引  言
舰船在海平面上航行时，当遇到比较恶劣的雷暴天气，与平坦的海平面相比，舰船自然就成为了诱导带电云层放电的唯一的突出物，因此航行在海上的舰船受到雷击的机会就比较多。对于大型舰船，太高的避雷针安装在桅杆上从结构和总体性能上不现实，桅杆上的避雷针可能无法对全船进行保护，离桅杆较远的短波鞭状直立天线、桅杆横桁两端较高的超短波天线、桅杆顶部的雷达天线都是容易受到雷电袭击的部位。雷电对舰船的作用包括直接效应和间接效应。直接效应指雷电直接击中舰船，雷电流传导产生巨大的电磁效应、热效应、机械效应等对舰船结构、组件及设备造成的破坏。间接效应指不管雷电是否直接击中舰船，雷电通道对周围设备都会产生电磁脉冲干扰，在电气电子设备端口及线缆上产生瞬态感应，造成设备的失效或损坏。舰船一旦受到雷击，舰船的结构、组件、部件、设备以及人员将会受到严重危害。现代舰船通信导航设备中大量应用了电子信息设备和精密仪器设备，而这些设备的耐过高压的能力比较脆弱，一旦遭到雷击，将会损坏，造成系统瘫痪，给舰船安全航行带来极大影响。

1  国内外研究现状
国外从18世纪60年代开始进行舰船雷电方面的研究工作，主要涉及直接雷击产生的电磁效应、机械效应和热效应对舰船结构和组件造成的破坏，间接雷击产生的电流和电压浪涌环境对舰船电气电子设备和系统造成的失效或损坏，以及对舰船燃油箱的雷电防护系统的软件模拟（分析舰船内部的电压降，确定雷击对舰船可能的危害）等。

在舰船雷电防护设计方面，英国国防部制订了Def Stan 02-516《水面舰船雷电防护指南》，用于指导舰船的雷电防护设计。美国国家防火委员会颁布的NFPA 780标准“Standard for the Installation of Lightning Protection Systems”规定了各类民用设施的雷电防护系统的详细要求，包括直接效应防护和间接效应防护，美国国防部发布的统一设施标准UFC 3-575-01 “Lightning and Static Electricity Protection Systems”以及统一设施指南规范（适用于非军械设施）UFGS-26 41 00“Lightning Protection System”，明确三军设施采用NFPA 780标准。

国内在2010年以后才开始有实质性的舰船防雷研究。我国GB 50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中，明确要求“电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护”。GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》规定避雷针防护区域采用滚球法评估。GJB 4000-2000《舰船通用规范》规定了舰船避雷针的材料、长度和直径，及其与桅杆的连接，避雷针保护半径的计算，避雷针的接地装置。GJB 1389A-2005《系统电磁兼容性要求》也明确要求：对于雷电的直接效应和间接效应，系统都应满足其工作性能的要求。当在暴露状态下，经受一个邻近的雷击以后，或者贮存条件下经受一个直接雷击以后，军械应满足其工作性能要求。在经受暴露条件下的直接雷击期间和以后，军械应保证安全……符合性应通过系统、分系统、设备和部件（如结构件和天线罩）及试验、分析或其组合来验证。2016年底发布的GJB8848《系统电磁环境效应试验方法》中，方法402“地面系统雷电试验方法”的适用范围规定：“具有雷电防护要求的舰船局部结构及舰载设备和分系统……可参照执行”，为舰船结构、舰载设备和分系统的雷电防护试验提供了试验依据。

综上所述，舰船雷电防护工作现在已经有框架性的设计要求和试验方法，但仍需要针对性更强、适用性更好的设计要求、试验方法等标准规范。随着舰船技术的发展和国防建设的需要，迫切要求我们进一步深入研究舰船雷电防护技术，以及对舰船雷电防护能力进行试验验证，确保舰船结构和组件免受损伤以及舰船电气电子设备功能正常，确保舰船安全航行。

2  舰船雷电防护设计
2.1  直接效应雷电防护设计
对于雷电直接效应，需要在雷电优先附着点和大地之间提供一个低阻抗通路，将雷电流安全释放。低阻抗通路具有机械强度高、通流能力强的性能，由避雷针、引下线和雷电接地端构成。

接闪器由直径不小于12mm的导电棒制成，安装在至少高于桅杆顶部300mm的位置。为了防止生锈，接闪器的材料采用铜、铜合金或者钢。但是，对于铝合金桅杆，接闪器的材料也用铝合金。

引下线要避免燃油箱和弹药库等危险区域，且它的路径要尽可能直，其最小的曲率半径是引下线直径的十倍。引下线要沿着路径与舰船上的结构体牢固连接，对于铜和铝合金，其尺寸大于等于75 mm²。

对于金属舰船，船体作为避雷系统的雷电接地端。对于非金属舰船，防雷装置的接地端是浸入海水中的导电平板，也作为舰船的主要接地端。雷电接地平板由导电金属材料制成，与海水兼容，不会与浸入海水中的其他金属形成电化学腐蚀，且金属材料无磁性。其厚度至少7 mm，以免发生绝缘击穿，与海水的接触面积至少0.25 mm²。雷电接地平板要求放置在船体外面，使得引下线的路径最短。

甲板上的所有舰船结构和组件都要放置在防雷装置的雷电防护区域之内（除特殊的保护装置）。在可能的情况下，尤其有必要为自然突起的高的结构（如桅杆）提供避雷针和引下线。高的结构和部件（如天线和绳索）作为电应力集中器，应位于雷电防护区域内，或对结构和部件进行设计，使其能够承受直接雷击。金属部件即使放置在雷电防护区域之内，也有可能被雷电附着，所以要接地到最近的雷电防护系统。雷达罩、磁力计和航行灯等设备位于雷电防护区域之外，需要特定的防护技术，保护这些电子设备不被雷击。

