摘要
雷電是自古以來就有的自然電磁現(xiàn)象，但在信息技術高度發(fā)達、微電子技術廣泛應用的今天，雷電防護的需求日益迫切。雷電防護涉及的范圍十分廣泛，近年來國際范圍內(nèi)對雷電防護技術的研究也高度重視。本文主要根據(jù)掌握的資料，對國外一些典型的整機雷電試驗系統(tǒng)進行綜述介紹。
整機試驗驗證是從系統(tǒng)整體角度發(fā)現(xiàn)潛在問題，驗證產(chǎn)品雷電防護性能的必要手段。雖然高壓和大電流產(chǎn)生技術已十分成熟，但實驗室的雷電參數(shù)模擬能力實際是與受試件大小和阻抗密切相關的。
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美國Sandia國家實驗室雷電實驗系統(tǒng)
SLS（Sandia Lightning Simulator）實驗系統(tǒng)是美國Sandia國家實驗室的一套大型雷電實驗系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生峰值20~200 kA、上升時間0.5-2.1 μs的單次模擬回擊電流脈沖，也可產(chǎn)生包含兩個幅度可調(diào)、間隔時間可調(diào)的二次模擬回擊電流脈沖。系統(tǒng)由高壓源、兩組Marx發(fā)生器、持續(xù)電流源、測試籠型支架和測量室構(gòu)成，見圖1。四個獨立的Marx發(fā)生器分成兩組裝在浸滿變壓器油的兩個獨立機箱內(nèi)，兩組高壓脈沖發(fā)生器可以組合操作，每個都通過油浸的傳輸線連接到輸出端。根據(jù)需要，還可在輸出電流端附加額外的持續(xù)電流，幅度為百安培量級，持續(xù)時間小于等于1 s。高壓源通過激光觸發(fā)crowbar開關控制，電流波形為單極性。輸出電流由1 mΩ同軸分流器測量，檢測的信號通過特殊屏蔽的同軸電纜傳至儀器屏蔽室，由Tektronix7612D數(shù)字轉(zhuǎn)換器記錄。
圖1 SLS試驗系統(tǒng)
圖1的測試裝置中受試裝備位于籠型裝置軸線上，該裝置半徑1.5 m、長5.5 m，電流由軸線上注入，通過周圍等排列的16根銅質(zhì)導體返回。這種均勻排布有助于減小受試裝備表面電流分布的不均勻性。
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美國紅石技術試驗中心LTF雷電試驗設施
該設施隸屬于美國紅石技術試驗中心（RTTC），建成于1988年。主要服務于美國陸軍的武器裝備試驗與評估，最早用于導彈實彈測試，后來拓展至軍用車輛和航空設備，其規(guī)模可以保證對帶有數(shù)千磅燃料的大型導彈進行實彈試驗。該設施有三組獨立電容器來產(chǎn)生高達200 kA的雷擊電流，產(chǎn)生波形包括了雷擊直接效應試驗標準要求的A、C、D三類。為防止受試系統(tǒng)以外點火引起的災害，設置了固定的鋼質(zhì)大型安全罩，安全罩內(nèi)還設置有小型的安全室，用于對不同大小的受試系統(tǒng)開展試驗（見圖2）。系統(tǒng)設有充電/放電間安裝充放電配電系統(tǒng)，遠處有混凝土掩體和控制室供操作人員控制試驗。
圖2 LTF試驗系統(tǒng)
LTF的高壓、大電流產(chǎn)生系統(tǒng)共使用了480只60 kV、1.875 μF的電容器。分為4級，每級120只并聯(lián)，用于獲得大的放電電流。雷電流測試系統(tǒng)采用了Pearson1080電流探頭和OP-300型光纖傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)特點是自帶有方波校準信號。波形記錄系統(tǒng)有HP的54111D和Tektronix的7612D等多種示波器。
