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    航天系統雷電防護技術(shù)發(fā)展綜述及展望

    發(fā)布時(shí)間:2021-06-10  

    航空防雷 | 航天系統雷電防護技術(shù)發(fā)展綜述及展望

    摘要:為滿(mǎn)足航天系統的全天候發(fā)射任務(wù)需求,加強航天系統對于雷電環(huán)境的適應性,對航天系統雷電防護技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述。首先分析雷電環(huán)境對于航天系統產(chǎn)生的破壞效應,追蹤了世界航天史上典型的雷擊案例,系統梳理了國內外航天系統雷電防護標準規范。針對運載火箭雷電效應數值仿真技術(shù)、雷電防護設計技術(shù)和試驗驗證技術(shù),雷電氣象監測預警技術(shù),地面雷電防護技術(shù)和接地技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了追蹤。在此基礎上,從我國航天工程雷電防護的實(shí)際需求出發(fā),對未來(lái)我國航天系統雷電防護技術(shù)重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望。

     關(guān)鍵詞:航天系統;運載火箭;地面支持系統;雷電效應;雷電防護

    引言

        雷電是一種自然界常見(jiàn)的大氣放電現象,能在瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的能量,其作用于物體上時(shí)會(huì )產(chǎn)生巨大破壞影響。自人類(lèi)航天活動(dòng)開(kāi)始之日起,國內外就發(fā)生過(guò)多起由于雷擊引起航天系統故障,甚至造成發(fā)射失利的案例。針對運載火箭為主要防護對象的航天系統來(lái)說(shuō),在一次完整的發(fā)射流程中火箭要經(jīng)過(guò)廠(chǎng)房測試、轉運、待發(fā)以及發(fā)射等多個(gè)階段,在各個(gè)階段都存在遭受雷擊的風(fēng)險。因此航天系統有必要進(jìn)行全流程雷電防護,同時(shí)通過(guò)開(kāi)展防雷技術(shù)研究驗證航天系統防雷性能的有效性。

         針對運載火箭系統的雷電防護主要從兩方面開(kāi)展工作:一方面是針對運載火箭系統在地面的防雷,此部分需要分別考慮運載火箭自身和地面支持系統的雷電防護,主要考慮運載火箭在地面待發(fā)時(shí)可能面臨的雷電環(huán)境;另一方面是針對運載火箭在飛行過(guò)程中的防雷,此部分只需要考慮運載火箭自身的雷電防護,主要考慮運載火箭在空中飛行時(shí)可能遭遇或誘發(fā)的雷電環(huán)境。國內外的航天人員逐漸認識到防雷工作的重要性,對于航天系統的雷電防護投入了相當大的精力,開(kāi)展了大量研究,雷電防護技術(shù)得到了大力發(fā)展,有效提升了航天系統整體的防雷性能。近年來(lái),隨著(zhù)國際上對于全天候發(fā)射需求的與日俱增,傳統的躲避雷電天氣選取發(fā)射窗口的方式已不再適應于當前的航天發(fā)展形勢,在國內外激烈的競爭環(huán)境中,要求航天系統在各類(lèi)環(huán)境中都應具備較高的性能,提升航天系統對雷電環(huán)境的適應性顯得越發(fā)重要。因此,當前亟需總結創(chuàng )新,加大防雷技術(shù)的發(fā)展力度,進(jìn)一步提升航天系統雷電防護技術(shù)水平。

         本文首先分析了雷電環(huán)境對于航天系統的破壞效應,追蹤了世界航天史上典型的雷擊案例。系統梳理了國內外航天系統雷電防護標準規范。然后,綜合分析了國內航天系統雷電防護技術(shù)發(fā)展情況,針對運載火箭雷電效應數值仿真技術(shù)、設計技術(shù)和試驗技術(shù),雷電氣象監測預警技術(shù),地面雷電防護技術(shù)和接地技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了追蹤。最后在此基礎上,從我國航天工程雷電防護的實(shí)際需求出發(fā),對未來(lái)我國航天系統雷電防護技術(shù)重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望。

    一、雷電破壞效應

        根據雷電的物理特性及破壞方式的不同,一般將雷電破壞效應分為直接效應和間接效應:直接效應包括雷電電弧附著(zhù)所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結構畸變,以及由大電流引起的高壓沖擊波和電磁力破壞。間接效應主要是由伴隨雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)耦合對電子電氣設備所產(chǎn)生的破壞性影響。

    1.1 雷電直接效應

        電熱效應:雷電放電時(shí)產(chǎn)生的強大能量會(huì )在瞬間轉化成大量熱能,會(huì )出現材料汽化、結構變形等現象。當雷電直接作用于航天系統結構或線(xiàn)纜上時(shí),甚至會(huì )出現燒蝕金屬蒙皮、熔斷線(xiàn)纜的情況。

