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      航天系統雷電防護技術發展綜述及展望

      發布時間:2021-06-10  

      航空防雷 | 航天系統雷電防護技術發展綜述及展望

      摘要:為滿足航天系統的全天候發射任務需求,加強航天系統對于雷電環境的適應性,對航天系統雷電防護技術的發展情況進行了綜述。首先分析雷電環境對于航天系統產生的破壞效應,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、雷電防護設計技術和試驗驗證技術,雷電氣象監測預警技術,地面雷電防護技術和接地技術等關鍵技術的發展情況進行了追蹤。在此基礎上,從我國航天工程雷電防護的實際需求出發,對未來我國航天系統雷電防護技術重點研究方向進行了展望。

       關鍵詞: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的大氣放電現象,能在瞬時產生巨大的能量,其作用于物體上時會產生巨大破壞影響。自人類航天活動開始之日起,國內外就發生過多起由于雷擊引起航天系統故障,甚至造成發射失利的案例。針對運載火箭為主要防護對象的航天系統來說,在一次完整的發射流程中火箭要經過廠房測試、轉運、待發以及發射等多個階段,在各個階段都存在遭受雷擊的風險。因此航天系統有必要進行全流程雷電防護,同時通過開展防雷技術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時可能面臨的雷電環境;另一方面是針對運載火箭在飛行過程中的防雷,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可能遭遇或誘發的雷電環境。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,開展了大量研究,雷電防護技術得到了大力發展,有效提升了航天系統整體的防雷性能。近年來,隨著國際上對于全天候發射需求的與日俱增,傳統的躲避雷電天氣選取發射窗口的方式已不再適應于當前的航天發展形勢,在國內外激烈的競爭環境中,要求航天系統在各類環境中都應具備較高的性能,提升航天系統對雷電環境的適應性顯得越發重要。因此,當前亟需總結創新,加大防雷技術的發展力度,進一步提升航天系統雷電防護技術水平。

           本文首先分析了雷電環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發展情況,針對運載火箭雷電效應數值仿真技術、設計技術和試驗技術,雷電氣象監測預警技術,地面雷電防護技術和接地技術等關鍵技術的發展情況進行了追蹤。最后在此基礎上,從我國航天工程雷電防護的實際需求出發,對未來我國航天系統雷電防護技術重點研究方向進行了展望。

      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生的電磁場耦合對電子電氣設備所產生的破壞性影響。

      1.1 雷電直接效應

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

          高電壓效應:雷電放電產生的高電壓、強電場會對絕緣材料、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,會在電搭接不良處時會產生火花。如果火花發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產生極強的熱效應和腐蝕作用,但由此引起的強脈沖磁場與強電流相互作用所產生的力,會導致結構撕裂或彎曲。如果系統關鍵線纜的載流量不夠,甚至會出現擊穿、打火,甚至爆炸。

          沖擊波效應:在主放電過程中,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生急劇的膨脹和收縮,從而產生沖擊波。強大的沖擊波會破壞運載火箭發動機進氣口氣流的溫度、壓力和速度等性能的平衡,發動機工作狀態在短時間內出現失效或降級。此外,雷擊時的沖擊波在一定條件下可能造成發動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的航天系統來說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,在雷電電磁場的空間輻射和電磁耦合的綜合作用下,系統內部會形成雷電感應電磁場,并耦合產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。

      以實際場地試驗為例說明,美國在肯尼迪空間中心37號陣地在所開展的雷電試驗中,通過雷擊勤務塔形成產生雷電間接效應,監測到在火箭不同高度產生了一定感應電壓。假定雷擊電流在2 μs內上升到最大值100 kA,則在勤務塔和火箭之間不同高度上的開路測試電壓介于670 kV1130 kV之間。勤務塔平臺高度越高,其與運載火箭之間產生的感應電壓就越大。同時,在臍帶塔、大地、運載火箭之間所構成的回路中也會產生相當的雷電感應電壓。由于磁場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,都產生嚴重的破壞影響。在半個多世紀的世界航天發展史上,出現過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140萬噸當量熱核彈頭的美國丘比特固體運載火箭在發射陣地多次遭雷擊,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,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、平臺失控等問題。宇航員及時切換了備用電源,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,美國開始重視航天系統的防雷問題,開展了大量的研究,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》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國家參考。在MIL-STD-464C《系統電磁環境效應要求》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境兼容,針對民用飛機出版的DO-160F《機載設備環境條件及試驗程序》標準中的Section22、Section23關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值。2000年左右美國SAE學會推出的SAE54XX系列標準分別對飛機雷電環境與雷電流波形、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行了詳細的規定,對于航天系統雷電防護有重要的參考價值。

