前言
无人机先后经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机等发展阶段，目前已经发展到了无人作战飞机系统，可执行信息获取、攻击及支援、夺取战场电磁权、提供预警、目标指引等多种任务。由于其零伤亡、低损耗、高机动性等特点，在现代战场中发挥着越来越重要的作用。随着无人机在战场上的广泛应用，其抗雷击和雷电脉冲干扰能力受到越来越多的关注。

雷电是一种常见的自然现象，在地球大气中，平均每天约发生800万次雷电。其中幅值高达到200千安，电流的上升速率最高可达每秒1000千安培左右。无人机在高空飞行，非常容易遭受雷击，如果没有充分的雷电防护措施，无人机在雷雨环境中将变得非常脆弱，无法开展正常工作，甚至失控坠毁，作战指标大打折扣。因此，研究无人机雷电防护和抗雷电电磁脉冲干扰，具有重要意义。

1 雷电对无人机的危害
1.1 直接效应

直接效应主要指由雷电直接击中无人机后，对结构造成的物理损伤，其损伤程度主要与雷电流大小、持续时间、作用积分、电荷传递量等因素有关，主要包括以下几个方面。

（1）机械效应。无人机大量使用复合材料，如雷达罩、机身结构、机翼等。雷电的电压高达上千千伏，作用时间仅为几毫秒，因此产生的冲击力非常大，可能造成雷达罩、机身蒙皮等结构的击穿、开孔和撕裂。

（2）热效应。复合材料的电导率非常低，当无人机遭受雷击时，复合材料不能有效的传导雷电流，电荷在雷击点附近大量聚集并转化为热能，这便有可能造成复合材料燃烧、熔融和结构畸形等。热效应是雷电典型的破坏形式，严重威胁无人机的飞行安全。

（3）火花效应。火化效应包括热火花和电火花。热火指材料的燃烧时碎片从热点喷出，电火花指介质因为电压作用而被击穿。由于雷电瞬间将能量释放出来，雷电流峰值很高，如果某一点阻抗较大时，便容易产生火花效应。火花效应对燃油系统的威胁最大，可能造成燃油蒸汽点燃，导致无人机爆炸。

（4）电磁力效应。当电流流过同向或异向的导体时，会产生相互吸引或排斥的作用力。雷电电流很大，因此产生的电磁力很强，有可能造成线缆断裂、蒙皮撕裂、弯曲等损伤，影响无人机飞行安全。

1.2 间接效应

间接效应主要是指雷电对无人机电子、电气设备的干扰或破坏，产生可能危及无人机正常工作的间接危害。

（1）电磁效应。雷电通道形成后，整个通道阻抗非常低，雷电带来的强电流可以产生强大的电磁脉冲，电磁脉冲通过各种耦合途径进入无人机后，会在设备上产生感应电压和感应电流。由于空间的限制，无人机内部密集分布着众多电子设备，雷电产生的电磁脉冲，会对这些设备产生严重干扰。无人机受到电磁干扰时，可导致数据链路受阻，通信不畅，任务指令难以执行，甚至失控坠毁等。

（2）静电感应效应。雷电发生的瞬间，可使无人机表面感应出与雷电下行先导极性相反的感应电荷，当雷电消失后，壳体上的感应电荷会重新分布，可能产生较高的电压，对内部设备产生干扰。

2 国外研究现状
自上世纪70年代起，国外开始飞机雷电防护的研究工作，经过几十年的积累，取得了丰富的成果。目前的有人飞机，尤其是民航客机，在正式交付前，需要对飞机结构、雷达罩、燃油箱、航电设备等进行严格的雷电试验，保证飞机在雷电环境下的飞行安全。随着无人机的大量应用，国外也越来越重视无人机的雷电防护工作，尤其是军事领域，无人机的雷电设计已经成为必不可少的一项工作。

俄罗斯喀山国立科技大学的R.R. Gaynutdinov，S.F. Chermoshentsev等，使用仿真方法，系统研究了雷电对无人机系统的影响，仿真模型如图1所示，飞机蒙皮参数设置为碳纤维复合材料。研究结果表明，该模型可以较好的模拟雷电对无人机产生的影响，当雷击点为机头时，在无人机内部，电场强度最高可达7.7MV/m，磁场强度最高可达-24.4kA/m；此外，该团队还研究了雷电对无人机内部设备、线缆等产生的影响，并根据仿真结果对飞机在雷电环境中的安全性进行了评估。