        高電壓效應:雷電放電產(chǎn)生的高電壓、強電場(chǎng)會(huì )對絕緣材料、搭接結構等造成穿孔、破裂、變形等,直接破壞絕緣材料和結構,會(huì )在電搭接不良處時(shí)會(huì )產(chǎn)生火花。如果火花發(fā)生出現在火工電路或燃料系統附近,甚至可能引起爆炸,破壞性極強。

        強電流效應:雷電放電產(chǎn)生的強電流最高可達200 kA。但由于其電荷量較少,對于大的導電結構不會(huì )產(chǎn)生極強的熱效應和腐蝕作用,但由此引起的強脈沖磁場(chǎng)與強電流相互作用所產(chǎn)生的力,會(huì )導致結構撕裂或彎曲。如果系統關(guān)鍵線(xiàn)纜的載流量不夠,甚至會(huì )出現擊穿、打火,甚至爆炸。

        沖擊波效應:在主放電過(guò)程中,雷電放電通道內的空氣急劇加溫和迅速冷卻,在千分之幾秒的瞬間發(fā)生急劇的膨脹和收縮,從而產(chǎn)生沖擊波。強大的沖擊波會(huì )破壞運載火箭發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣口氣流的溫度、壓力和速度等性能的平衡,發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)在短時(shí)間內出現失效或降級。此外,雷擊時(shí)的沖擊波在一定條件下可能造成發(fā)動(dòng)機尾噴口處氣流收斂,造成燃燒室熄火,這對于處于飛行狀態(tài)的航天系統來(lái)說(shuō)具有致命的破壞影響。

    1.2 雷電間接效應

        當航天系統附近出現雷電放電現象時(shí),在雷電電磁場(chǎng)的空間輻射和電磁耦合的綜合作用下,系統內部會(huì )形成雷電感應電磁場(chǎng),并耦合產(chǎn)生雷電感應電流和感應電壓,影響電子電氣設備的性能,造成數據錯誤、定位失鎖、通信中斷等故障。

    以實(shí)際場(chǎng)地試驗為例說(shuō)明,美國在肯尼迪空間中心37號陣地在所開(kāi)展的雷電試驗中,通過(guò)雷擊勤務(wù)塔形成產(chǎn)生雷電間接效應,監測到在火箭不同高度產(chǎn)生了一定感應電壓。假定雷擊電流在2 μs內上升到最大值100 kA,則在勤務(wù)塔和火箭之間不同高度上的開(kāi)路測試電壓介于670 kV1130 kV之間。勤務(wù)塔平臺高度越高,其與運載火箭之間產(chǎn)生的感應電壓就越大。同時(shí),在臍帶塔、大地、運載火箭之間所構成的回路中也會(huì )產(chǎn)生相當的雷電感應電壓。由于磁場(chǎng)強度隨距離減弱和回路截面積減小,在臍帶塔和火箭間感應電壓要降低一半左右,但這樣的量級仍足以對運載火箭形成破壞。

    二、航天系統雷電破壞案例

        無(wú)論是雷電直接效應,還是雷電間接效應,當作用于航天系統上時(shí),都產(chǎn)生嚴重的破壞影響。在半個(gè)多世紀的世界航天發(fā)展史上,出現過(guò)多起由于航天系統直接或間接遭受雷擊,導致電氣設備故障,箭體結構損壞,甚至飛行失利的案例,以下為幾次典型的航天系統雷擊案例。

    1961年秋,部署在意大利攜有140萬(wàn)噸當量熱核彈頭的美國丘比特固體運載火箭在發(fā)射陣地多次遭雷擊,受到嚴重損壞。

    19691114日,美國利用土星V運載火箭發(fā)射阿波羅Apollo 12號宇宙飛船?;鸺痫w后36.5 s,飛行高度達到1920 m時(shí),遭受雷擊。起飛后52.5 s,飛行高度達到4300 m,遭受二次雷擊。宇宙飛船出現電源損壞、遙測信號消失、制導導航系統失效、平臺失控等問(wèn)題。宇航員及時(shí)切換了備用電源,才保證了飛行順利完成。

    三、航天系統雷電防護標準規范

        自上世紀60年代的Apllo事件之后,美國開(kāi)始重視航天系統的防雷問(wèn)題,開(kāi)展了大量的研究,并編制形成一系列航天防雷標準規范。在這些標準中,側重試驗的MIL-STD-1757A《飛行器雷電鑒定試驗技術(shù)》和側重防護設計的MIL-STD-1795A《飛行器雷電防護》作為航天防雷標準的模板被多個(gè)國家參考。在MIL-STD-464C《系統電磁環(huán)境效應要求》中,指出軍用系統不僅應做到系統內的所有分系統和設備之間是電磁兼容,還應做到與外部系統的電磁環(huán)境兼容,針對民用飛機出版的DO-160F《機載設備環(huán)境條件及試驗程序》標準中的Section22、Section23關(guān)于雷電試驗的描述對于航天系統的防雷工作也具有極高的參考價(jià)值。2000年左右美國SAE學(xué)會(huì )推出的SAE54XX系列標準分別對飛機雷電環(huán)境與雷電流波形、雷電防護要求、雷電分區方法、雷電試驗方法、雷電間接效應試驗流程進(jìn)行了詳細的規定,對于航天系統雷電防護有重要的參考價(jià)值。