      我國的航天防雷工作雖然開展較晚,但是在短短幾十年取得了快速發展。在充分借鑒和吸收歐美等發達國家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,同時該標準也提出了關于場地防雷、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“應通過系統、分系統、設備和部件級試驗、分析或其自合來驗證”,同時對雷電效應試驗波形參數進行了描述。在GJB8848-2015《系統電磁環境效應試驗方法》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門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

          由于運載火箭在地面測試、轉場、發射待發及在大氣層飛行期間都存在遭受自然雷擊或誘發雷擊的可能,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

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

      與西方發達國家相比,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還不算成熟,雷電效應分析精度還不算精確,目前還在發展摸索階段。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行快速的預測評估,因此該技術近年來已越來越受到重視。國內的一些科研院所和高等院校如陸軍工程大學、哈爾濱工業大學、解放軍第二炮兵工程大學、北京郵電大學、北京宇航系統工程研究所等單位通過課題研究、型號研制等方式也相繼開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

          美國在MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464C等軍用系列標準中詳細說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:分析雷電進出點、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,場地長距離通信電纜可能會傳導大的雷電電流,研制了防雷通信電纜。同時,美國NASA針對航天系統雷電防護還采取了一系列的措施,并進行了雷電防護工程應用。在其火箭研制過程中,NASA首先需要針對研制對象開展雷電分區設計,作為雷電防護設計的基礎。同時,通過開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境,預測雷電效應對于運載火箭可能產生的破壞影響。然后根據仿真分析結果,建立全系統雷電防護準則,確定防雷關鍵結構或設備并開展雷電防護設計,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,首先需要通過仿真分析確定可能耦合進入火箭系統內部的雷電感應電磁場強度,以及設備或線纜耦合產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限,并在設備端口采取雷電瞬態干擾抑制措施。值得注意的是,在火箭系統設計文件中要求設備敏感度門限(ETSL)應遠遠高于在設備內部實際產生的雷電瞬態干擾量級。最后,運載火箭雷電防護設計的性能還需要通過試驗進行考核驗證。一般選取有可能暴露在外部雷電環境或容易受到雷電電磁耦合作用影響的復合材料樣件、關鍵設備、天線、連接器、線纜等部件開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。

          蘇聯航天部門依據多年的防雷經驗,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,實現了防雷設計、工程實施和驗證反饋的有效閉環。該規范要求在航天系統在型號研制過程中,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對分系統防雷目標進行分解,開展相應的防雷方案設計和防雷措施實施,并在實施前后分別通過數值仿真和試驗驗證對防雷效果進行預估和驗證,在不滿足要求時進行反饋整改,最終實現滿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某固體動力運載火箭的研制。蘇聯航天部門還重點關注了材料雷電防護設計技術和設備雷電防護設計技術。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,針對發動機、電子設備及電纜和天線分別進行防護設計。

      我國的運載火箭防雷設計技術在借鑒國外先進經驗的基礎上,具體開展的防雷設計措施主要分為四類:

         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,使雷擊電流能從進入點順暢地流過殼體,并從泄放點回到大氣中;

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

         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行電磁屏蔽,防止雷電間接效應的影響;

         四是在信號線中采用減少雷電感應電壓的電路技術,如采用光學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節,導致火箭防雷設計性能無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

           雷電試驗可能實現系統防雷性能的真實驗證,國外在航天系統型號研制過程中十分重視雷電試驗驗證技術,投入了大量的財力和物力開展雷電試驗條件的建設,并多次開展雷電防護試驗驗證,積累了大量的數據和寶貴的經驗,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展,這是早期雷電實驗系統的代表性綜述,將當時的雷電模擬能力與自然雷電特性進行了對比驗證。1988年美國軍方就建立了紅石技術試驗中心,主要服務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行實彈試驗。1995年在紅石兵工廠技術試驗中心第五試驗中心的雷電危害試驗場進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,蘇聯也先后建成了多套高壓脈沖發生器和能夠開展全系統級雷電試驗的設施,并配備了能產生高能量、大電流、高電壓的試驗裝置和對雷電參數進行監測的測量設備。通過開展單機、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。俄羅斯實驗物理研究院下屬的高電壓研究中心和俄羅斯聯邦核中心均開展有高壓和大電流的雷電模擬實驗。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生器技術產生大電流,前沿為微秒量級、峰值最高可達到160 kA。另外,VNIIEF還可在高壓靜電場環境下開展雷電附著點試驗。

