高功率电磁环境效应下舰船桅杆内部电磁脉冲仿真分析

裴高飞,崔晓斌,李戴维,陈 鑫

(中国电子科技集团第二十八研究所,江苏 南京 210007)

近年来,在我国东南海域也曾多次出现舰载雷达装备遭遇雷电事故[1],严重阻碍了设备的全天候工作。在雷达雷电防护设计领域,匡本贺[2]分析了雷达直击雷防护装置技术要求;潘锴等[3]给出了新雷达综合防雷设计方案;孙旭光等[4]提出主动式防雷器是雷达雷电防护最为有效的方案。这些方案,在雷达雷电防护领域得到了一定程度的应用,但对于舰船的桅杆内部电磁环境效应的研究较少,依据不足。

之于舰船,雷电间接效应防护技术研究是舰船雷电防护的重要组成部分,由于桅杆高度较高,桅杆为便于设备维护还开有窗,大量工程实践表明,孔口一直是影响舱室电磁防护的薄弱环节[5-6],导致雷电间接效应所造成的影响主要集中于桅杆体上。本文主要通过大量数值计算,分析雷电磁脉冲环境下舰船桅杆内部的电磁环境。

随着人类社会文明的不断进步,船舶工业也得到了快速发展。舰船的结构、装备、性能等都是日新月异,舰船及其桅杆所使用的材料发展过程主要有以下3个阶段:木质、钢铁、复合材料。钢铁由于自身的坚固性取代了传统的木材,并得到了广泛应用;随着科技步伐的迈进,舰船上的先进设备层出不穷,而舰船上钢材质桅杆突出在外,会对舰船上的天线系统产生干扰,且由于桅杆突出在外,处于水分含量较高的海面,极易被腐蚀,因此复合材料桅杆开始在舰船航海工业上应用。

舰船桅杆高度较高且桅杆上载有的电力设备相对集中,因此导致雷电间接效应所造成的影响较为严重。本文主要以舰船桅杆模型为例,分析雷电流泄放于避雷针、雷电流泄放于桅杆底部平台,及泄放于底部平台复合材料桅杆3种情况下,桅杆内部的瞬变电磁场分布,求解器所计算的数据为桅杆内部设备布局提供理论指导。

1 模型建立

1.1 桅杆模型的建立

目前,复合新型材料在舰船工业上应用越来越广泛[7-8],在大型舰艇的非关键性部件或中小型舰艇上复合材料技术已得到大量运用。本文研究的桅杆主要包括纯钢结构、复合材料结构两种,对其内部电磁场分布进行仿真计算。桅杆模型参照有关设计规范进行建立,所建桅杆模型如图1所示。

图1 舰船桅杆仿真模型

图1中,桅杆底座为9 m×10 m的舰岛,顶面为纯钢结构;桅杆结构为底部边长2.8 m、顶部1.4 m的八棱柱;桅杆中部和上部分别开有1.7 m×1.5 m、1.1 m×0.5 m两个窗口,便于为设备供电及电缆束布设;顶部为舰船上所用天线。

1.2 仿真频率范围的选取

由于舰船雷电间接效应的相关标准较少,本文参照飞机雷电间接效应的仿真实验的相关标准,对舰船桅杆雷电间接效应进行各项参数设置。由于雷电脉冲产生的电磁波耦合到舰船桅杆内部后会发生谐振,会有新的高频分量在桅杆内部作用。GJB 1389A—2005标准[9]表明,对于飞机雷电间接效应测试来说,其频率范围为0～10 MHz。因此本文中桅杆内部雷电间接效应仿真应主要分析0～30 MHz频率范围内的电磁场强度。舰船桅杆闪电间接效应仿真时间与激励源持续时间保持一致,本文取200 μs,在时域范围进行求解。

1.3 网格剖分参数设置

仿真计算的速度与网格的数量密切相关,网格的数量与所设定的网格域有关,包括所设置激励源的持续时间、所分析雷电的频率范围等有关。网格剖分的越细致,所计算的结果误差越小,越趋于实际,但网格数量、计算量都会急剧增加,使得计算速度变慢,对计算机的性能、配置要求也比较高,甚至会导致仿真失败。故而,在进行网格大小的设定时,应保证仿真结果在误差允许范围内时,适当调整网格大小,使得仿真达到预期效果。