    我國的航天防雷工作雖然開(kāi)展較晚,但是在短短幾十年取得了快速發(fā)展。在充分借鑒和吸收歐美等發(fā)達國家MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464等軍用標準的基礎上,在上世紀90年代,編制了GJB1804-93《運載火箭雷電防護》,對運載火箭的防雷設計提出了具體要求,同時(shí)該標準也提出了關(guān)于場(chǎng)地防雷、氣象防雷的具體要求和設計方法。另外,GJB1389A-2005《系統電磁兼容性要求》規定,對于雷電直接和間接效應防護要求的符合性“應通過(guò)系統、分系統、設備和部件級試驗、分析或其自合來(lái)驗證”,同時(shí)對雷電效應試驗波形參數進(jìn)行了描述。在GJB8848-2015《系統電磁環(huán)境效應試驗方法》中,也提出了對于地面系統的雷電試驗方法,可為航天系統雷電試驗提供參考。但是,由于缺乏大量研究數據的積累,我國還尚未制定出專(zhuān)門(mén)針對于航天系統防雷設計和雷電效應試驗的具體標準規范。

    四、運載火箭的雷電防護技術(shù)

        由于運載火箭在地面測試、轉場(chǎng)、發(fā)射待發(fā)及在大氣層飛行期間都存在遭受自然雷擊或誘發(fā)雷擊的可能,因此需要綜合考慮各種可能因素,從分析、設計、驗證等角度開(kāi)展防雷工作。對于運載火箭的雷電防護,通常采取“防雷為主”的防護思路。

    4.1 雷電效應數值仿真技術(shù)

        作為一種預測分析手段,雷電效應數值仿真技術(shù)能夠預測分析運載火箭遭受雷擊時(shí)所產(chǎn)生的破壞效應,從而指導防雷設計。美國自上世紀60年代啟動(dòng)航天系統防雷工作以來(lái),就同步開(kāi)展了雷電效應數值仿真研究,形成了雷電流數學(xué)模型、雷電電磁場(chǎng)計算模型、雷電場(chǎng)線(xiàn)耦合算法等,可針對雷電感應電磁場(chǎng)、雷電感應電流/感應電壓]進(jìn)行數值仿真分析。美國NASA、俄羅斯航天局等航天部門(mén)在上世紀70、80年代開(kāi)發(fā)了應用計算電磁學(xué)方法分析雷電效應的數值仿真程序,并編制了軟件,進(jìn)行航天系統雷電效應仿真研究。

    與西方發(fā)達國家相比,我國的雷電效應分析工作起步相對較晚,目前雷電效應分析技術(shù)還不算成熟,雷電效應分析精度還不算精確,目前還在發(fā)展摸索階段。但是,由于雷電效應仿真分析能夠在系統設計初期防雷設計性能進(jìn)行快速的預測評估,因此該技術(shù)近年來(lái)已越來(lái)越受到重視。國內的一些科研院所和高等院校如陸軍工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、解放軍第二炮兵工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京宇航系統工程研究所等單位通過(guò)課題研究、型號研制等方式也相繼開(kāi)展了航天系統雷電效應仿真研究工作。

    4.2 雷電防護設計技術(shù)

