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干貨分享 | 雷達罩及天線罩的一個雷電直接效應防護及試驗技術

作者：　　日期：2025-01-10　　瀏覽次數：598次　　來源：

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概要
在現代航空領域中，雷達罩及天線罩作為飛行器的重要組成部分，其性能直接關系到飛行器的探測能力和通信效果。然而，雷電作為一種自然現象，對飛行器構成了嚴重威脅，特別是雷電直接效應對雷達罩及天線罩的物理破壞，更是不可忽視的問題。本文旨在探討雷達罩及天線罩的雷電直接效應防護技術，以及為飛行器的安全運行提供有力保障。

01 雷電直接效應
雷電直接效應是指雷電直接落到雷達罩或天線罩上所產生的物理破壞效應。這種效應主要包括雷電波沖擊、電擊穿、熱、電磁力等。

02 飛行器雷擊區域
根據雷電在飛行器上的附著概率不同，將飛行器的雷擊區域分為3個大類、6個小類。其中，1A區、1B區和1C區屬于首次回擊區域，2A區和2B區 屬于閃電通道掃掠區域，而3區則是閃電流傳導區域。

在防護設計中，應優先考慮將雷達罩及天線罩放置在雷擊概率較小的區域，如3區。

03 雷達罩、天線罩的雷電防護技術
對于雷電直接效應的防護，主要依賴于罩體的材料特性、結構設計以及防護裝置。一方面，選擇具有高介電常數的材料可以提高天線罩的擊穿電壓，從而增強其對雷電沖擊的承受能力。另一方面，通過合理設計天線罩的厚度和形狀，可以優化電場分布，減少雷電對天線罩的破壞。同時，可以利用分流條等裝置將雷電流引導至安全區域，從而保護雷達罩及天線罩免受損壞。

1、罩體特性及結構設計防護：
a. 罩體材料與電場分布的關系：對于傳統介質：隨罩體 εr 增加，天線罩相對介電常數在 0~50 以內變化時防雷效果較明顯。
b. 罩體厚度與電場分布的關系：隨罩體厚度增加，內部天線附近電場逐漸降低，且趨勢越來越緩。

2、間隙型導流條防護：

片段式導流條或者間隙型導流條分流條是一種用于雷電防護的裝置，其透波性較好，對天線影響較小。其工作原理如下：
結構組成：片段式導流條由一系列薄的導電金屬片組成，這些金屬片之間用阻性材料連接，并固定在復合基帶上。
正常狀態：在正常情況下，由于金屬片段之間存在間隙，導電通道處于斷開狀態，整個導流條屬于絕緣體。
雷擊時：當遭遇雷擊時，相鄰金屬片段兩端開始聚集大量電荷，并產生羽毛狀的電弧。當電壓達到一定值時，金屬片段便會擊穿上方空氣，形成電離通道。
雷電流傳導：雷電流通過這個電離通道傳導到引下線，而不經過導流條本身。這樣既不會對導流條自身造成破壞，也避免了大電流對葉片表面的損傷。

a.導流條間隙與電場分布的關系
導流條的間隙對電場分布具有重要影響，目前來說導流條片段的間隙，大體上都是在0.2mm，相比與0.6mm、1.0mm等間隙距離，0.2mm電場強度是比較高，更容易接閃雷電。

b.導流條形狀與電場分布的關系
導流條的形狀對電場分布具有重要影響。不同形狀的導流條在雷擊時會產生不同的電場分布特性。例如，橢圓形和圓形導流條在雷擊初期的電場強度較高；菱形導流條在尖端點擊穿的瞬間會燒蝕，導致尖端越來越圓滑；而正方形導流條在導通后連續性更好，雷電可以一直連續下去。因此，在選擇導流條形狀時，需要根據具體的應用場景和防護要求進行綜合考慮。

c.導流條尺寸與基帶介電常數的影響
導流條的尺寸也是影響其防護效果的重要因素之一。如果導流條的尺寸超過了波長的1/8，就會影響其透波性能。一般來說，導流條的尺寸在1mm~2.5mm之間比較合適。此外，基帶介電常數也會對電場分布產生影響。基帶介電常數越低，電場場強越強。因此，在選擇基帶材料時，需要考慮其介電常數對電場分布的影響。

d.導流條的分布設計

e.導流條的長度計算

需根據電壓擊穿效應計算，一般是高于天線的30%~50%左右是最合適的，如下圖所示的模型中350mm長的導流條已經能防護雷電了，450mm長的導流條效果已經很好了。

f.分流條的數量計算

04 試驗驗證與仿真分析

在雷電防護技術的研發過程中，試驗驗證和仿真分析是不可或缺的手段。通過搭建試驗設備，可以模擬雷電直接效應對雷達罩及天線罩的破壞過程，并觀察防護裝置的實際效果。同時，利用仿真軟件對電場分布進行模擬和分析，可以進一步優化防護裝置的設計參數和結構形式。
1、初始先導附著試驗：需要考慮各個方向的來雷，因此試驗時要選擇多個方向多個角度進行測試，測試時需要放置實際的天線或者參數一致的模擬件，以保證試驗的合理性和準確性；
2、掃掠通道試驗：需要注意當試驗件大于0.25m，需要分段掃掠；
3、大電流物理破壞試驗：當確認了罩體的雷擊附著點，后續應進行大電流測試，以驗證防護裝置的同流能力，同時監測感應，看天線端口上的感應電壓，感應電流是否在我們的設計閾值內。

總結

在具體實踐中，我們可以從以下幾個方面入手：
一、加強材料研發，尋找具有更高介電常數和更好透波性能的新材料；
二、優化結構設計，通過改變天線罩的形狀和厚度等參數來優化電場分布；
三、深入研究分流條等裝置的防護機理和性能特點，探索更加高效和可靠的防護方案；
四、加強試驗驗證和仿真分析工作，不斷提高防護技術的可靠性和實用性。

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