           印度國防研究與開發組織雷電試驗中心是印度軍方雷電模擬試驗基地,滿足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展全尺寸雷電試驗的裝置,并開展過整機雷電試驗。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戰機和金屬機身的Nimrod MRA4偵察機雷電試驗,通過全尺寸、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域試驗條件開展雷電試驗研究。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的試驗條件,對運載火箭艙段、電爆管、殼體結構分別開展了最大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纜和電氣電子設備開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境,積累了雷電試驗經驗。

      五、地面支持系統的雷電防護技術

          由于運載火箭在測試、轉場、地面待發時存在遭受自然雷擊的可能,因此在對運載火箭自身進行雷電防護以外,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

           雷電氣象監測預警是地面防雷系統的重要組成部分,一般是通過發射場氣象站對周圍的雷電氣候進行監測,收集雷電氣候特征數據,進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,使該飛機在真實飛行狀態下進入雷暴區,在數百次遭受雷擊的情況下獲得了大量雷電氣象數據。通過研究雷暴活動和大氣電場,以便找到更好的方法進行更準確和及時的預報,最大限度地減少雷電發生時可能帶來的損失。在卡納維拉爾角航天發射場建立由發射場雷電預警系統、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,進行對發射場區的實時監測與預警。在美國肯尼迪的航天發射場,雷電氣象監測系統可以實現125英里或75海里范圍內的雷電定位,并且能夠實現在航天場區30英里范圍內的精確定位。同時能夠根據地面大氣電場的變化,對火箭發射過程中是否有可能觸發雷擊進行預測,并根據大氣電場的變化情況給出雷電氣象預警??夏岬虾教彀l射場的氣象辦公室還針對雷電氣象特點,進行雷電預警方案設計,提出八項針對于潛在雷電氣象的發射否決條件。

           蘇聯通過在云層密級時發射探空氣象火箭的方法,監測空中大氣電場的變化,同時在地面沿火箭軌跡布置監測設備,測試地面大氣電場值。通過多次發射統計火箭誘發雷擊的概率。

           對于我國沿海地區的航天發射場來說,雖然國內現有的地面雷電防護技術已經能夠基本滿足防雷的需求,但是與國外沿海地區的航天發射場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對地面雷電防護技術進行提升。

      我國在內陸航天發射場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、大氣電場儀系統、雷電探測系統、雷電定位系統、中心工作站等7個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,基本能夠滿足內陸航天發射場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射場,現有的技術還不能夠完全滿足要求,國內現有的雷電監測預警系統還不能實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射場的能力,技術水平有待進一步提高。

      5.2 地面雷電防護技術

      5.2.1 傳統地面防雷技術

           在發射塔架上設置獨立的避雷針,能夠避免航天系統在發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,避雷針尖端將感受到大量電荷。當云層上電荷較多時,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,從而保護航天發射場及待發狀態飛行器的安全。避雷網是通過在發射塔架附近,按照滾球法防雷原則建立三、四座獨立的避雷塔,將發射塔架置于中心,以此形成避雷網系統。

          美國卡納維拉爾角航天發射場的沿海發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形成地面防護。

      蘇聯時期建設的航天發射場采用了建立獨立避雷塔方案,其中拜科努爾發射場設有兩座225 m高的避雷塔和四座125 m高的照明燈塔,見圖7所示。質子號火箭200號發射區有兩個發射臺,每個發射臺場坪上都建有兩座高110 m的避雷塔,每座避雷塔距發射場坪55 m。普列謝茨克等其它發射場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、二發射場采取了在發射塔架上安裝避雷針的方法,而第三發射場則采取了設置避雷網的方法,即在火箭總裝廠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射場目前主要采取“三塔”構成避雷網系統的防雷模式。例如太原發射場和西昌發射場第一發射工位都設置了三座125米高的獨立避雷塔。西昌發射場第二發射工位設置了三座170米高的獨立避雷塔。每兩座避雷塔之間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射場區的避雷網系統。由于內陸地區雷電氣象不算頻繁,因此這種地面場區避雷網技術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

