航空防雷 | 航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)發(fā)展綜述及展望

摘要：為滿足航天系統(tǒng)的全天候發(fā)射任務(wù)需求，加強(qiáng)航天系統(tǒng)對(duì)于雷電環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了綜述。首先分析雷電環(huán)境對(duì)于航天系統(tǒng)產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，追蹤了世界航天史上典型的雷擊案例，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外航天系統(tǒng)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。針對(duì)運(yùn)載火箭雷電效應(yīng)數(shù)值仿真技術(shù)、雷電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，雷電氣象監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，地面雷電防護(hù)技術(shù)和接地技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了追蹤。在此基礎(chǔ)上，從我國航天工程雷電防護(hù)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)未來我國航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望。

 關(guān)鍵詞：航天系統(tǒng)；運(yùn)載火箭；地面支持系統(tǒng)；雷電效應(yīng)；雷電防護(hù)

引言

    雷電是一種自然界常見的大氣放電現(xiàn)象，能在瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的能量，其作用于物體上時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大破壞影響。自人類航天活動(dòng)開始之日起，國內(nèi)外就發(fā)生過多起由于雷擊引起航天系統(tǒng)故障，甚至造成發(fā)射失利的案例。針對(duì)運(yùn)載火箭為主要防護(hù)對(duì)象的航天系統(tǒng)來說，在一次完整的發(fā)射流程中火箭要經(jīng)過廠房測試、轉(zhuǎn)運(yùn)、待發(fā)以及發(fā)射等多個(gè)階段，在各個(gè)階段都存在遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。因此航天系統(tǒng)有必要進(jìn)行全流程雷電防護(hù)，同時(shí)通過開展防雷技術(shù)研究驗(yàn)證航天系統(tǒng)防雷性能的有效性。

     針對(duì)運(yùn)載火箭系統(tǒng)的雷電防護(hù)主要從兩方面開展工作：一方面是針對(duì)運(yùn)載火箭系統(tǒng)在地面的防雷，此部分需要分別考慮運(yùn)載火箭自身和地面支持系統(tǒng)的雷電防護(hù)，主要考慮運(yùn)載火箭在地面待發(fā)時(shí)可能面臨的雷電環(huán)境；另一方面是針對(duì)運(yùn)載火箭在飛行過程中的防雷，此部分只需要考慮運(yùn)載火箭自身的雷電防護(hù)，主要考慮運(yùn)載火箭在空中飛行時(shí)可能遭遇或誘發(fā)的雷電環(huán)境。國內(nèi)外的航天人員逐漸認(rèn)識(shí)到防雷工作的重要性，對(duì)于航天系統(tǒng)的雷電防護(hù)投入了相當(dāng)大的精力，開展了大量研究，雷電防護(hù)技術(shù)得到了大力發(fā)展，有效提升了航天系統(tǒng)整體的防雷性能。近年來，隨著國際上對(duì)于全天候發(fā)射需求的與日俱增，傳統(tǒng)的躲避雷電天氣選取發(fā)射窗口的方式已不再適應(yīng)于當(dāng)前的航天發(fā)展形勢，在國內(nèi)外激烈的競爭環(huán)境中，要求航天系統(tǒng)在各類環(huán)境中都應(yīng)具備較高的性能，提升航天系統(tǒng)對(duì)雷電環(huán)境的適應(yīng)性顯得越發(fā)重要。因此，當(dāng)前亟需總結(jié)創(chuàng)新，加大防雷技術(shù)的發(fā)展力度，進(jìn)一步提升航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)水平。

     本文首先分析了雷電環(huán)境對(duì)于航天系統(tǒng)的破壞效應(yīng)，追蹤了世界航天史上典型的雷擊案例。系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外航天系統(tǒng)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。然后，綜合分析了國內(nèi)航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)發(fā)展情況，針對(duì)運(yùn)載火箭雷電效應(yīng)數(shù)值仿真技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)，雷電氣象監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，地面雷電防護(hù)技術(shù)和接地技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況進(jìn)行了追蹤。最后在此基礎(chǔ)上，從我國航天工程雷電防護(hù)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)未來我國航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)研究方向進(jìn)行了展望。

一、雷電破壞效應(yīng)

    根據(jù)雷電的物理特性及破壞方式的不同，一般將雷電破壞效應(yīng)分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)：直接效應(yīng)包括雷電電弧附著所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)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(yīng)主要是由伴隨雷電產(chǎn)生的電磁場耦合對(duì)電子電氣設(shè)備所產(chǎn)生的破壞性影響。

1.1 雷電直接效應(yīng)

