图3 美国海军航空兵中心透波罩雷电试验Fig.3 The lightning test of permeate wave cover in Thiokol
图4 美国海军航空中心特种车辆雷电试验Fig.4 The lightning test of vehicle system in Thiokol 自上世纪60年代起,苏联(俄罗斯、乌克兰)也先后建成了多套高压脉冲发生器和能够开展全系统级雷电试验的设施,并配备了能产生高能量、大电流、高电压的试验装置和对雷电参数进行监测的测量设备。通过开展单机、部段、缩比模型及系统级的雷电试验,从而有效验证了雷电防护性能,确保系统在采取防雷设计后能够承受一定雷电效应的冲击。俄罗斯实验物理研究院(VNIIEF)下属的高电压研究中心和俄罗斯联邦核中心均开展有高压和大电流的雷电模拟实验。VNIIEF针对可移动的雷电流注入试验需求,采用了爆炸磁累积发生器(MCG)技术产生大电流,前沿为微秒量级、峰值最高可达到160kA。另外,VNIIEF还可在高压静电场环境下开展雷电附着点试验。 印度国防研究与开发组织雷电试验中心是印度军方雷电模拟试验基地,满足MIL、SAE、FAR等标准雷电试验要求。法国格拉玛研究中心具有能够开展全尺寸雷电试验的装置,并开展过整机雷电试验。英国BAE公司研制了一款全威胁等级雷电模拟器,并用于以复合材料为主要结构的欧洲台风战机和金属机身的Nimrod MRA4侦察机雷电试验,通过全尺寸、高量级的注入试验为整机全系统及其内部雷电防护措施的制定提供了重要依据。 目前我国尚未建设航天系统雷电试验的条件,航天系统仍需借助其它领域试验条件开展雷电试验研究。北京宇航系统工程研究所作为国内运载火箭主要研制单位,曾借助国内电力部门的试验条件,对运载火箭舱段(图5)、电爆管、壳体结构分别开展了最大80kA的冲击电流试验和最大1400kV的冲击电压试验,另外对某地面系统开展了最大20kA的冲击电流试验和1200kV量级的冲击电流试验,在一定程度上验证了对于雷电直接效应的防护性能。另外,还针对运载火箭部分线缆和电气电子设备开展了雷电间接效应试验研究,测试了运载火箭附近的雷电电磁环境,积累了雷电试验经验。
图5 火箭舱段结构雷电直接效应试验Fig.5 The direct effect lightning test of cabin structure 5 地面支持系统的雷电防护技术由于运载火箭在测试、转场、地面待发时存在遭受自然雷击的可能,因此在对运载火箭自身进行雷电防护以外,同样还需要考虑地面支持系统的防雷。对于地面支持系统的雷电防护,通常采取“避雷为主”的防护思路。 5.1 雷电气象监测预警技术雷电气象监测预警是地面防雷系统的重要组成部分,一般是通过发射场气象站对周围的雷电气候进行监测,收集雷电气候特征数据,进行雷电气象监测与预警,可为地面雷电防护提供参考。 美国在1980年~1986年间通过在F-106B飞机上安装雷电感应设备和雷电压、雷电流测试设备,使该飞机在真实飞行状态下进入雷暴区,在数百次遭受雷击的情况下获得了大量雷电气象数据。通过研究雷暴活动和大气电场,以便找到更好的方法进行更准确和及时的预报,最大限度地减少雷电发生时可能带来的损失。在卡纳维拉尔角航天发射场建立由发射场雷电预警系统、云对地雷电侦察系统以及闪电探测与测距系统构成雷电气象系统,进行对发射场区的实时监测与预警。在美国肯尼迪的航天发射场,雷电气象监测系统可以实现125英里或75海里范围内的雷电定位,并且能够实现在航天场区30英里范围内的精确定位。同时能够根据地面大气电场的变化,对火箭发射过程中是否有可能触发雷击进行预测,并根据大气电场的变化情况给出雷电气象预警。肯尼迪航天发射场的气象办公室还针对雷电气象特点,进行雷电预警方案设计,提出八项针对于潜在雷电气象的发射否决条件。 