷达罩材料和周围空气形成的三结点处的场强变化对天线罩的影响。

关键词：飞机天线罩；防雷保护，数值模拟，三结点。

1.概述

在闪电条件下，飞机天线罩经常受到电晕效应和电弧的作用。当飞行过程中在带电的积雨云附近产生极高的电场时，会引起飞机天线罩的物理损伤。天线罩电介质材料和天线系统通常使用金属或分段式导流条来作为雷电防护手段。这种方法已被广泛使用和测试，可以同时确保天线罩防雷措施的有效性和电磁通信信号的透波率要求。

2.数值模拟分析

数值模拟可以预测附着点在高电场中可能发生的位置，初步评估在导流条的三结点交汇位置形成的电场强度接近峰值，当该电场强度足够高时，可能导致空气电离、流光形成和介电击穿后造成天线罩壁的穿孔。

2.1初始附着点评估

数值模拟过程的第一步是对天线罩结构的电磁模拟，在模拟研究中，采用了具有两种极性的测试电压波形A和D，并将其施加给高压外部电极，模拟天线罩电场环境下，以确定每种情况下的电场分布。

2.2天线罩建模

为了获得准确的电场模拟，在SolidWorks中建立了天线罩的几何形状，使用了真实的飞机机头天线罩的尺寸。天线罩的内部高度为L在=为1.504m，内基底半径为R=0.475m.曲率半径为P=2.6186m，根据这个尺寸确定，建造了一个厚度为10.013毫米的整体天线罩。最后，将导流条需要建立在天线罩的外表面上， 这是通过在天线罩表面上进行5毫米的挤压切割来实现的，高度为0.80米，宽度为0.02米。使用COMSOL Multiphysics中的CAD导入工具，将上面描述的几何图形是导入到COMSOL中进行进一步处理，如图1所示。天线罩结构被放置在一个r=3m的球形域内，并引入了一个r=0.1m的球形高压电极，如图2所示。

图1天线罩几何形状

图2在COMSOL Multiphysics中导入的天线罩几何，

外部球形域和电极在FEM软件中构建

2.3材料

天线罩设置为相对介电常数εr=3.3，电导率为0.0001S/m的玻璃纤维材料，天线罩的底座、天线和导流体采用铜材质建模。导体的选择在这个阶段不是很重要，因为这里不考虑大电流的影响，但高导电率确保了电荷的再分配。

2.4波形条件

针对这个问题，我们选择模拟施加电压方法。

峰值电压1MV的电压波形A以双指数形式作用于电极，其定义为：

峰值电压1MV的电压波形D作用于电极，以评估慢前沿波形对电荷的分布，其定义为：

天线罩底座、导流体和罩体表面接地。

2.5网格

为了在解决所讨论的问题的同时获得良好的分辨率，我们构建了一个用户定义的网格，最终包含945259个域元素、156879个边界元素和10738个边缘元素。

3.模拟结果

在这个模拟中要充分考虑电场分布和电导率和介电损耗的影响，以及电荷运动，确保导电电流与电场一致性。模拟中最显著的特征是靠近三结点处的电场幅度峰值，如图3和图4所示，在沿导流条方向天线罩三结点处的电场强度很高，这可能会超过天线罩材料的介电强度，从而引起电击穿，最终导致所谓的天线罩穿孔。

图3天线罩三结点处的电场数值模拟

图4沿导流条方向的电场强度

参考文献：

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[2]曹宗杰，李 巍，赵思宏 某预警飞机机头ESM天线罩模型的建立与响应分析 飞机设计 2008年 12月 第28卷第6期

[3]陈汉，王富生，熊秀，何征，岳珠峰，Plasma discharge characteristics of perter strips subject to lightning strike”，《等离子体科学和技术》杂志（英文版）。2018年11月28日 第21卷

[4]G.Abdelal and A.Murphy,“A Multiphysics Simulation Approach for Efficient Modeling of Lightning Strike Tests on Aircraft Structures”, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 45, NO. 4, APRIL 2017.

[5]P.Lalande,V.Mazur,“A physical model of branching in upward leaders”, AerospaceLab Journal, AL05-07, December 2012.

作者简介：任松鹤（1987-），男，工程师，主要研究方向为雷电与强电磁环境试验技术。

李少华（1988-），男，工程师，主要研究方向为雷电与强电磁环境试验技术。

尉月荣（1987-），男，工程师，主要研究方向为雷电与强电磁环境试验技术。