    電熱效應(yīng)：雷電放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大能量會(huì)在瞬間轉(zhuǎn)化成大量熱能，會(huì)出現(xiàn)材料汽化、結(jié)構(gòu)變形等現(xiàn)象。當(dāng)雷電直接作用于航天系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或線纜上時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)燒蝕金屬蒙皮、熔斷線纜的情況。

    高電壓效應(yīng)：雷電放電產(chǎn)生的高電壓、強(qiáng)電場會(huì)對(duì)絕緣材料、搭接結(jié)構(gòu)等造成穿孔、破裂、變形等，直接破壞絕緣材料和結(jié)構(gòu)，會(huì)在電搭接不良處時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花。如果火花發(fā)生出現(xiàn)在火工電路或燃料系統(tǒng)附近，甚至可能引起爆炸，破壞性極強(qiáng)。

    強(qiáng)電流效應(yīng)：雷電放電產(chǎn)生的強(qiáng)電流最高可達(dá)200 kA。但由于其電荷量較少，對(duì)于大的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的熱效應(yīng)和腐蝕作用，但由此引起的強(qiáng)脈沖磁場與強(qiáng)電流相互作用所產(chǎn)生的力，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撕裂或彎曲。如果系統(tǒng)關(guān)鍵線纜的載流量不夠，甚至?xí)霈F(xiàn)擊穿、打火，甚至爆炸。

    沖擊波效應(yīng)：在主放電過程中，雷電放電通道內(nèi)的空氣急劇加溫和迅速冷卻，在千分之幾秒的瞬間發(fā)生急劇的膨脹和收縮，從而產(chǎn)生沖擊波。強(qiáng)大的沖擊波會(huì)破壞運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口氣流的溫度、壓力和速度等性能的平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)失效或降級(jí)。此外，雷擊時(shí)的沖擊波在一定條件下可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口處氣流收斂，造成燃燒室熄火，這對(duì)于處于飛行狀態(tài)的航天系統(tǒng)來說具有致命的破壞影響。

1.2 雷電間接效應(yīng)

    當(dāng)航天系統(tǒng)附近出現(xiàn)雷電放電現(xiàn)象時(shí)，在雷電電磁場的空間輻射和電磁耦合的綜合作用下，系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)形成雷電感應(yīng)電磁場，并耦合產(chǎn)生雷電感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓，影響電子電氣設(shè)備的性能，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、定位失鎖、通信中斷等故障。

以實(shí)際場地試驗(yàn)為例說明，美國在肯尼迪空間中心37號(hào)陣地在所開展的雷電試驗(yàn)中，通過雷擊勤務(wù)塔形成產(chǎn)生雷電間接效應(yīng)，監(jiān)測到在火箭不同高度產(chǎn)生了一定感應(yīng)電壓。假定雷擊電流在2 μs內(nèi)上升到最大值100 kA，則在勤務(wù)塔和火箭之間不同高度上的開路測試電壓介于670 kV～1130 kV之間。勤務(wù)塔平臺(tái)高度越高，其與運(yùn)載火箭之間產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就越大。同時(shí)，在臍帶塔、大地、運(yùn)載火箭之間所構(gòu)成的回路中也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)睦纂姼袘?yīng)電壓。由于磁場強(qiáng)度隨距離減弱和回路截面積減小，在臍帶塔和火箭間感應(yīng)電壓要降低一半左右，但這樣的量級(jí)仍足以對(duì)運(yùn)載火箭形成破壞。

二、航天系統(tǒng)雷電破壞案例

    無論是雷電直接效應(yīng)，還是雷電間接效應(yīng)，當(dāng)作用于航天系統(tǒng)上時(shí)，都產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞影響。在半個(gè)多世紀(jì)的世界航天發(fā)展史上，出現(xiàn)過多起由于航天系統(tǒng)直接或間接遭受雷擊，導(dǎo)致電氣設(shè)備故障，箭體結(jié)構(gòu)損壞，甚至飛行失利的案例，以下為幾次典型的航天系統(tǒng)雷擊案例。

1961年秋，部署在意大利攜有140萬噸當(dāng)量熱核彈頭的美國丘比特固體運(yùn)載火箭在發(fā)射陣地多次遭雷擊，受到嚴(yán)重?fù)p壞。

1969年11月14日，美國利用土星V運(yùn)載火箭發(fā)射阿波羅Apollo 12號(hào)宇宙飛船?；鸺痫w后36.5 s，飛行高度達(dá)到1920 m時(shí)，遭受雷擊。起飛后52.5 s，飛行高度達(dá)到4300 m，遭受二次雷擊。宇宙飛船出現(xiàn)電源損壞、遙測信號(hào)消失、制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)失效、平臺(tái)失控等問題。宇航員及時(shí)切換了備用電源，才保證了飛行順利完成。