苏联(俄罗斯、乌克兰)通过在云层密级时发射探空气象火箭的方法,监测空中大气电场的变化,同时在地面沿火箭轨迹布置监测设备,测试地面大气电场值。通过多次发射统计火箭诱发雷击的概率。 对于我国沿海地区的航天发射场来说,虽然国内现有的地面雷电防护技术已经能够基本满足防雷的需求,但是与国外沿海地区的航天发射场相比可以看出雷电防护设计手段还存在一定的差距,雷电防护措施还不够完善,对于运载火箭在海面或地面的雷电防护措施考虑还不够周全,因此需要针对沿海地区的特点对地面雷电防护技术进行提升。 我国在内陆航天发射场建立一套由天气雷达数字化处理系统、卫星云图数字化处理系统、大气电场仪系统、雷电探测系统、雷电定位系统、中心工作站等7个部分组成的雷电气象监测和预警系统。对于内陆雷电现象不算频繁的情况,基本能够满足内陆航天发射场雷电气象监测与预警要求。但是对于雷电气象变化频繁的沿海发射场,现有的技术还不能够完全满足要求,国内现有的雷电监测预警系统还不能实现大范围雷电气象预警和临近雷暴天气的快速预测,雷电气象监测和预警能力还达不到国外航天发射场的能力,技术水平有待进一步提高。 5.2 地面雷电防护技术5.2.1 传统地面防雷技术在发射塔架上设置独立的避雷针,能够避免航天系统在发射准备阶段直接遭受雷击的情况。通常在雷雨天气,当空中出现带电云层时,避雷针尖端将感受到大量电荷。当云层上电荷较多时,避雷针与云层之间将形成通路,其良好的接地性能,可以把云层上的电荷导入大地,从而保护航天发射场及待发状态飞行器的安全。避雷网是通过在发射塔架附近,按照滚球法防雷原则建立三、四座独立的避雷塔,将发射塔架置于中心,以此形成避雷网系统。 美国卡纳维拉尔角航天发射场的沿海发射工位采用了三座大型避雷塔,塔尖之间由金属钢丝相互连接构成五边形避雷网形成地面防护,如图6所示。
图6 卡纳维拉尔角发射场避雷网系统Fig.6 The lightning rod system in Canaveral cape, KSC 苏联时期建设的航天发射场采用了建立独立避雷塔方案,其中拜科努尔发射场设有两座225m高的避雷塔和四座125m高的照明灯塔,见图7所示。质子号火箭200号发射区有两个发射台,每个发射台场坪上都建有两座高110m的避雷塔,每座避雷塔距发射场坪55m。普列谢茨克等其它发射场也采用了相似的地面支持系统避雷设计方案。
图7 拜科努尔发射场避雷网系统Fig.7 The lightning rod system in Еайкоиур launch site 在法属圭亚那航天中心内,阿里安第一、二发射场采取了在发射塔架上安装避雷针的方法,而第三发射场则采取了设置避雷网的方法,即在火箭总装厂房屋顶安装四根避雷针和设置独立避雷塔,各避雷塔顶端同样用金属钢丝连接,如图8所示。
图8 阿里安发射场的避雷网系统Fig.8 The lightning rod system in Ariane launch site 我国现有的内陆航天发射场目前主要采取“三塔”构成避雷网系统的防雷模式。例如太原发射场和西昌发射场第一发射工位都设置了三座125米高的独立避雷塔。西昌发射场第二发射工位设置了三座170米高的独立避雷塔。每两座避雷塔之间的保护角度均不大于45度,并由这三座独立的避雷塔构成发射场区的避雷网系统。由于内陆地区雷电气象不算频繁,因此这种地面场区避雷网技术可以使运载火箭在地面躲避绝大部分的自然雷击。 需要特别说明的是,欧美等国对于沿海航天发射场的特殊情况,在开展传统地面防雷设计的基础上,针对火箭的不同操作阶段还采取了一些额外的雷电防护措施。以美国肯尼迪沿海地区的航天发射场为例,针对航天系统的海上运输和地面贮存同样考虑了雷电防护,图9为美国NASA用来运输航天系统舱段的货运轮船。