        美國在MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464C等軍用系列標準中詳細說(shuō)明了飛行器的防雷設計原則,對運載火箭的防雷設計具有重要指導作用。例如戰神火箭就參考這些標準提出了開(kāi)展直接雷擊和間接雷擊防護的要求,這些要求包括:分析雷電進(jìn)出點(diǎn)、對雷電可能的掃掠路徑加強的防護設計、設備間接效應防護等。針對地面電纜,美國軍方考慮到雷擊后,場(chǎng)地長(cháng)距離通信電纜可能會(huì )傳導大的雷電電流,研制了防雷通信電纜。同時(shí),美國NASA針對航天系統雷電防護還采取了一系列的措施,并進(jìn)行了雷電防護工程應用。在其火箭研制過(guò)程中,NASA首先需要針對研制對象開(kāi)展雷電分區設計,作為雷電防護設計的基礎。同時(shí),通過(guò)開(kāi)展雷電效應數值仿真分析,評估火箭在不同階段可能遭遇的雷電環(huán)境,預測雷電效應對于運載火箭可能產(chǎn)生的破壞影響。然后根據仿真分析結果,建立全系統雷電防護準則,確定防雷關(guān)鍵結構或設備并開(kāi)展雷電防護設計,其中包括對結構的直接效應防護和對設備或線(xiàn)纜的間接效應防護。針對雷電直接效應防護,主要考慮加強金屬結構的屏蔽性能,而對于屏蔽性能較弱的復合材料一般采取在結構外層涂覆金屬薄層的方法,同時(shí)在各金屬薄層之間使用導電性良好的搭接條以保證電氣通路的連續性。針對雷電間接效應防護,首先需要通過(guò)仿真分析確定可能耦合進(jìn)入火箭系統內部的雷電感應電磁場(chǎng)強度,以及設備或線(xiàn)纜耦合產(chǎn)生的雷電感應電流和感應電壓的量級。然后,根據內部電氣電子設備的性能指標確定設備的敏感度門(mén)限,并在設備端口采取雷電瞬態(tài)干擾抑制措施。值得注意的是,在火箭系統設計文件中要求設備敏感度門(mén)限(ETSL)應遠遠高于在設備內部實(shí)際產(chǎn)生的雷電瞬態(tài)干擾量級。最后,運載火箭雷電防護設計的性能還需要通過(guò)試驗進(jìn)行考核驗證。一般選取有可能暴露在外部雷電環(huán)境或容易受到雷電電磁耦合作用影響的復合材料樣件、關(guān)鍵設備、天線(xiàn)、連接器、線(xiàn)纜等部件開(kāi)展雷電效應試驗驗證,以考核火箭系統及其電氣設備自身的雷電防護設計性能。

        蘇聯(lián)航天部門(mén)依據多年的防雷經(jīng)驗,針對運載火箭雷電防護制訂了系統防雷設計研制規范,將雷電防護設計納入到火箭型號研制流程中,實(shí)現了防雷設計、工程實(shí)施和驗證反饋的有效閉環(huán)。該規范要求在航天系統在型號研制過(guò)程中,應首先從頂層制定全系統的防雷目標,然后再根據分系統特點(diǎn)對分系統防雷目標進(jìn)行分解,開(kāi)展相應的防雷方案設計和防雷措施實(shí)施,并在實(shí)施前后分別通過(guò)數值仿真和試驗驗證對防雷效果進(jìn)行預估和驗證,在不滿(mǎn)足要求時(shí)進(jìn)行反饋整改,最終實(shí)現滿(mǎn)足全系統防雷目標的要求。該項防雷設計規范曾成功應用于蘇聯(lián)某固體動(dòng)力運載火箭的研制。蘇聯(lián)航天部門(mén)還重點(diǎn)關(guān)注了材料雷電防護設計技術(shù)和設備雷電防護設計技術(shù)。對于金屬材料,采取加厚、加層、多層結構、設置分流條、涂導電涂層、金屬網(wǎng)等處理方法,加強材料抗雷擊的能力。對于復合材料,采取噴涂金屬粉末、加金屬層、多層結構的雷電防護方法。在設備防護方面,針對發(fā)動(dòng)機、電子設備及電纜和天線(xiàn)分別進(jìn)行防護設計。

    我國的運載火箭防雷設計技術(shù)在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗的基礎上,具體開(kāi)展的防雷設計措施主要分為四類(lèi):

       一是采用電搭接方法,將殼體表面易遭雷擊的部件與基本結構建立低阻抗連接,使雷擊電流能從進(jìn)入點(diǎn)順暢地流過(guò)殼體,并從泄放點(diǎn)回到大氣中;

       二是在遭雷電感應的電路上采用過(guò)壓保護技術(shù),使雷電流能迅速進(jìn)入泄放通道,避免對主用電路產(chǎn)生雷電脈沖危害;

       三是利用高電導率或高磁導率材料,對殼體表面電磁不連續部位,以及易感設備及其電纜進(jìn)行電磁屏蔽,防止雷電間接效應的影響;

       四是在信號線(xiàn)中采用減少雷電感應電壓的電路技術(shù),如采用光學(xué)耦合器件或去耦變壓器,消除電纜束的差模干擾或共模干擾等。雖然我國對運載火箭進(jìn)行了防雷設計,但是由于目前我國在火箭型號研制流程中尚未系統的考慮雷電防護,缺少數值仿真與試驗驗證環(huán)節,導致火箭防雷設計性能無(wú)法得到有效的評估和驗證,防雷工作與美俄相比還存在差距。

    4.3 雷電防護試驗驗證技術(shù)

         雷電試驗可能實(shí)現系統防雷性能的真實(shí)驗證,國外在航天系統型號研制過(guò)程中十分重視雷電試驗驗證技術(shù),投入了大量的財力和物力開(kāi)展雷電試驗條件的建設,并多次開(kāi)展雷電防護試驗驗證,積累了大量的數據和寶貴的經(jīng)驗,對于提升航天系統雷電防護能力有重大幫助。