2.2  间接效应雷电防护设计
雷电流流过船体进入接地平板附近的海水形成电流通道，产生的二次电压会对电气电子设备造成危害。二次电压通常为结构电阻和磁通量感应电压的组合，与电压幅值、电路特性、电压相互作用有关，所以间接效应雷电防护设计需要综合考虑部件、系统和整船。

对于金属舰船，为了减小或者尽可能避免感应电压，桅杆上线缆与引下线平行，且尽可能在桅杆内放置。复合材料桅杆的各部分之间须用低阻抗金属连接。对于非金属舰船，雷电防护设计较复杂，须从接地、屏蔽、导电电路的布局、雷电防护器件、辅助接地平板等方面考虑。

一般地，船体的金属结构接地。但是，对于非金属船，要将设备与接地平板连接，接地平板直接与大海接触。雷电接地平板是舰船主接地平板的两倍，只有在雷电接地平板上，接地连接系统才与引下线连接。

如果电路位于无磁通量的区域内，就不会产生感应电压。为了使电路无电磁感应，将电路放置在导体内或者对其做电磁屏蔽。利用屏蔽空间或者金属结构，对大体积的设备做电磁屏蔽。当雷电防护的屏蔽和无线电干扰抑制的屏蔽相冲突时，优先考虑后者。

当回路中有雷电流相关的磁通量时，就会有感应电压。回路不全是金属，所有电压都集中在非金属部分，可能会产生电应力，且足以引起电击穿。回路可由任何导电材料构成，不仅仅有线缆，还有舰船上层结构的管道和金属部分。对导电电路进行合理布局，以降低或者抑制二次电压，从而避免雷电危害。

通向无线电设备和雷达天线的电路可能会遭受直接雷电附着，使用非线性器件（比如火花隙、浪涌分流器）对电路进行雷电防护。对雷电间接效应，雷电防护器件和良好的电路设计能够为敏感电路提供雷电防护。

对于非金属舰船，在燃油箱等位置安装辅助接地平板来限制局部电应力，从而降低内部火花击穿发生的概率。防护区域（比如燃油箱的防护区域）内所有的管道和金属结构要连接到最近的辅助接地平板，从而限制阻性电压和磁感应电压。所有在海水中舰船的突出物，比如船舵、撑杆、浸入水中的船体、船首推进装置等，都被认为辅助接地平板，且与雷电接地端相连接。

电流流过舰船，在电流通道上产生的电火花可能会造成燃油箱和弹药库中燃料的引燃和爆炸物的引爆。因此，要高度重视对舰船燃油箱和弹药库的防护。

3  防护设计验证方法
舰船雷电防护设计验证方法包括试验和仿真。根据现有技术和工程经验，先从可开展的试验开始，进行研究和数据积累，同时利用仿真工具计算分析，验证仿真算法的准确性，为后续扩展到不便进行雷电试验的部件奠定基础。

3.1  试验验证
依据GJB8848《系统电磁环境效应试验方法》中方法402“地面系统雷电试验方法”开展舰船雷电试验。试验方法包括脉冲磁场效应试验、脉冲电场效应试验和雷电间接效应试验。其中脉冲磁场效应试验验证试验件的脉冲磁场承受能力，脉冲电场效应试验验证试验件的脉冲电场承受能力，雷电间接效应试验用于评估舰载设备接口电路的抗损坏能力以及设备抗瞬态干扰能力。

3.2  仿真分析
仿真分析可用于雷电附着评估、防雷系统设计、电结构阻性/安全性分析、雷电电磁环境评估、线缆感应评估、防雷设计方案论证等。仿真内容与试验方法对应，包括电压仿真与电流仿真。

3.2.1  电压仿真
雷电高电压环境下舰船电势分布用于判断雷电初始附着点，优化雷电防护系统设计，验证防雷方案是否合理等。图4为舰船表面电势分布图。首先，建立舰船的全尺寸模型，舰船外形模型应包含可能影响附着点分布的主要部件。根据舰船表面电势分布，判断雷电附着情况。电势越高，雷电附着概率越大；电势越低，雷电附着概率越小。计算不同方位下雷击舰船的雷电初始附着点，涵盖所有可能的雷电附着情况，将各种情况的雷电附着点进行统计，划分雷电初始附着区域。分别仿真计算安装避雷针和不安装避雷针舰船的电势分布，分析对比两种情况下的雷电附着情况，从而确定避雷针的保护范围，并与试验结果相互验证，进一步评估避雷针防护范围。

图 1  电势分布
Fig. 1  Electric potential distribution

3.2.2  电流仿真
雷电大电流环境下舰船电流分布用于确定局部部件电流走向、主要雷电流的传导区域及发热温升，获得线缆的感应电压和电流。图5为舰船电流分布、磁场分布图。对舰船雷电回路入点注入电流，出点接地。局部部件模型的结构及材料应与设计状态一致，以确保计算结果与试验结果接近。分析局部部件的电流走向、主要雷电流的传导区域，以及其发热温升。判断局部部件上雷电流主要传导区域的空间电磁场大小，根据电磁场大小情况，分析该电磁场是否会成为舰载电气电子设备干扰源。分析结果可作为实际平台感应电压、电流值的参考。

图 2  体：电流分布; 线：磁场分布
Fig. 2  Body: current distribution; Line: magnetic field distribution

4  总结
雷电防护是关乎大型舰船航行安全的重要因素。本文介绍了大型舰船直接效应和间接效应的雷电防护设计，提出试验和仿真分析两种雷电防护设计验证方法。通过试验和仿真分析相互验证，相互推进，为后续进一步开展其它防护设计验证方法奠定基础，从而提高舰船雷电防护设计的技术水平。