飞行器强电磁环境防护方案——雷电防护
2022-10-12
雷电直接效应防护
雷电对飞行器的危害包括直接效应危害与间接效应危害。
雷电直接效应是指因雷电直接附着于飞行器或雷电流在飞行器的传导造成的飞行器及设备的物理效应，包括表面和结构的绝缘击穿、爆炸、弯曲、熔化、燃烧以及汽化等，也包括直接注入到布线、管道、控制线缆和其他传导部件中的电压和电流。
金属结构通常具有较强的雷电防护能力，不需要额外的防护设计，而非金属结构自身一般无法传导雷电流，需要进行专门的直接效应防护设计。飞行器上用的非金属材料包括：
座舱罩和透波罩的非金属材料都是用来覆盖金属物体，通常这些覆盖材料是非导电的，电场可能穿透覆盖物并在内部的金属物体上激发流光。这些流光在向外传播并遇上雷电先导时，就可能形成覆盖物的击穿。击穿刚开始是小孔，但随着冲击电流和伴随的爆炸及冲击波的作用，会产生更大的穿孔甚至大范围的爆裂。
碳纤维复合材料有一些导电性，因而对雷电的反应不同于非导电材料，但也不足以承受雷电流。在碳和其他导电复合材料中，阻性温升影响最大，当温度升高时，作为燃烧或高温分解的结果，树脂连接的碳纤维开始断裂。如果燃烧的树脂释放出的气体被包裹在材料内，则可能会发生爆炸性的释放造成对结构的严重损伤。因此，从防雷角度考虑，碳纤维复合材料外层必须有专门的防护层，例如延性金属网。
对于复合材料壳体，雷电防护金属网是目前使用较多的一种雷电防护措施，最常见的为金属铝网和铜网。雷电防护金属网复合膜是一种新型雷电防护产品，可以和纤维预浸料在热压罐中共同固化，避免了金属网单独注胶工艺，因此在飞行器和航天器复合材料结构部件的雷击防护中具有重要的应用，同时雷电防护金属网复合膜使用方便，因此在金属网的铺贴和换网修复中也有着非常广泛的应用。雷电防护金属网复合膜的结构如图1所示。
图1 雷电防护金属网复合膜
图2为铜网复合膜的照片，由于环氧胶膜是绝缘材料，因此复合膜的雷电防护功能全部由金属网提供，因此在防雷规格选择时，依照复合膜中金属网的克重选取即可。目前国内飞行器设计上多采用金属网复合膜，单独使用金属网的较少。
目视可见表面胶膜的一面为A面，目视可见金属网的一面为B面，见图3。
图3 铜网复合膜表面说明图
贴膜面铺叠铜网复合膜时铺层顺序如图4所示。
雷电间接效应防护
雷电间接效应是指不管雷电是否直接击中飞行器，雷电通道对周围设备都会产生电磁脉冲干扰，在电气电子设备的端口及电缆上产生瞬态感应，造成设备的失效或损坏。
间接效应防护的难点主要包括：
1）高频信号通路，减少防雷模块对高频信号插损、驻波的影响；
2）系统阻抗匹配，通用的防雷器件往往无法很好的匹配被防护的系统，需要进行针对性的调整优化；
3）防护模块残压与敏感器件的匹配，敏感器件的耐冲击电压很低，要求防雷模块的残压大大低于常规数值；
4）体积重量的优化，将体积和重量降到极致。
1 防雷原理
雷电间接效应防护系统产品均由信号输入端、防雷电路、接地端和信号输出端构成，其原理框图如图6所示。防雷电路不能将雷电间接效应带来的干扰完全消除，所以信号输出端存在一定幅值的残余能量，当被防护线路遭受雷电间接效应干扰，产生暂态过电压脉冲和暂态过电流脉冲时，防雷电路通过接地端迅速泄放雷电瞬时过电流，再通过内部防雷器件限制过电压，将雷电间接效应残余能量控制到一定范围内，最大限度保护后级电路。
图6 雷电防护原理图
2 常规信号类防护
信号类基本防护电路原理图如图7所示。信号输入后，经过第一级的半导体放电管进行泄流钳压，再由第二级的TVS二极管进行电压钳位，经过两级防护后将电压钳位到安全电压。后经抗浪涌电阻限流，将残余电流限制在最小。经弹载雷达电磁脉冲防护后，残余电压及残余电流趋于安全值，保护后级设备免遭损坏。防雷后采用磁珠消除高频干扰。
3 射频类防护
由于用气体放电管本身的寄生电容对高频信号存在一定的衰减，因此不适用于高频信号的防护（大于8G）。针对高频信号防护，这里采用1/4波长的方案。如图8所示为电路原理图。
图8 雷达前端射频防护原理
1/4波长在射频信号通路中，相当于高阻值的点，这一点的射频信号不能通过，因此，1/4波长对射频信号的影响非常小，同时由于雷电频率较低，一般在100kHz以下，可以将射频信号和雷电信号通过频率不同完全隔断，互不影响。关于高频信号还可采用结构件阻抗变换达到1/4波长的效果。
4.雷电防护与滤波组合方案
针对低频数据系统弹载雷达电磁脉冲防护及滤波原理，一般采用防护和滤波组合电路方式进行。通过第一级防护电路泄放大电流，再通过第二级快速响应的防护电路进行电压幅值的限幅，第三级防护电路用于加强作用，提高防护电路的可靠性。针对残余电压及残余电流进行有效的钳压及限流，保证电源工作的稳定性。防护后端设计滤波电路，通过电压计算防护器件的电压值，再根据电流值，选择合适的滤波器件，通过共模、差模滤波消除干扰，防护原理如下图9所示。