    1982年,美國Clifford等人曾綜述了雷電模擬與試驗的研究進(jìn)展,這是早期雷電實(shí)驗系統的代表性綜述,將當時(shí)的雷電模擬能力與自然雷電特性進(jìn)行了對比驗證。1988年美國軍方就建立了紅石技術(shù)試驗中心,主要服務(wù)于美國陸軍武器裝備、航天系統的雷電試驗與評估,其規??梢员WC對帶有數千磅燃料的固體運載火箭進(jìn)行實(shí)彈試驗。1995年在紅石兵工廠(chǎng)技術(shù)試驗中心第五試驗中心的雷電危害試驗場(chǎng)進(jìn)行了運載火箭隔熱防護材料樣片的雷電試驗。1989年在美國猶他州Thiokol雷電綜合試驗中心進(jìn)行了航天飛機固體火箭推力器模擬雷電電流沖擊試驗。

          自上世紀60年代起,蘇聯(lián)也先后建成了多套高壓脈沖發(fā)生器和能夠開(kāi)展全系統級雷電試驗的設施,并配備了能產(chǎn)生高能量、大電流、高電壓的試驗裝置和對雷電參數進(jìn)行監測的測量設備。通過(guò)開(kāi)展單機、部段、縮比模型及系統級的雷電試驗,從而有效驗證了雷電防護性能,確保系統在采取防雷設計后能夠承受一定雷電效應的沖擊。俄羅斯實(shí)驗物理研究院下屬的高電壓研究中心和俄羅斯聯(lián)邦核中心均開(kāi)展有高壓和大電流的雷電模擬實(shí)驗。VNIIEF針對可移動(dòng)的雷電流注入試驗需求,采用了爆炸磁累積發(fā)生器技術(shù)產(chǎn)生大電流,前沿為微秒量級、峰值最高可達到160 kA。另外,VNIIEF還可在高壓靜電場(chǎng)環(huán)境下開(kāi)展雷電附著(zhù)點(diǎn)試驗。

         印度國防研究與開(kāi)發(fā)組織雷電試驗中心是印度軍方雷電模擬試驗基地,滿(mǎn)足MIL、SAE、FAR等標準雷電試驗要求。法國格拉瑪研究中心具有能夠開(kāi)展全尺寸雷電試驗的裝置,并開(kāi)展過(guò)整機雷電試驗。英國BAE公司研制了一款全威脅等級雷電模擬器,并用于以復合材料為主要結構的歐洲臺風(fēng)戰機和金屬機身的Nimrod MRA4偵察機雷電試驗,通過(guò)全尺寸、高量級的注入試驗為整機全系統及其內部雷電防護措施的制定提供了重要依據。

    目前我國尚未建設航天系統雷電試驗的條件,航天系統仍需借助其它領(lǐng)域試驗條件開(kāi)展雷電試驗研究。北京宇航系統工程研究所作為國內運載火箭主要研制單位,曾借助國內電力部門(mén)的試驗條件,對運載火箭艙段、電爆管、殼體結構分別開(kāi)展了最大80 kA的沖擊電流試驗和最大1400 kV的沖擊電壓試驗,另外對某地面系統開(kāi)展了最大20 kA的沖擊電流試驗和1200 kV量級的沖擊電流試驗,在一定程度上驗證了對于雷電直接效應的防護性能。另外,還針對運載火箭部分線(xiàn)纜和電氣電子設備開(kāi)展了雷電間接效應試驗研究,測試了運載火箭附近的雷電電磁環(huán)境,積累了雷電試驗經(jīng)驗。

    五、地面支持系統的雷電防護技術(shù)

        由于運載火箭在測試、轉場(chǎng)、地面待發(fā)時(shí)存在遭受自然雷擊的可能,因此在對運載火箭自身進(jìn)行雷電防護以外,同樣還需要考慮地面支持系統的防雷。對于地面支持系統的雷電防護,通常采取“避雷為主”的防護思路。

    5.1 雷電氣象監測預警技術(shù)

         雷電氣象監測預警是地面防雷系統的重要組成部分,一般是通過(guò)發(fā)射場(chǎng)氣象站對周?chē)睦纂姎夂蜻M(jìn)行監測,收集雷電氣候特征數據,進(jìn)行雷電氣象監測與預警,可為地面雷電防護提供參考。