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法國格拉瑪研究中心全尺寸雷電試驗模擬器
飛行雷電試驗表明，雷電導致的電磁脈沖前沿可遠遠小于微秒量級，因此法國格拉瑪研究中心（CEG）針對快前沿雷電電磁脈沖對飛機耦合研究的需要，建立了PARSIFAL雷電模擬器。該模擬器采用圖3所示的50 Ω阻抗同軸結(jié)構(gòu)，由三只絕緣支撐環(huán)支撐半徑漸變的傳輸線，保證阻抗的一致。在文獻報道的試驗階段，注入電流為500 A，未來發(fā)展目標是5 kA至15 kA的峰值可變電流注入，同時對于波形寬度也可調(diào)整。在第一研究階段通過低電流試驗了解不同飛機部位的傳遞函數(shù)并與FDTD數(shù)值仿真的結(jié)果進行比較。試驗和分析的測點包括了機身表面和機艙內(nèi)部電纜的不同位置，兩者吻合程度較好。
圖3 PARSIFAL雷電模擬器：(左)實驗系統(tǒng)，(右)測量和仿真結(jié)果的比較（磁場）
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英國BAE公司LSS雷電試驗模擬器
2008年，英國BAE公司在歐洲電磁學年會上介紹了其研制成功的一款全威脅等級(Full threat level)LSS（Lightning Simulation System）模擬器。圖4為該模擬器外形以及對臺風戰(zhàn)機進行注入試驗的情況。LSS主要模擬雷電流A波，采用電感儲能工作方式。高壓源為750kV的Marx發(fā)生器，峰值電流50-200 kA。脈沖源系統(tǒng)長6 m、寬2 m、高5 m，使用變壓器油和SF 6絕緣，變壓器油用量為5500 gal，系統(tǒng)總重41 t。系統(tǒng)設計成可移動方式，便于托送至飛機試驗現(xiàn)場。
圖4 LSS雷電模擬器：(左)脈沖源，(右)全尺寸飛機試驗設置
該系統(tǒng)已用于以復合材料為主要結(jié)構(gòu)的歐洲臺風戰(zhàn)機和金屬機身的Nimrod MRA4偵察機雷電測試，前者測試峰值電流達到200 kA，后者注入電流范圍為15-50 kA。通過全尺寸、高威脅量級的注入試驗為飛機整機雷電實驗方法和機身內(nèi)部系統(tǒng)雷電防護措施的制定提供了重要依據(jù)。
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俄羅斯VNIIEF的雷電試驗系統(tǒng)
全俄羅斯實驗物理研究院（VNIIEF）下屬的高電壓研究中心和俄羅斯聯(lián)邦核中心均開展有高壓和大電流的雷電模擬實驗。與一般采用電容或電感儲能的雷電流產(chǎn)生方法不同，VNIIEF針對可移動的雷電流注入試驗需求，采用了爆炸磁累積發(fā)生器（MCG）技術產(chǎn)生大電流，前沿為微秒量級、峰值可達到90-160 kA。MCG實質(zhì)上就是我國以及美國常稱為磁通量壓縮發(fā)生器（MFCG）的一種大電流產(chǎn)生裝置，它利用爆炸化學能壓縮磁通量、放大電流，在俄羅斯被稱為爆炸磁累積發(fā)生器。VNIIEF先后研制了MCG-80（0.2MJ）、MCG-160（2MJ）和MCG-320（10MJ）等發(fā)生器作為產(chǎn)生電流和電磁場的能源發(fā)生裝置。利用這些裝置在野外完成了磁場和沖擊電流注入試驗，圖5為MCG-160對接地系統(tǒng)模擬雷電流注入時的試驗場景。
圖5 MCG-160對接地系統(tǒng)進行強電流注入試驗
VNIIEF開展的另一類有特色的實驗是高壓靜電場中周圍帶有不同極性電荷云的飛行器的閃電附著點實驗。其中，飛機模型附近靜電場場強高達1 MV/m，根據(jù)實驗需要可充滿中型電荷、負電荷或正電荷的離子云。盡管試驗設施高度和跨度已經(jīng)非常之大，但是也還僅能滿足縮比模型實驗的需求。通過實驗研究，獲得了飛機模型在不同條件下表面雷擊分區(qū)的異同。
