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目录

一、概述

二、航空器闪电分区基础

1. 区域 1：初始先导附着与首次回击

2. 区域 2：扫掠与后续回击

3. 区域 3：传导区

三、分区原则与方法

1. 分区原则

2. 分区流程

3. 逐步分析法

四、初始闪电先导附着区域确定

1. 雷击区域初步分析

2. 1 区初划定

3. 2 区初划定

4. 3 区初划定

五、闪电附着点仿真分析

1. 仿真原理

2. 仿真处理

3. 仿真结果分析

六、高电压附着点分区试验系统

1. 系统概述

2. 主要特点

一、概述

EVTOL 作为新一代复合翼航空器，机身结构大量采用碳纤维复合材料制造，具有轻量化与优异疲劳寿命特性。然而，与传统金属机身相比，复合材料固有的低导电性导致其对闪电电磁场的屏蔽效能显著降低，进而削弱了航空器的整体抗雷击能力。

鉴于 EVTOL 独特的气动外形与复合材料结构特性，其闪电附着行为与常规航空器存在显著差异。为保障飞行安全，需通过系统性试验明确其在雷暴环境下的闪电附着点分布规律，并据此建立科学的闪电分区模型。此项工作将为后续闪电防护系统的优化设计、关键区域防护措施的制定以及整机闪电防护验证提供数据支撑与理论依据。

本文依据 SAE ARP 5414B，对 EVTOL 进行初步闪电分区，并通过仿真软件对其最严苛的水平飞行姿态进行仿真，进一步分析闪电附着区域；最后以 EVTOL 缩比模型雷击试验对分区结果进行验证，得到详细分区结果。

根据航空器闪电附着特性、闪电通道扫掠特性和闪电电流传导特性，将航空器表面划分为 3 个区域。根据航空器闪击特性，区域 1 可进一步划分为 1A、1B、1C 区，区域 2 可进一步划分为 2A、2B 区。

1. 区域 1：初始先导附着与首次回击

• 1A 区（首次回击区域）：航空器表面承受首次回击的所有区域，闪电通道附着期间电弧悬停可能性较小。
• 1B 区（悬停时间长的首次回击区域）：承受首次回击的所有区域，闪电通道附着期间电弧悬停可能性较大。
• 1C 区（首次回击过渡区域）：承受电流幅度已降低的首次回击区域，电弧悬停可能性较小。

2. 区域 2：扫掠与后续回击

由航空器运动时闪电通道从初始附着点向后扫掠形成；初始先导附着和首次回击可能性较小，但后续回击可能性大。

• 2A 区（扫掠区域）：承受后续回击的区域，闪电通道扫掠期间电弧悬停可能性较小。
• 2B 区（悬停时间长的扫掠区域）：承受后续回击的区域，闪电扫掠期间电弧悬停可能性较大。

3. 区域 3：传导区

电弧附着可能性很小，但初始附着点与扫掠通道之间传导闪电可能性很大的区域。

1. 分区原则

航空器闪电分区有两种方法：相似类比法和逐步分析法。

• 相似类比法：对与已获得适航认证航空器相似的新研或改进航空器，可参考已获认证机型的分区结果进行分区；
• 逐步分析法：对全新或外形新颖的航空器，需按逐步分析法进行分区。改进机型中未改动部分可采用相似类比法，改动部分采用逐步分析法。