         美國在1980年~1986年間通過(guò)在F-106B飛機上安裝雷電感應設備和雷電壓、雷電流測試設備,使該飛機在真實(shí)飛行狀態(tài)下進(jìn)入雷暴區,在數百次遭受雷擊的情況下獲得了大量雷電氣象數據。通過(guò)研究雷暴活動(dòng)和大氣電場(chǎng),以便找到更好的方法進(jìn)行更準確和及時(shí)的預報,最大限度地減少雷電發(fā)生時(shí)可能帶來(lái)的損失。在卡納維拉爾角航天發(fā)射場(chǎng)建立由發(fā)射場(chǎng)雷電預警系統、云對地雷電偵察系統以及閃電探測與測距系統構成雷電氣象系統,進(jìn)行對發(fā)射場(chǎng)區的實(shí)時(shí)監測與預警。在美國肯尼迪的航天發(fā)射場(chǎng),雷電氣象監測系統可以實(shí)現125英里或75海里范圍內的雷電定位,并且能夠實(shí)現在航天場(chǎng)區30英里范圍內的精確定位。同時(shí)能夠根據地面大氣電場(chǎng)的變化,對火箭發(fā)射過(guò)程中是否有可能觸發(fā)雷擊進(jìn)行預測,并根據大氣電場(chǎng)的變化情況給出雷電氣象預警??夏岬虾教彀l(fā)射場(chǎng)的氣象辦公室還針對雷電氣象特點(diǎn),進(jìn)行雷電預警方案設計,提出八項針對于潛在雷電氣象的發(fā)射否決條件。

         蘇聯(lián)通過(guò)在云層密級時(shí)發(fā)射探空氣象火箭的方法,監測空中大氣電場(chǎng)的變化,同時(shí)在地面沿火箭軌跡布置監測設備,測試地面大氣電場(chǎng)值。通過(guò)多次發(fā)射統計火箭誘發(fā)雷擊的概率。

         對于我國沿海地區的航天發(fā)射場(chǎng)來(lái)說(shuō),雖然國內現有的地面雷電防護技術(shù)已經(jīng)能夠基本滿(mǎn)足防雷的需求,但是與國外沿海地區的航天發(fā)射場(chǎng)相比可以看出雷電防護設計手段還存在一定的差距,雷電防護措施還不夠完善,對于運載火箭在海面或地面的雷電防護措施考慮還不夠周全,因此需要針對沿海地區的特點(diǎn)對地面雷電防護技術(shù)進(jìn)行提升。

    我國在內陸航天發(fā)射場(chǎng)建立一套由天氣雷達數字化處理系統、衛星云圖數字化處理系統、大氣電場(chǎng)儀系統、雷電探測系統、雷電定位系統、中心工作站等7個(gè)部分組成的雷電氣象監測和預警系統。對于內陸雷電現象不算頻繁的情況,基本能夠滿(mǎn)足內陸航天發(fā)射場(chǎng)雷電氣象監測與預警要求。但是對于雷電氣象變化頻繁的沿海發(fā)射場(chǎng),現有的技術(shù)還不能夠完全滿(mǎn)足要求,國內現有的雷電監測預警系統還不能實(shí)現大范圍雷電氣象預警和臨近雷暴天氣的快速預測,雷電氣象監測和預警能力還達不到國外航天發(fā)射場(chǎng)的能力,技術(shù)水平有待進(jìn)一步提高。

    5.2 地面雷電防護技術(shù)

    5.2.1 傳統地面防雷技術(shù)

         在發(fā)射塔架上設置獨立的避雷針,能夠避免航天系統在發(fā)射準備階段直接遭受雷擊的情況。通常在雷雨天氣,當空中出現帶電云層時(shí),避雷針尖端將感受到大量電荷。當云層上電荷較多時(shí),避雷針與云層之間將形成通路,其良好的接地性能,可以把云層上的電荷導入大地,從而保護航天發(fā)射場(chǎng)及待發(fā)狀態(tài)飛行器的安全。避雷網(wǎng)是通過(guò)在發(fā)射塔架附近,按照滾球法防雷原則建立三、四座獨立的避雷塔,將發(fā)射塔架置于中心,以此形成避雷網(wǎng)系統。

        美國卡納維拉爾角航天發(fā)射場(chǎng)的沿海發(fā)射工位采用了三座大型避雷塔,塔尖之間由金屬鋼絲相互連接構成五邊形避雷網(wǎng)形成地面防護。

    蘇聯(lián)時(shí)期建設的航天發(fā)射場(chǎng)采用了建立獨立避雷塔方案,其中拜科努爾發(fā)射場(chǎng)設有兩座225 m高的避雷塔和四座125 m高的照明燈塔,見(jiàn)圖7所示。質(zhì)子號火箭200號發(fā)射區有兩個(gè)發(fā)射臺,每個(gè)發(fā)射臺場(chǎng)坪上都建有兩座高110 m的避雷塔,每座避雷塔距發(fā)射場(chǎng)坪55 m。普列謝茨克等其它發(fā)射場(chǎng)也采用了相似的地面支持系統避雷設計方案。