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基于人工引雷的實驗驗證技術
出于對彈藥庫進行現(xiàn)場雷電模擬試驗的需求，美國陸軍和Sandia國家實驗室在上世紀90年代開展了基于可移動人工引雷設備的試驗技術研究，研發(fā)了SATTLIF（Sandia Transportable Triggered Lightning Instrumentation Facility）。該系統(tǒng)安裝在20 m×8 m×8 m的集裝箱內(nèi)，可由一輛貨運卡車搭載，也可由飛機運輸，送至試驗現(xiàn)場。系統(tǒng)試驗設置見圖6。每組引雷裝置由12只帶有地面系留金屬絲的小火箭構(gòu)成，金屬絲通過被測系統(tǒng)接地。系統(tǒng)自帶25 kW柴油發(fā)電機，對外界依賴性低。人工誘發(fā)雷電的電流、電場等參數(shù)由SATTLIF的監(jiān)測系統(tǒng)獲得，通過光纖傳輸系統(tǒng)送至集裝箱內(nèi)的記錄系統(tǒng)。引雷時機根據(jù)地面大氣電場儀讀數(shù)判定，引雷火箭同樣通過光纖傳輸系統(tǒng)加以控制。該系統(tǒng)于1990年夏季在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心（KSC）完成了一系列引雷試驗。獲得的5組雷電流數(shù)據(jù)與KSC測量系統(tǒng)獲得結(jié)果進行了比對，誤差在7 %以內(nèi)。數(shù)據(jù)表明，人工引雷獲得的雷電流幅度在3-24kA之間。
圖6 人工引雷現(xiàn)場試驗設置
近些年來，國際范圍內(nèi)開展人工引雷試驗最為著名的研究機構(gòu)是美國佛羅里達大學國際雷電研究與試驗中心（ICLT, International Center for Lightning Research and Testing），有關人工引雷試驗技術進展可參見文獻。
總結(jié)與展望
本文主要關注大型設備的雷電試驗技術，具體圍繞整機雷電流直接注入試驗，總結(jié)了國外一些大型雷電實驗系統(tǒng)的情況。相對于部件級及縮比模型的試驗來說，整機雷電防護性能的驗證對試驗設備技術需求高、試驗風險大、成本高，實施難度大，國內(nèi)實驗能力在這一方面還存在嚴重不足。
綜合分析國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)和技術需求，整機雷電實驗技術今后的發(fā)展動向主要包括：
（1）同時滿足全尺寸和威脅等級要求的大型試驗系統(tǒng)的建設；
（2）滿足裝備和設施現(xiàn)場試驗的要求的可移動實驗設備的建設；
（3）高效、高可靠性雷電耦合效應測量技術研究；
（4）具有重復脈沖產(chǎn)生功能的實驗系統(tǒng)；
（5）雷擊近區(qū)電場、磁場效應的模擬；
（6）從連續(xù)波測試結(jié)果估計脈沖波測試結(jié)果的等價評估技術；
（7）數(shù)值分析與試驗模擬的相互驗證。
本文摘選自《環(huán)境技術》第6期
作者：
王春雷1， 石立華2 ，段艷濤2， 付尚琛2 ，蘇麗媛2；
作者單位：1.海裝駐南京地區(qū)第四軍事代表室，2.陸軍工程大學電磁環(huán)境效應與光電工程國家級重點實驗室；
作者簡介：
王春雷，碩士，電子對抗專業(yè)，研究方向為計算機仿真、機器視覺檢測及應用等。
石立華，教授，博導，工學博士，陸軍工程大學電磁環(huán)境效應與光電工程國家級重點實驗室主任。研究方向為雷電物理、時域測量、電磁兼容與防護技術等。
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