从图中可见,运输航天系统舱段的货运轮船进行了雷电防护,装载舱段的部分采用了全封闭的金属屏蔽处理,包括舱段进出口和人员出入口同样使用金属面板进行屏蔽处理。 经过多年的研究与实践检验,目前可以明确的是火箭引雷是一种比较成熟的人工引雷方法。但是对于火箭引雷这种地面防雷技术而言,成功率受到以下因素的影响:1)火箭的上升速度;2)火箭的发射时机。另外,火箭引雷的成本也比较高。鉴于火箭引雷的成功率和费用,因此应用不算广泛。激光引雷在理论和技术上是可行的,但是由于激光自身的特性及高昂的经费所限,目前实施成功的案例较少。提前接闪避雷、主动消雷是近十年来在我国得到逐步发展的新型地面防雷技术,此两类技术的可靠性还有待进行进一步的实践检验。
图9 肯尼迪火箭舱段运输货船Fig.9 The space vehicle tank in Louisiana to KSC 5.2.2 新型地面防雷技术传统的固定式避雷装置在受到雷击时,会在避雷针、引下线和接地导体中流过瞬态强电流,在周围空间激发强烈的辐射电磁场,在受保护物体上产生瞬态过电压或大电流或抬升地电位而产生反击,致使设备受到干扰,甚至完全损坏。同时,雷电流引起的接触电压和跨步电压问题也不容忽视。近年来,国内外在其他地面防雷方法上也开展了研究,一些新技术得到了发展,其中包括火箭引雷、激光引雷、提前接闪避雷、主动消雷等技术。 通过人工方式引雷的进行地面防护的思想最初是由Brook等人提出。1967年,美国的Newman等人在佛罗里达首次完成了火箭引雷试验。1977年,我国首次成功实施火箭引雷试验。近十年,国内例如中科院、陆军工程大学等单位也开展了相关的研究,并成功实现了火箭引雷试验。火箭引雷即使用小火箭牵引一条金属丝直接发射到雷云中,诱发产生雷击的条件,达到人工引雷的目的。 1974年,在火箭引雷的启示下,美国的Ball提出激光引雷的概念。1994年,中国引入激光引雷的地面防雷思路。激光引雷采用激光“电离和热化”空气中的物质,形成光电通道和高温气体,诱发雷云电荷沿着光电通道提前放电,把雷电引向防雷装置,控制落雷点,消除直击雷的危害。 1995年,法国研制出提前接闪避雷思路的避雷产品。2000年,基于提前接闪避雷思路的主动避雷技术引入国内,相对于传统的避雷技术,由于提前放电型避雷针利用雷云在空中感应的电场强度,使针头的感应电极与针尖之间产生强烈的火花放电,使针头周围空气电离,在电场的作用下形成一条向上的雷电先导,使迎面先导提前与下行先导相遇,形成主放电通道,从而实现主动避雷的目的。 2002年,中国科学院庄洪春基于主动避雷思想设计了大气等离子体避雷系统。这是一种躲避式防雷击装置,其原理是在雷电防护对象的外表面覆盖大气等离子体气层,通过降低周围的电场强度,防止空气被击穿,达到雷电防护的目的。之后,南京信息工程大学的肖稳安、钟万强等人在此基础上提出了一种基于电场理论的阻塞与疏导相结合的主动防雷击系统的初步设想,并初步设计了主动防雷击系统的模型。其主动防雷击系统原理的核心机制是“引而不发”,关键在于实现保护对象所在空间大气的被激放电状态,并利用闪电先导控制主放电,同时抑制地面连接先导和反击,改变雷电放电路径。 2008年,国内出现了利用地电荷中和雷电的主动消雷技术,该消雷器上的金属电极在大气电场作用下积累的电荷,当雷电先导接近金属电极时进行反放电,放电后装置内部的高压大电流开关以纳秒级的速度关断设备的接地通道,金属电极放出的电荷将“有去无回”,在空中破坏了下行先导形成雷击通道的条件,从而阻断雷击的形成。 日本地处沿海地区,冬季雷电现象较多。日本的气象专家自上世纪80年代以来针对雷电气象开展了相关的研究,对日本冬季形成雷暴云的气候条件以及冬季雷暴云特征进行了总结,作为日本航天系统雷电监测预警的参考。 5.2.3 接地技术对航天地面支持系统的接地,主要是考虑避免在地面遭受自然雷击,或降低雷电直接击中航天发射场引起的损害,在发射场设置均压接地网。