1.4 激励源的选择

根据相关标准GJB 1389A—2005,闪电环境的电流波形如图2所示。

图2 直接影响测试的电流分量A～D

除了分量A、Ah、B、C、D外,还有D和D/2组成的多回击(MS)、分量H的一连串脉冲组成的多脉冲(MB)。本文分析舰船桅杆雷电间接效应,雷电流采用A分量,该分量的波形为双指数波(见图3)。

图3 A分量电流波形

雷电流的表达式为

i(t)=i0(e-αt-e-βt)

(1)

式中,i0=218 810 A,α=11 354 s-1,β=647 265 s-1。

雷电流上升时间tr:从峰值的10%上升至90%所经历的时间,tr≈3.7 μs;半峰值宽度thw:从上升沿峰值的50%至下降沿峰值的50%所经历的时间,thw≈65 μs。本文中雷电流波形取200 μs,波形如图4所示。

图4 激励源波形

在舰船桅杆雷电间接效应计算中,采用雷电流注入仿真模型中的方法进行计算,在模型注入雷电流激励,将产生垂直的电场,即在激励源的四周产生磁场分量[10](见图5)。

图5 雷电流激励示意图

磁场分量的计算式如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

2 舰船桅杆雷电间接效应分析

2.1 避雷针接闪雷电间接效应分析

通过雷电先导发展模型舰船避雷针接闪试验评估体系,通过大量先导放电计算所得结果中发现,在某一特定计算区域内,经合理设计的避雷针是雷击概率最高的位置,因此本节以此状态为例,研究在此状态下,舰船桅杆的雷电间接效应。钢材质桅杆属于应用较为广泛的桅杆,当舰船桅杆腔体遭受雷电袭击时,雷电磁脉冲将沿着桅杆壁,经船体泄放于大海;为了分析雷电流对舰船舱室内部设备所造成的电磁干扰,本节建立了桅杆上避雷针接闪的数值计算模型(见图6)。

图6 舰船桅杆接闪仿真模型

计算分析了桅杆内部工作平台上在雷电磁脉冲环境下所能感应到的电场、磁场强度。根据桅杆的结构特点,为研究雷电对其内部电磁场强度的影响,建立直角坐标系。将桅杆内部电磁场探测点设置在中心轴上,其坐标分别为(0,0,1)、(0,0,3)、(0,0,5)、(0,0,7)、(0,0,9)、(0,0,11),桅杆沿Y轴方向剖视图可见内部探测点设置如图7所示,在各点上分别探测出雷电磁脉冲环境下各点处的电场强度、磁场强度。

图7 桅杆内部探测点设置

在避雷针尖端注入雷电流,仿真计算桅杆内部中心轴处不同高度各探测点上的电磁场波形(见图8～图13)。

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

当避雷针接闪时,对于钢材质桅杆,雷电流经桅杆壳体对舰船壳体及大海进行泄放,泄放过程中桅杆内部产生较强的电磁脉冲场,桅杆内部各点处电磁场峰值见表1。

表1 避雷针接闪桅杆内部电磁场峰值

通过仿真结果可知,当雷击桅杆上避雷针时,桅杆内部不同高度处感应的电磁场强度的差异很大,尤其是桅杆内部的电场强度,在不同的高度处电场强度差异尤为明显,在底端(0,0,1)电场强度约为2.58 kV/m,而在桅杆中心部位则高达28 kV/m,雷击点位于接闪器时,桅杆内部电磁场会受到很大影响,尤其是在桅杆开窗较大的部位,耦合的雷电电磁脉冲场越大;在高度方向,由于中部开有窗口,桅杆内电场强度呈现中间大两头小的特性。桅杆内部各探测点上的磁场强度大致随着高度的增加而增加,在桅杆底端磁场强度最小,约为0.51 A/m,在桅杆顶端磁场强度最大。可见,当舰船遭遇雷击时,放置在窗口及桅杆高处的设备受雷电电磁环境的影响较大,安放在此处的设备上应进行有针对性的防护设计,减小雷电的影响。