图1 某型无人机雷电仿真整机和部件模型

印度萨缪拉·达斯古特航空发展机构的Hema K S, Samudra Dasgupta等，研究了用于无人机的夹层复合材料遭受雷击后的损伤情况。该团队首先制备了一系列碳纤维夹层复合材料，并根据所处的雷电分区位置，复合材料采取了不同的防护措施（表面铺设铜网或铝网），之后进行了雷击测试，雷击试验完成后，对复合材料进一步进行了超声C扫，研究复合材料的内部损伤，测试结果如图2所示。上述研究表明，未进行防护的复合材料，遭受雷击后损伤严重，无法用于雷电1区和2区，而铜网和铝网具有良好的雷电防护效果，雷击后复合材料内部几乎没有损伤。

图2 雷击试验前后复合材料C扫对比图

英国Tom Scott等人，在曼彻斯特大学高压电实验室，对3台无人机进行高电压雷击测试，并用高速摄影机捕捉无人机遭雷击的画面，试验照片如图3所示。试验过程中，无人机的桨翼发动机遭闪电劈中，电流从起落架导出，无人机随即堕地；试验后检查发现，虽然无人机无表面伤痕，但内部的电子零件全部损坏。该试验结果表明，未采取防护措施无人机，在飞行过程中一旦遭受雷击，会产生非常严重的损伤。

图3 无人机雷击试验照片

英国曼彻斯特大学、中央兰开夏大学和 Haydale 公司等多家结构协同合作，将石墨烯作为抗雷击添加剂，制作无人机机翼，以此来降低雷电对于飞行器的影响，该飞机已经在德国的欧洲复合材料展（Composites Europe）试飞亮相。石墨烯作为一种导电性能的新型碳材料，对机翼的阻力、散热和防雷性能都会带来显著提升。石墨烯机翼由Haydale 公司生产，使用石墨烯之后，无人机机翼兼顾高强度和低重量，在耐冲击方面，石墨烯机翼比碳纤维机翼要强 60%。目前该项目进展顺利，已经开始进入下一阶段研究。

美国MQ-4C无人机是在“全球鹰”基础上为海军研制的最新无人机，该无人机主要承担海上巡逻和侦察任务。与内陆相比，海上雷电环境更加复杂，雷电发生频率更高，破坏力也更大，因此海军非常重视飞机的雷电防护性能。MQ-4C无人机在设计时，便考虑到飞机在复杂雷电环境中的生存能力，并采取了一系列的雷电防护措施，与其他机型相比，MQ-4C无人机最大特点是具备优异的防雷击、除冰功能，可在雷电条件下正常工作，也可穿过云层和雷暴区进行更近距离的观察以及自动识别工作[16]。

MQ-8C“火力侦察兵”无人直升机是美国海军的一款多用途无人直升机，可为海上和陆上指挥官提供情报、监视和侦察等能力。与MQ-8B相比，该无人机的机身体积更大，航程增加超过1/3，可搭载的载荷重量也大幅增加，更重要的是，Summit Aviation公司为MQ-8C设计了专门的抗雷击和电磁防护罩，使其能够抵御强电场和电磁波的干扰，为飞机的关键电子器件提供更强的防护能力[17]。如果不装备该防护罩，直升机内部的电子器件极易受到闪电以及机上其它电磁干扰的影响。目前安装该防护罩的无人直升飞机已经被诺斯罗普格鲁曼公司接收，交付美国海军使用。

经过多年的技术积累，国外无人机的雷电防护工作已比较成熟，形成了完善的研究体系，技术成果也在多个型号上获得应用，大大提升了装备的综合作战能力。目前，国外已经开始研究下一代无人机的雷电防护方法，以适应未来战场对武器装备更高的要求。

3 国内研究现状
我国无人机研究处于世界领先水平，但由于国内航空器雷电研究工作起步晚，现有无人机的雷电防护措施不够完善。近两年来，飞机雷电防护逐渐成为研究热点，各方也越来越重视无人机的雷电防护工作。

中国人民解放军炮兵学院的宣源、田晓凌、程德胜等，对无人机系统的战场电磁环境干扰做了系统分析，从干扰源、干扰设备、干扰途径等不同方面综合分析了复杂战场电磁环境对无人机系统可能存在的电磁干扰，具体如图4所示。分析表明，无人机系统本身内含大量微电子元件，此类材料过电压承受能力差，容易受雷击影响，尤其是天线系统更容易遭受破坏；雷电流变化梯度大而产生的交变磁场可使周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围放电。此外，雷电产生的信号系统浪涌会干扰数据传输，使传输的数据产生误码，因此无人机的雷电防护是一项非常重要的工作。