         在法屬圭亞那航天中心內,阿里安第一、二發(fā)射場(chǎng)采取了在發(fā)射塔架上安裝避雷針的方法,而第三發(fā)射場(chǎng)則采取了設置避雷網(wǎng)的方法,即在火箭總裝廠(chǎng)房屋頂安裝四根避雷針和設置獨立避雷塔,各避雷塔頂端同樣用金屬鋼絲連接。

    我國現有的內陸航天發(fā)射場(chǎng)目前主要采取“三塔”構成避雷網(wǎng)系統的防雷模式。例如太原發(fā)射場(chǎng)和西昌發(fā)射場(chǎng)第一發(fā)射工位都設置了三座125米高的獨立避雷塔。西昌發(fā)射場(chǎng)第二發(fā)射工位設置了三座170米高的獨立避雷塔。每?jì)勺芾姿g的保護角度均不大于45度,并由這三座獨立的避雷塔構成發(fā)射場(chǎng)區的避雷網(wǎng)系統。由于內陸地區雷電氣象不算頻繁,因此這種地面場(chǎng)區避雷網(wǎng)技術(shù)可以使運載火箭在地面躲避絕大部分的自然雷擊。

    5.2.2 新型地面防雷技術(shù)

        傳統的固定式避雷裝置在受到雷擊時(shí),會(huì )在避雷針、引下線(xiàn)和接地導體中流過(guò)瞬態(tài)強電流,在周?chē)臻g激發(fā)強烈的輻射電磁場(chǎng),在受保護物體上產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓或大電流或抬升地電位而產(chǎn)生反擊,致使設備受到干擾,甚至完全損壞。同時(shí),雷電流引起的接觸電壓和跨步電壓?jiǎn)?wèn)題也不容忽視。近年來(lái),國內外在其他地面防雷方法上也開(kāi)展了研究,一些新技術(shù)得到了發(fā)展,其中包括火箭引雷、激光引雷、提前接閃避雷、主動(dòng)消雷等技術(shù)。

    通過(guò)人工方式引雷的進(jìn)行地面防護的思想最初是由Brook等人提出。1967年,美國的Newman等人在佛羅里達首次完成了火箭引雷試驗。1977年,我國首次成功實(shí)施火箭引雷試驗。近十年,國內例如中科院、陸軍工程大學(xué)等單位也開(kāi)展了相關(guān)的研究,并成功實(shí)現了火箭引雷試驗?;鸺准词褂眯』鸺隣恳粭l金屬絲直接發(fā)射到雷云中,誘發(fā)產(chǎn)生雷擊的條件,達到人工引雷的目的。

         1974年,在火箭引雷的啟示下,美國的Ball提出激光引雷的概念。1994年,中國引入激光引雷的地面防雷思路。激光引雷采用激光“電離和熱化”空氣中的物質(zhì),形成光電通道和高溫氣體,誘發(fā)雷云電荷沿著(zhù)光電通道提前放電,把雷電引向防雷裝置,控制落雷點(diǎn),消除直擊雷的危害。

         1995年,法國研制出提前接閃避雷思路的避雷產(chǎn)品。2000年,基于提前接閃避雷思路的主動(dòng)避雷技術(shù)引入國內,相對于傳統的避雷技術(shù),由于提前放電型避雷針利用雷云在空中感應的電場(chǎng)強度,使針頭的感應電極與針尖之間產(chǎn)生強烈的火花放電,使針頭周?chē)諝怆婋x,在電場(chǎng)的作用下形成一條向上的雷電先導,使迎面先導提前與下行先導相遇,形成主放電通道,從而實(shí)現主動(dòng)避雷的目的。

    5.2.3 接地技術(shù)

        對航天地面支持系統的接地,主要是考慮避免在地面遭受自然雷擊,或降低雷電直接擊中航天發(fā)射場(chǎng)引起的損害,在發(fā)射場(chǎng)設置均壓接地網(wǎng)。這樣既可保證航天發(fā)射場(chǎng)在遭受雷擊時(shí)能夠為雷電流提供一個(gè)直接到大地的低阻抗通路,短時(shí)間內將雷電流釋放到大地,不會(huì )危及航天系統及其地面輔助設備。航天發(fā)射場(chǎng)需要根據GJB1696-93《航天系統地面設施電磁兼容性和接地要求》進(jìn)行地面支持系統均壓接地網(wǎng)的設計。

         近二十年,隨著(zhù)工藝技術(shù)的發(fā)展,新型接地材料技術(shù)的日趨成熟,為接地工程的設計和使用提供了更多的選擇。比如:考慮低電阻的銅包鋼接地極、離子接地極等;考慮地網(wǎng)結構和穩定的防熱焊技術(shù)及產(chǎn)品;考慮綜合性?xún)r(jià)比高的接地模塊;考慮使用壽命的帶陰極保護的鋅包鋼接地極、鋅包鋼離子接地極等;考慮地網(wǎng)快速布撤的金屬、石墨柔性接地和采用導電液釋放雷電流的流體接地方式等。