2.2 雷击甲板雷电效应分析

本节建立了雷击桅杆甲板尖端的数值计算模型(见图14)。在雷击桅杆底部平台桅杆舱室内雷电间接效应计算中,采用雷电流注入的方法进行计算,雷击点位于桅杆底部平台边缘上,距离桅杆中心轴12 m处。仿真计算了雷击甲板时,桅杆材质对其内部电磁场分布的影响;分析了钢材质、复合材料桅杆内部电磁场分布的变化规律。

图14 雷击甲板仿真模型

1)钢材质桅杆雷电磁环境分析。

当落雷点位于舰船桅杆周围时,一方面流过雷击通道的雷电流会在周围产生强的雷电电磁脉冲环境,会影响安装在桅杆内部的电子、电气设备的正常工作;此外,当雷电击中桅杆附近的甲板时,雷电流会经舰船壳体向大海散流,会在船体表面产生瞬时大电流分布,并通过舰船上的孔缝、窗口耦合到船舱、桅杆内部,产生较强的电磁干扰骚扰,影响设备正常工作。

按照图14所示,在舰船甲板上注入雷电流,仿真计算桅杆内部中心轴处不同高度上各探测点的电磁场波形(见图15～图20)。

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

雷击舰船甲板上时对桅杆内部电磁场分布的影响,经计算分析桅杆内部各探测点处电磁场强度峰值见表2。

表2 雷击甲板时钢材质桅杆内部电磁场峰值

通过仿真结果可知,当雷击在该舰船桅杆附近时,桅杆内部不同高度处感应的电磁场强度的差异很大,尤其是桅杆内部的电场强度,在不同的高度处电场强度差异尤为明显,在底端(0,0,1)电场强度约为2.2 kV/m,而在桅杆中心部位则高达21～25 kV/m,可见,近距离雷电磁脉冲对舰船桅杆内部的电磁场强度的影响十分严重。对比雷电直接击中避雷针接闪器的雷击现象,所产生的电磁场强度较小。

2)复合材料桅杆内部雷电磁环境效应分析。

随着复合材料技术的不断发展,使得复合材料在舰船工业上得到极大应用,作为舰船上较大、较突出的建筑物-桅杆的材质也逐步由复合材料替代传统的钢质。当雷电流击于复合材料桅杆底部平台上时,在桅杆内部轴线各探测点上分别探测出各点处的电场强度、磁场强度(见图21～图26)。

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

a) 电场波形

脉冲电流泄放时,复合材料桅杆内部各探测点处电磁场强度峰值见表3。

表3 复合材料桅杆内部电磁场峰值

通过仿真结果可知,当雷击在该舰船桅杆附近时,复合材料桅杆内部高处感应出较强的电磁场,尤其在桅杆顶端(0,0,11)点处,电场强度高达1.5 MV/m,其对桅杆内部设备的危害性将十分严重。在该复合材料内部电场强度计算中发现,随着探测点高度的增加,探测点上电场强度具有明显增大的整体趋势。但在桅杆窗口附近(0,0,5)、(0,0,7)处电场强度变化不符合增大趋势,主要原因可能是由于舰船窗口的影响,两处窗口的大小影响舰船桅杆内部场强大小。不同高度处感应的电磁场强度的差异很大,尤其是桅杆内部的电场强度,在不同的高度处电场强度差异尤为明显,在底端(0,0,1)电场强度约为2.2 kV/m,而在桅杆中心部位则高达21～25 kV/m,可见,近距离雷电磁脉冲对舰船桅杆内部的电磁场强度的影响是相当严重的。

磁场计算结果相对稳定,各探测点上的磁场值均在1.65 kA/m上下范围之内浮动,在桅杆顶端略有增大趋势。

3 结语

本文主要分析了高功率电磁环境(雷电环境)对舰船桅杆内部的影响,通过大量数值仿真计算出桅杆内部不同高度点处的电磁场强度,主要表现如下。

1)当雷击附着点在甲板尖端时,雷电间接影响相对雷击附着点在避雷针时较小。

2)复合材料桅杆较于钢铁材质桅杆其雷电环境下,电磁环境影响较大。

通过大量数值计算,能够为桅杆内部雷电间接效应防护提供可靠数据,并为舰船桅杆内部设备布设提供工程指导。