图4 无人机的战场电磁环境

军械工程学院张冬晓、陈亚洲、 田庆民等，以某型无人机系统作为受试对象，在实验室搭建雷电脉冲磁场试验平台，利用亥姆霍兹线圈和雷电浪涌发生器模拟雷电脉冲磁场，研究了无人机雷电脉冲磁场效应，试验配置如图5所示。利用该平台，军械工程学院，对无人机系统开展雷电脉冲磁场效应试验，评估其抗强电磁脉冲干扰能力，分析能量耦合途径和作用机理，研究防护加固措施等。

图5 无人机雷电脉冲磁场效应试验

一些新型军用无人机的研制总要求中，已明确提出将雷电防护性能作为飞机最终考核的指标之一，要求设计部门开展系统的雷电防护设计与试验验证，保证飞机满足雷电防护相关标准要求。雷电防护能力已经成为评价无人机先进性的一项重要指标。

民用无人机在使用时，不能要求地面做避让、防护等行为，因此，民用无人机的飞行可靠性成为必须考虑的问题。可靠性不仅仅是正常飞行能力，还必须在严酷的各种自然环境下保持继续飞行。对此，人民解放军61135部队、中国航空工业发展研究中心张姮、蔡琰、吴强[21]提出民用无人机应至少具备8项能力，其中第6项为抗各种气象能力：风/阵风/持续风/、雷电、雨、雹、霾、雾，反映为抗风、抗冲击电流、抗湿能力等。此外，无人机还应进行11种试验，其中第10项为雷电坏境测试，测试无人机在各种级别的雷电环境下(往往连同各种级别风) 的可靠性，以及坠毁灾害测试。

中国人名解放军战略支援部队航天工程大学（装备学院）张聚铭、邵琼玲、许龙对大气电场测量无人机电磁兼容性进行了系统设计。大气电场测量系统是以小型无人机为载体的电路系统，其在云层和雷暴区极易受到静电干扰和雷击电流的影响，严重时将会造成整个系统的瘫痪，因此对静电和雷击防护设计不容忽视。为防止雷电对无人机的影响，该团队对大气测量无人机进行雷电防护设计，主要采取措施如图6 所示，具体为：加屏蔽罩；加浪涌保护器；加装光耦合器；单独供电。

图6大气电场测量无人机的雷电防护设计

国内无人机的雷电防护还处于起步阶段，主要研究工作集中在理论分析，实际应用较少，大多数无人机设计时也未考虑雷电防护性能，或者直接采用有人机的防护措施，防护措施的合理性和可靠性还有待验证。目前我国在无人机雷电防护领域，尤其是在具体型号应用方面，与国外差距较大。

4 无人机雷电防护建议
无人机结构复杂，系统集成度高，不同系统之间的雷电防护要求不同，因此防护方法差异也比较大。本文建议设计单位在进行无人机雷电防护时，应考虑以下建议：

（1）对于雷电防护设工作，大型无人机与有人机差异较小，可以直接参考有人机的设计经验；小型无人机在结构、尺寸等方面与有人机存在明显差异，受到雷电效应影响的区别也非常大，因此本文建议应针对小型无人机应专门开展雷电防护基础研究工作，保证各种防护措施的合理、可靠。

（2）无人机大量使用复合材料，复合材料导电性低，屏蔽性能差，内部电子设备更加容易受到的雷电感应的干扰，因此在无人机雷电防护设计时，应注重雷电间接效应的防护工作，增加防护等级。

（3）无人机对重量要求更加严格，出于减重的考虑，建议在设计时，将雷电防护和其它功能，如加热除冰、电磁兼容（EMC）、高强度辐射场（HIRF）、电磁脉冲（EMP）等同时考虑，提升无人机的综合技术水平。

5 结束语
无人机在未来军民领域的应用越来越广泛，随着系统的集成度越来越高，雷电电磁脉冲对无人机的影响也越来越大，因此需要采取适当的雷电防护措施。同时无人机的防雷是一项复杂工程，需要总体部门在立项阶段，对整架飞机的雷电防护做出整体规划，之后逐级分解任务，制定防护方案，并进行相应的试验。当前国外非常重视无人机的防雷工作，而我国在无人机雷电防护方面的研究还比较少，多数无人机都没有采取防雷措施，后期应加强该领域工作，确保无人机在雷电环境中的飞行安全。