多物理场仿真提升飞机的雷电防护性能

雷电，是一种雄伟壮丽却又令人生畏的自然现象，它在带来视觉震撼的同时，也会造成巨大的危害。中西方古代神话中均有大量篇幅描述雷电这一神秘的自然现象。直到 1752 年，富兰克林证实了雷电是一种由带电云层产生的放电现象。此后，围绕雷电防护的科学研究便从未间断。

雷电的产生主要有云内放电、云间放电、云地放电这三种形式。其中超过 50%的雷电由云内放电形成。飞机在飞行过程中遭受到的雷击，大部分由云内放电造成（图 1 上图）。虽然飞机遭受云地放电的几率较小，但由于云地放电（图 1 下图）的强度大于其他放电形式，所以云地放电的数据通常被作为雷电防护的设计依据。

图 1.飞机遭受雷击过程的示意图。上图：云内放电（飞机诱发雷电）；下图：云地放电（飞机拦截雷电）。

飞机的雷电初始附着区域

雷击可能对飞机造成多种伤害。首先，雷电可以直接对飞机的结构产生破坏。当雷击发生在飞机的非导电材料上时，因能量无法释放而可能造成炸裂。此外，雷电产生的空间电磁场会在飞机内部的电缆、电子器件内产生感应电流，从而导致电子设备的损坏。当飞机遭受雷击时，会因时变电流的集肤效应而引起缝隙打火现象，若打火发生在油箱和燃油系统中，就很可能造成难以想象的后果。因此，一套可靠的雷电防护系统，对于飞机来说，是不可或缺的安全保障。

当飞机遭遇雷击时，初始雷击放电非常容易附着在雷电的流入和流出部位，这种部位被称为雷电初始附着区域。由于雷电会在此区域附着，并对飞机外壳和机载设备产生严重损害，因此找到雷电的初始附着区域，并采取有效的防护措施是飞机雷电防护的重点。通常的判断飞机雷电初始附着情况的方法是制作等比例缩小的飞机模型，然后采用物理实验的方法来完成雷击测试，进而根据测试数据考察雷电的初始附着情况。

例如，机头雷达罩多数为雷电初始附着区域，需要重点防护，防护后的机头雷达罩也需要做相应的实验，进行性能测试。图 2 中左图为爱邦电磁雷电实验室的雷电测试设备，右图显示对机头雷达罩模型进行雷击实验的过程。

图 2.左图：爱邦电磁雷电实验室2600kV冲击电压发生器；右图：机头雷达罩模型的雷击实验。

使用仿真探究机身电流分布

物理雷击测试的方式虽然直观，但成本却十分高昂。在为客户提供雷电测试服务前，首先需要客户制作价格昂贵的飞机模型，而模型往往因为在测试后受损而无法重复使用。针对此问题，爱邦雷电实验室的研究人员希望通过仿真分析来完成对飞机雷电初始附着点的考察。

研究人员在 COMSOL Multiphysics® 软件中建立了飞机的几何模型，并创建了飞机的仿真计算坐标系，用于考察飞机不同的飞行姿态（图 3 上图）。研究人员随后对飞机模型的整体进行了网格剖分，选用了稳定性较好的自由四面体为基本网格单元对模型进行网格剖分。飞机模型的网格见图 3 下图。

图 3.上图：飞机仿真坐标系；下图：飞机网格设计。

在完成了模型创建和网格剖分后，研究人员对飞机遭受雷击后表面的电势分布情况进行了仿真分析。图 4 显示了当飞机处于左旋下降时飞机表面的归一化电势分布情况，1 表示电势最高，0 表示电势最低。在飞机的飞行过程中，雷电将从飞机表面上高电势的部位流入，并从电势较低的部位流出。当飞机处于左旋下降时，电势在尾翼尖、后掠翼尖或右翼尖较高，最低电势位于飞机头部及左翼。因此尾翼尖、后掠翼尖和机翼尖均可能成为雷电的流入点，而机头部位则成为雷电的流出点。因此，尾翼和机头部位便是左旋下降时雷电的初始附着区域。

图 4.飞机雷电的初始附着点仿真结果。

“飞机遭受雷击的过程是一个典型的多物理场问题，涉及电场、磁场、传热、力学等多种物理现象。”段雁超工程师说道，“COMSOL Multiphysics 软件强大的多物理场建模分析能力，以及后处理功能，让我们可以非常方便地研究雷电对飞机性能的影响。”

在找到了飞机在不同飞行姿态下的雷电初始附着区域后，爱邦电磁的工程师便开始着手针对此区域进行雷电防护方案设计。飞机的机头布置有雷达、天线等重要的机载设备，极易受到雷电的影响，因此机头是飞机雷电防护中最为重要的部位。

针对初始附着区域的雷电防护

机头布置有雷达等通讯设备，当此区域附着雷电时，雷电造成的电磁感应、热效应会对飞机造成巨大的危害，严重时甚至可能影响飞机的安全飞行。
为防止雷电影响雷达和天线等通讯设备，需要及时将雷达罩上的雷电流引走，通常采用的方式是布置雷电导流条（图 5 上图）。导流条会形成一条低阻通道，因此电荷可沿导流条导走，从而避免下方的设备因飞机表面的过量电荷而坏。

导流条的位置会影响雷电电流的导出效率，为了找到合理的布局，研究人员为布置了导流条的雷达罩建立了仿真模型，模拟了雷电环境下的电势分布（图 5 下图），找到了导流条排布的最佳位置。

图 5.上图：爱邦电磁研发的雷电导流条；下图：带有导流条的雷达罩及电势分布的仿真结果。

由于目前飞机的表面材料通常采用复合材料，当飞机遭受雷击时，非常容易产生热损伤，因此雷电的热效应是另一个需要重点考察的因素。爱邦电磁的研究人员研发了高精度延性雷电防护金属网，将其布置在雷击部位。通过物理实验和仿真分析可以看出，金属网具有非常优秀的热损伤防护性能，可以极大地提升雷击区域的安全性（图 6）。

图 6.上图：高精度延性雷电防护金属网热损伤实验测试；下图：仿真测试。

拓展多物理场仿真在雷电防护领域的应用

借助多物理场仿真的强大分析能力，爱邦电磁不仅可以快速为客户提供雷电测试服务，同时开发出了一系列雷电防护产品，例如新型雷电导流条、雷电防护金属网、雷电抑制器等。其中新型片段式雷电导流条以其重量轻、对雷达天线信号影响小等优点受到用户的好评。爱邦电磁还将多物理场仿真技术应用到了风力发电机等更多领域，用于提升不同设备的雷电防护性能。

“界面友好、结果准确、功能强大”是西安爱邦电磁的段雁超工程师对 COMSOL Multiphysics 的评价，“COMSOL Multiphysics 在试验、研发和方案设计等方面帮助我们解决了很多问题，不仅有效减少了试验次数、缩短了研发周期，还让我们可以更深入地理解和优化防雷方案的设计。”爱邦电磁希望在未来，可以开发出性能更加完善的雷电防护系统，为客户抵御雷电带来的危害。

本文内容来自《COMSOL News》中国用户特辑