这样既可保证航天发射场在遭受雷击时能够为雷电流提供一个直接到大地的低阻抗通路,短时间内将雷电流释放到大地,不会危及航天系统及其地面辅助设备。航天发射场需要根据GJB1696-93《航天系统地面设施电磁兼容性和接地要求》进行地面支持系统均压接地网的设计]。 近二十年,随着工艺技术的发展,新型接地材料技术的日趋成熟,为接地工程的设计和使用提供了更多的选择。比如:考虑低电阻的铜包钢接地极、离子接地极等;考虑地网结构和稳定的防热焊技术及产品;考虑综合性价比高的接地模块;考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等;考虑地网快速布撤的金属、石墨柔性接地和采用导电液释放雷电流的流体接地方式等。 6 我国航天系统雷电防护技术展望我国海南沿海地区的航天发射场已经建成投入使用,我国新型的运载火箭已经在沿海发射场执行任务。由于沿海地区存在雷电气候变化频繁的特点,所面临的雷电环境将更加严酷。因此还需要进一步开展系统防雷研究工作,提升现有的防雷技术手段,以应对更加复杂的雷电环境。对我国航天系统防雷技术进行展望,可以从以下几方面开展工作: (1)以型号为依托开展防雷设计流程研究制定雷电防护要求,就需要充分了解运载火箭可能经历的雷电环境。开展型号雷电防护设计时需要根据其自身的特点开展设计,并能进行防护设计效果的验证。目前我国航天型号在防雷设计上,主要借鉴以往的设计经验,没有明确指出防雷设计指标的涵义,并且很少对设计性能进行考核验证,很难达到型号防雷设计的闭环。在这方面,可以借鉴国外先进的经验,将雷电设计真正融入型号研制流程,使防雷设计真正服务于型号,应用于型号。 (2)系统规范航天雷电技术标准世界各国都很重视航天领域的雷电防护工作,个别部门还制定了详细的防雷标准规范。目前,我国航天领域仅有GJB1804-1993《运载火箭雷电防护》,且仅提出了比较宽泛的防雷设计思路,没有详细描述设计指标的条件,缺乏相应的防雷试验标准。另外对于地面支持系统的防雷也缺乏相应的标准规范。因此,未来需要在这方面开展工作,制定出适用于我国航天系统的雷电防护标准规范。 (3)开展全系统雷电效应数值仿真分析研究仿真作为一种当前受到广泛应用的分析方法,能够进行初步的预测评估。雷电仿真同样能够在型号研制初期,对系统防雷性能进行初步分析和整体评估。当前的雷电仿真多是从“场”的角度进行研究,很少考虑到系统的电路特性,因此仿真得到结果与实际情况还存在一定的差距。由于电磁问题与电路问题本身就可以实现相互的转化,因此后续在开展雷电仿真分析时还应结合航天系统集总电路的影响,将“场”分析与“路”分析相结合,可以得到更准确的雷电效应预测分析结果。 (4)开展雷电试验技术研究和验证条件建设开展雷电试验验证是发现系统潜在问题,验证产品雷电防护性能最有效的手段。面对航天型号提出的防雷性能指标要求,雷电试验验证手段的缺乏将会成为制约型号顺利完成研制任务的因素。 国内航天领域在雷电防护验证手段上一直存在空白,且没有雷电试验条件用于开展防雷性能的验证分析。需要建设符合航天型号需求的雷电试验条件和雷电试验设备。对于防雷设计技术在航天型号推广应用中遇到的难题,应集中开展研究和试验,可以向航空部门学习,以单机、缩比模型、部段、复合材料等为起点,开展小型雷电试验,解决型号雷电防护共性问题。在试验技术成熟时,再建立系统级雷电实验室和野外试验场,针对航天系统开展全系统雷电试验。 7 结束语航天的发展关乎一个国家的战略发展,是一个国家综合实力的体现。航天系统的雷电防护技术水平,关乎到系统的全天候能力。在国防建设的重要时期,应高度重视航天系统的防雷工作,应大力发展防雷技术,对于提高我国航天系统对于复杂电磁环境的适应性,确保发射任务成功意义重大。 来源:军鹰动态 作者:周萍