          傳統的固定式避雷裝置在受到雷擊時,會在避雷針、引下線和接地導體中流過瞬態強電流,在周圍空間激發強烈的輻射電磁場,在受保護物體上產生瞬態過電壓或大電流或抬升地電位而產生反擊,致使設備受到干擾,甚至完全損壞。同時,雷電流引起的接觸電壓和跨步電壓問題也不容忽視。近年來,國內外在其他地面防雷方法上也開展了研究,一些新技術得到了發展,其中包括火箭引雷、激光引雷、提前接閃避雷、主動消雷等技術。

      通過人工方式引雷的進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,我國首次成功實施火箭引雷試驗。近十年,國內例如中科院、陸軍工程大學等單位也開展了相關的研究,并成功實現了火箭引雷試驗?;鸺准词褂眯』鸺隣恳粭l金屬絲直接發射到雷云中,誘發產生雷擊的條件,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,形成光電通道和高溫氣體,誘發雷云電荷沿著光電通道提前放電,把雷電引向防雷裝置,控制落雷點,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品。2000年,基于提前接閃避雷思路的主動避雷技術引入國內,相對于傳統的避雷技術,由于提前放電型避雷針利用雷云在空中感應的電場強度,使針頭的感應電極與針尖之間產生強烈的火花放電,使針頭周圍空氣電離,在電場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,從而實現主動避雷的目的。

      5.2.3 接地技術

          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射場引起的損害,在發射場設置均壓接地網。這樣既可保證航天發射場在遭受雷擊時能夠為雷電流提供一個直接到大地的低阻抗通路,短時間內將雷電流釋放到大地,不會危及航天系統及其地面輔助設備。航天發射場需要根據GJB1696-93《航天系統地面設施電磁兼容性和接地要求》進行地面支持系統均壓接地網的設計。

           近二十年,隨著工藝技術的發展,新型接地材料技術的日趨成熟,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;考慮地網結構和穩定的防熱焊技術及產品;考慮綜合性價比高的接地模塊;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展望

           我國海南沿海地區的航天發射場已經建成投入使用,我國新型的運載火箭已經在沿海發射場執行任務。由于沿海地區存在雷電氣候變化頻繁的特點,所面臨的雷電環境將更加嚴酷。因此還需要進一步開展系統防雷研究工作,提升現有的防雷技術手段,以應對更加復雜的雷電環境。對我國航天系統防雷技術進行展望,可以從以下幾方面開展工作:

      (1)以型號為依托開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歷的雷電環境。開展型號雷電防護設計時需要根據其自身的特點開展設計,并能進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驗,沒有明確指出防雷設計指標的涵義,并且很少對設計性能進行考核驗證,很難達到型號防雷設計的閉環。在這方面,可以借鑒國外先進的經驗,將雷電設計真正融入型號研制流程,使防雷設計真正服務于型號,應用于型號。

      (2)系統規范航天雷電技術標準

           世界各國都很重視航天領域的雷電防護工作,個別部門還制定了詳細的防雷標準規范。目前,我國航天領域僅有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,未來需要在這方面開展工作,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,對系統防雷性能進行初步分析和整體評估。當前的雷電仿真多是從“場”的角度進行研究,很少考慮到系統的電路特性,因此仿真得到結果與實際情況還存在一定的差距。由于電磁問題與電路問題本身就可以實現相互的轉化,因此后續在開展雷電仿真分析時還應結合航天系統集總電路的影響,將“場”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)開展雷電試驗技術研究和驗證條件建設

           開展雷電試驗驗證是發現系統潛在問題,驗證產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成為制約型號順利完成研制任務的因素。

           國內航天領域在雷電防護驗證手段上一直存在空白,且沒有雷電試驗條件用于開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。對于防雷設計技術在航天型號推廣應用中遇到的難題,應集中開展研究和試驗,可以向航空部門學習,以單機、縮比模型、部段、復合材料等為起點,開展小型雷電試驗,解決型號雷電防護共性問題。在試驗技術成熟時,再建立系統級雷電實驗室和野外試驗場,針對航天系統開展全系統雷電試驗。

      七、結束語

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

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