一种水面舰艇避雷针设计方案

王 萌，宋 鑫

(中国舰船研究院，北京 100192)

一种水面舰艇避雷针设计方案

王 萌，宋 鑫

(中国舰船研究院，北京 100192)

提出一种适用于水面舰艇的避雷针设计方案，在尽量不影响桅顶天线正常工作的情况下，实现与桅顶天线一体化设计，具有体积小、重量轻、便于工程实施等优点，可在水面舰艇防雷电设计工作中推广应用。

水面舰艇；避雷针；一体化设计

0 引 言

在海洋环境下，雷电对水面舰艇的人员以及设备的安全性构成重大威胁，近几年已经发生过多起雷击事件，造成一定的损失,因此避雷针的设计也引起越来越高的重视。目前市场上商用的避雷针产品已经比较普及，但是在水面舰艇上，由于空间有限，并且设备众多，导致无法直接采用成熟的避雷针产品，需要根据每一型舰的特点进行有针对性的设计。

我国新研制的驱逐舰，设备集成化程度高，舰面天线众多，小桅上密集分布大量天线，桅顶天线体积大、重量重，桅顶不具备单独安装避雷针成熟产品的技术条件；同时，由于水面舰艇所处的环境条件，对避雷针的防风、振动、疲劳寿命等技术特点提出了更高的要求，因此，作者开展一体化、集成化设计，形成避雷针与天线一体化设计方案，节约空间，减轻重量，并且非常便于安装，是一种工程应用中较理想的避雷针设计方案。

1 避雷针设计高度与防护范围评估

根据GJB 4000-2000 (舰船通用规范)[1]，单根避雷针保护范围确定方法如下：

(1)

(2)

式中：rx为hx高度保护半径；h为高度；ha=h-hx为避雷针有效高度。

式中rx和hx是已知量，根据rx和hx可以得出避雷针的高度h。

根据桅顶天线的半径，并综合考虑舰上保护范围，设计避雷针有效高度h=2.15 m。

2 避雷针对桅顶天线方向图的影响

避雷针对桅顶天线影响可参照美国标准[2]:

1)没有装避雷针天线方位精度:有天线自身引起的15 Hz最大方位误差不应超过8°，而135 Hz最大方位误差不应超过1.5°，并且在0°-360°水平全方位范围内，以及在2°-10°的仰角范围内均应满足以上2个要求。

2)对装避雷针天线方位精度:由避雷针引起的135 Hz最大方位误差在任何区域内都不超过1.5°，同时由所有因素造成的总误差最大不超过3°；由避雷针引起的15 Hz最大方位误差不超过2°，同时由所有因素造成的总误差最大不超过10°。

为了满足技术标准的要求，需要通过仿真分析避雷针对桅顶天线方向图的影响，以避免因为加装避雷针而导致桅顶天线出现不可接受的性能下降。避雷针设计如图1所示。

图1 避雷针设计示意图Fig.1 The protection area of single lightning rod

从图1可看出，rx反映避雷针与天线的距离，通过式(1)和式(2)可以看出，rx与避雷针高度h成正比，因此为了降低避雷针高度，应尽可能地减小rx。图2是避雷针到天线距离分别为0.1 m和0.3 m时天线的归一化增益值与天线在无避雷针时的归一化增益值的比较结果图。

图2 增益归一化比较Fig.2 The protection area of double same height lightning rods

天线的辐射方向图是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化，在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数[3]，方向图是天线的一个重要指标。通过图2可以看出，当L=0.1 m时，在部分角度增益下降较大，会影响通信距离；当L=0.3 m时，天线在各个角度的增益下降比较均衡，对天线性能的影响比较小，工程应用中可以接受。

3 避雷针结构强度仿真分析

通过上面分析计算，可以得出避雷针的高度、防护范围等基本参数，但是舰载避雷针应满足舰艇环境条件要求，其材质、结构强度等指标需要通过仿真分析加以确定。

避雷针安装于船最高处，对避雷针结果强度影响最大的就是海面风，避雷针应满足的风速计算公式如下：

(3)

式中：Uz为Z高度处的风速；Z为高度；U10为距海平面10 m处的风速值。

根据国军标，12级风海平面10 m处的风速值[4]52 m/s,因此舰艇的环境条件要求可计算得出

UZ≈70 m/s。

避雷针材质参数如下：

1)玻璃钢材料。弹性模量20.9 GPa；泊松率0.34；密度2.0。

2)铜棒材料。弹性模量110 GPa；泊松率0.34；密度8.39。

通过仿真分析，可以得出避雷针的杆变形如图3所示。

图3 避雷针形变图Fig.3 The protection area of double different height lightning rods

通过图2可以看出，避雷针与天线的距离设计为0.3 m，通过图3可以看出，在最大风速情况下，避雷针最大形变不超过0.3 m的设计距离，因此不会出现恶劣天气下，避雷针碰触桅顶天线的情况，可以确保避雷针和桅顶天线的物理安全。

4 引下线与接地装置

完整的避雷针设计方案包含接闪器、引下线和接地装置。

按照国军标要求，引下线为2根截面积70 mm2的铜线，外面包裹绝缘材料。引下线与避雷针在支撑杆内部穿行，并与避雷针连接。引下线另一端通过天线安装座以及安装架，并由安装架实施固定。安装时，安装架与小桅内部的2根引下线焊接、固定，然后避雷针与天线一起安装于小桅顶端。

舰艇的主船体应设置2个接地柱，分别与2根引下线牢靠焊接，并在焊接点进行防腐工艺处理。雷电接地柱应与其他接地装置远离，并且应严格避免引下线与其他电缆交叉放置，防止出现感应电流。

5 结 语

本文作者通过深入研究提出一种舰用避雷针与桅顶天线的一体化设计方案，并根据国军标要求，分析避雷针的。

[1] 舰船通用规范 3组 电力系统[S].GJB 4000-2000(3).

[2] Antenna Group Tacan[S].MIL-A-29505 OE-273(V)/Urn.

[3] 魏文元，宫德明，陈必森.天线原理[M].

[4] 舰船通用规范(总册)[S].GJB 4000-2000(3).

The lightening rod and the antenna incoprate project for surface warship

WANG Meng,SONG Xin

(China Ship Development and Research Institute，Beijing 100192,China)

This paper presents a suitable lightning rod for surface warship, as much as possible without affecting the masthead antenna work. The lightning rod is integrated designed with masthead, with small size, light weight, convenient construction. This program suitable to use in surface warship.

surface warship;lightening rod;incoprate project

2014-02-24;

2014-03-06

王萌(1980-)，男，高级工程师，研究方向为电磁兼容，雷电防护。

TM862

A

1672-7649(2014)12-0170-02

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.039