2. 分区流程

图 1 航空器闪电分区流程图

3. 逐步分析法

（1）主要影响因素

影响闪电分区结果的主要因素为：航空器外形、飞行速度和飞行高度。

（2）初始闪电先导附着位置

典型的初始附着位置包括机头、翼尖、垂尾端部、螺旋桨端部、旋翼端部、起落架及其他较大的机外突出部件。初始附着位置的确定可采用相似法、经验法、试验法与仿真计算法。

（3）区域 1A 与 1B

航空器遭到闪击时，随着航空器向前飞行，闪电先导从初始附着点向后扫掠，直到闪电先导到达地面（或其他电荷中心）引发首次回击。航空器在此期间飞过的距离决定了 1A 区从初始附着点向后延伸的范围：

d = ( h · Vt ) / Vi

其中：

• d ：闪电先导扫掠距离，m
• h ：飞行高度，m
• Vi：闪电先导速度，m/s
• Vt：航空器飞行速度，m/s

经验表明，飞行中大部分严重闪击发生在 1500 m 以下的云对地放电中，1A 区延伸范围以此高度计算，闪电先导速度取 1.5×10⁵ m/s。

初始附着于 1B 区时，闪电通道必须始终悬停在该区域直至放电结束，1B 区不存在扫掠现象。

图 2 先导扫掠与航空器高度、速度关系示意图

（4）区域 1C

飞行高度 1500 m ~ 3000 m 时，扫掠先导能到达的航空器表面为 1C 区。该区域承受的回击电流幅度小于首次回击。扫掠距离 d₂ 同样可由式 (1) 计算，其中飞行高度取 3000 m。飞行高度低于 3000 m 时，处于 d₁ 与 d₂ 之间的表面为 1C 区。

图 3 区域 1A 与 1C 示意图

（5）区域 2A 与 2B

闪电放电持续时间内，飞行距离通常大于机身长度，1C 区后方的表面为 2A 区，2A 区后缘表面被确定为 2B 区（除非已被确定为 1B 区）。

（6）区域横向扩展

SAE ARP 5414B 规定：沿翼根、垂直和水平安定面根部的 1A / 1B / 1C / 2A / 2B 区两侧各 0.5 m 的表面，亦应视为相同区域，以考虑闪电通道的小幅度横向移动。对于平直翼尖，1A / 1B 区应从翼尖向内侧延伸 0.5 m，后缘从尖端向内侧 0.5 m 范围内、宽度 5 cm 的区域视为 1B 区。

图 4 SAE ARP 5414B 机翼分区示意图

（7）非导电表面

非导电表面通常被视为周围导体的一部分，初始先导或扫掠通道多附着在周围导体上。当绝缘强度不足以防止击穿时，闪电也可能附着在非导电表面内部的导电物体上（如闪电附着在机头内部设备）。本试验按全部导电表面处理，后期应补充初始先导附着试验以进一步细化分区。

1. 雷击区域初步分析

采用相似法与经验法对 EVTOL 进行闪电区域初步划分。EVTOL 属固定翼与旋翼复合构型：

• 初始附着区域通常包括机头、旋翼尖端、空速管、起落架等尖端位置；
• 闪电回击电流可能经过的区域主要包含 1A、1B 和 1C 区。

正常情况下，EVTOL 处于向前运动的过程中，在闪电先导到达地面（或其他放电中心）并发生初始返回雷击的时间内，雷击和闪电先导可能已经从初始附着点开始向后扫掠。该时间段内 EVTOL 运动的距离，决定着 1A 区从初始附着点开始的延伸范围。

2. 1 区初划定

依据公式 d = h Vt / Vi，EVTOL 飞行高度取 1500 m 及以下，闪电先导速度取 1.5×10⁵ m/s。EVTOL 真空极限速度约 73 m/s，计算得 1A 区范围约 730 mm，取整为 750 mm。

EVTOL 垂直上升时，除旋翼外其余部分相对闪电弧保持静止，闪电附着后停留时间较长，可能接收闪电所有分量，应划为 1B 区（如起落架、垂尾顶端、旋翼桨毂等）。

1C 区由式 (1) 计算，取 h = 3000 m。由于 EVTOL 实际上升高度不超过 1500 m，不存在 1C 区。

3. 2 区初划定

EVTOL 旋翼上升中处于运动状态，翼尖为初始附着区。由于旋翼运动速度快、闪电停留时间短，将旋翼翼尖划为 1A 区，1A 区沿旋翼向旋翼轴方向的延伸部分划为 2A 区。SAE ARP 5414B 将旋翼桨毂分为 2A 区，但要求能传导 1B 区所有电流。