    六、我國航天系統雷電防護技術(shù)展望

         我國海南沿海地區的航天發(fā)射場(chǎng)已經(jīng)建成投入使用,我國新型的運載火箭已經(jīng)在沿海發(fā)射場(chǎng)執行任務(wù)。由于沿海地區存在雷電氣候變化頻繁的特點(diǎn),所面臨的雷電環(huán)境將更加嚴酷。因此還需要進(jìn)一步開(kāi)展系統防雷研究工作,提升現有的防雷技術(shù)手段,以應對更加復雜的雷電環(huán)境。對我國航天系統防雷技術(shù)進(jìn)行展望,可以從以下幾方面開(kāi)展工作:

    (1)以型號為依托開(kāi)展防雷設計流程研究

         制定雷電防護要求,就需要充分了解運載火箭可能經(jīng)歷的雷電環(huán)境。開(kāi)展型號雷電防護設計時(shí)需要根據其自身的特點(diǎn)開(kāi)展設計,并能進(jìn)行防護設計效果的驗證。目前我國航天型號在防雷設計上,主要借鑒以往的設計經(jīng)驗,沒(méi)有明確指出防雷設計指標的涵義,并且很少對設計性能進(jìn)行考核驗證,很難達到型號防雷設計的閉環(huán)。在這方面,可以借鑒國外先進(jìn)的經(jīng)驗,將雷電設計真正融入型號研制流程,使防雷設計真正服務(wù)于型號,應用于型號。

    (2)系統規范航天雷電技術(shù)標準

         世界各國都很重視航天領(lǐng)域的雷電防護工作,個(gè)別部門(mén)還制定了詳細的防雷標準規范。目前,我國航天領(lǐng)域僅有GJB1804-1993《運載火箭雷電防護》,且僅提出了比較寬泛的防雷設計思路,沒(méi)有詳細描述設計指標的條件,缺乏相應的防雷試驗標準。另外對于地面支持系統的防雷也缺乏相應的標準規范。因此,未來(lái)需要在這方面開(kāi)展工作,制定出適用于我國航天系統的雷電防護標準規范。

    (3)開(kāi)展全系統雷電效應數值仿真分析研究

        仿真作為一種當前受到廣泛應用的分析方法,能夠進(jìn)行初步的預測評估。雷電仿真同樣能夠在型號研制初期,對系統防雷性能進(jìn)行初步分析和整體評估。當前的雷電仿真多是從“場(chǎng)”的角度進(jìn)行研究,很少考慮到系統的電路特性,因此仿真得到結果與實(shí)際情況還存在一定的差距。由于電磁問(wèn)題與電路問(wèn)題本身就可以實(shí)現相互的轉化,因此后續在開(kāi)展雷電仿真分析時(shí)還應結合航天系統集總電路的影響,將“場(chǎng)”分析與“路”分析相結合,可以得到更準確的雷電效應預測分析結果。

    (4)開(kāi)展雷電試驗技術(shù)研究和驗證條件建設

         開(kāi)展雷電試驗驗證是發(fā)現系統潛在問(wèn)題,驗證產(chǎn)品雷電防護性能最有效的手段。面對航天型號提出的防雷性能指標要求,雷電試驗驗證手段的缺乏將會(huì )成為制約型號順利完成研制任務(wù)的因素。

         國內航天領(lǐng)域在雷電防護驗證手段上一直存在空白,且沒(méi)有雷電試驗條件用于開(kāi)展防雷性能的驗證分析。需要建設符合航天型號需求的雷電試驗條件和雷電試驗設備。對于防雷設計技術(shù)在航天型號推廣應用中遇到的難題,應集中開(kāi)展研究和試驗,可以向航空部門(mén)學(xué)習,以單機、縮比模型、部段、復合材料等為起點(diǎn),開(kāi)展小型雷電試驗,解決型號雷電防護共性問(wèn)題。在試驗技術(shù)成熟時(shí),再建立系統級雷電實(shí)驗室和野外試驗場(chǎng),針對航天系統開(kāi)展全系統雷電試驗。

    七、結束語(yǔ)

        航天的發(fā)展關(guān)乎一個(gè)國家的戰略發(fā)展,是一個(gè)國家綜合實(shí)力的體現。航天系統的雷電防護技術(shù)水平,關(guān)乎到系統的全天候能力。在國防建設的重要時(shí)期,應高度重視航天系統的防雷工作,應大力發(fā)展防雷技術(shù),對于提高我國航天系統對于復雜電磁環(huán)境的適應性,確保發(fā)射任務(wù)成功意義重大。

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