固定翼按 3.2 节方法划分，附着区域选取宽度 5 cm 作为 1B、2B 区，其中 1B 为闪电电弧附着位置区域，2B 为扫掠末端区域。重叠区域按闪电损伤较高的区域进行覆盖。

4. 3 区初划定

不在以上任何区域内、但处于其间的表面和结构应考虑为 3 区范围。

1. 仿真原理

飞机触发闪电的条件是具备足够大的场强，浸没飞机的闪电静电场会在尖端和边缘感应出电晕流光。当电场强度达到 500 kV/m 时，流光继续传播形成成熟闪电先导。

云层和地之间是一些平行的等势面，在飞行器飞入后，引起飞行器表面电荷的重新分布。根据库仑定律，各点电场强度与电荷量及位置相关：

E = Qr / ( 4π ε₀ r³ )

式 (2) 库仑定律电场强度公式

通过式 (2) 可计算出同一电场下飞行器上各点的电荷分布，电荷密度越大，与云层电荷间的电势差越大，触发放电的概率越高。

2. 仿真处理

（1）几何模型处理

• 保留航空器外表面轮廓结构，不改变气动形态；
• 处理几何干涉、破面、缝隙等；
• 全部面按金属结构处理。

（2）仿真环境构建

空气介质求解域四周边界与模型边缘的距离需大于模型最大空间尺寸的 1/3；模型尺寸约 12 m，空气域半径取 10 m；上边界与模型边缘距离需大于 50 m。

（3）材料参数

金属（铜，电导率 5.8×10⁷ S/m）、空气（电导率取 1×10⁻⁴ S/m 以提高收敛性）。

（4）仿真源与边界

空气域上下边界加载高电压——上表面 V = 3000 kV，下表面 V = 0，外围空气边界设为电绝缘。

（5）网格设计

采用自由四面体网格；按线、面、体由低维度向高维度、由大到小剖分；结构边缘加密处理。

3. 仿真结果分析

对 EVTOL 最严苛水平飞行姿态进行 COMSOL 电场数值模拟。计算各部分感应电荷量，以最大电荷量为基准换算为相对 dB 值。

仿真结果（图 6）显示：

• 机头、垂尾顶端、翼尖等尖端部位以及机身曲率半径较小的凸起结构周围呈现明显的红色区域，电场集中、易引雷；
• 机翼上表面中部、部分机身中部等平坦或流线型区域主要呈绿色，电场强度相对较弱。

图 6 EVTOL 水平飞行姿态雷电附着电场仿真结果（红 = 高场强，蓝 = 低场强）

注：原文仿真几何与网格示意图（图 5–图 8）部分未在原文档中完整嵌入，正文以文字描述补全几何与边界条件。

1. 系统概述

泰思特电子高电压附着点分区试验系统 LVG3000，可模拟测试飞机等设备在遭受雷击时各区域被雷电袭击的概率，定位易受雷电袭击的附着点。系统符合 GJB 1389A、GJB 3567 等国军标要求，同时满足 MIL-STD-464C、SAE ARP5416、DO-160 Section 23 等飞机雷电试验标准，适用于飞机整机、航空航天材料、舰船、导弹、军用车辆、雷达等设备设施。

2. 主要特点

• 采用开放式主回路设计与 H 型塔式结构，整体小型化，便于现场部署；
• 基于 MCS2000 全自动智能控制系统，触摸屏操控，图形化显示运行状态；
• 可选配分区试验用匀电场电极；
• 标配附着点测试用电极；
• 采用 Marx 发生器，并联充电、串联放电；
• 球隙自动跟踪电压，充电电压全范围内自动调整，调节精度 0.1 mm；
• 自动安全保护程序，具备声光报警功能。