三、航天系統(tǒng)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

    自上世紀(jì)60年代的Apllo事件之后，美國開始重視航天系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，側(cè)重試驗(yàn)的MIL-STD-1757A《飛行器雷電鑒定試驗(yàn)技術(shù)》和側(cè)重防護(hù)設(shè)計(jì)的MIL-STD-1795A《飛行器雷電防護(hù)》作為航天防雷標(biāo)準(zhǔn)的模板被多個(gè)國家參考。在MIL-STD-464C《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)要求》中，指出軍用系統(tǒng)不僅應(yīng)做到系統(tǒng)內(nèi)的所有分系統(tǒng)和設(shè)備之間是電磁兼容，還應(yīng)做到與外部系統(tǒng)的電磁環(huán)境兼容，針對(duì)民用飛機(jī)出版的DO-160F《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗(yàn)程序》標(biāo)準(zhǔn)中的Section22、Section23關(guān)于雷電試驗(yàn)的描述對(duì)于航天系統(tǒng)的防雷工作也具有極高的參考價(jià)值。2000年左右美國SAE學(xué)會(huì)推出的SAE54XX系列標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)飛機(jī)雷電環(huán)境與雷電流波形、雷電防護(hù)要求、雷電分區(qū)方法、雷電試驗(yàn)方法、雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)流程進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，對(duì)于航天系統(tǒng)雷電防護(hù)有重要的參考價(jià)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(fā)展。在充分借鑒和吸收歐美等發(fā)達(dá)國家MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464等軍用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在上世紀(jì)90年代，編制了GJB1804-93《運(yùn)載火箭雷電防護(hù)》，對(duì)運(yùn)載火箭的防雷設(shè)計(jì)提出了具體要求，同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)也提出了關(guān)于場地防雷、氣象防雷的具體要求和設(shè)計(jì)方法。另外，GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》規(guī)定，對(duì)于雷電直接和間接效應(yīng)防護(hù)要求的符合性“應(yīng)通過系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備和部件級(jí)試驗(yàn)、分析或其自合來驗(yàn)證”，同時(shí)對(duì)雷電效應(yīng)試驗(yàn)波形參數(shù)進(jìn)行了描述。在GJB8848-2015《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法》中，也提出了對(duì)于地面系統(tǒng)的雷電試驗(yàn)方法，可為航天系統(tǒng)雷電試驗(yàn)提供參考。但是，由于缺乏大量研究數(shù)據(jù)的積累，我國還尚未制定出專門針對(duì)于航天系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)和雷電效應(yīng)試驗(yàn)的具體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

四、運(yùn)載火箭的雷電防護(hù)技術(shù)

    由于運(yùn)載火箭在地面測試、轉(zhuǎn)場、發(fā)射待發(fā)及在大氣層飛行期間都存在遭受自然雷擊或誘發(fā)雷擊的可能，因此需要綜合考慮各種可能因素，從分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等角度開展防雷工作。對(duì)于運(yùn)載火箭的雷電防護(hù)，通常采取“防雷為主”的防護(hù)思路。

4.1 雷電效應(yīng)數(shù)值仿真技術(shù)

    作為一種預(yù)測分析手段，雷電效應(yīng)數(shù)值仿真技術(shù)能夠預(yù)測分析運(yùn)載火箭遭受雷擊時(shí)所產(chǎn)生的破壞效應(yīng)，從而指導(dǎo)防雷設(shè)計(jì)。美國自上世紀(jì)60年代啟動(dòng)航天系統(tǒng)防雷工作以來，就同步開展了雷電效應(yīng)數(shù)值仿真研究，形成了雷電流數(shù)學(xué)模型、雷電電磁場計(jì)算模型、雷電場線耦合算法等，可針對(duì)雷電感應(yīng)電磁場、雷電感應(yīng)電流/感應(yīng)電壓]進(jìn)行數(shù)值仿真分析。美國NASA、俄羅斯航天局等航天部門在上世紀(jì)70、80年代開發(fā)了應(yīng)用計(jì)算電磁學(xué)方法分析雷電效應(yīng)的數(shù)值仿真程序，并編制了軟件，進(jìn)行航天系統(tǒng)雷電效應(yīng)仿真研究。

與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國的雷電效應(yīng)分析工作起步相對(duì)較晚，目前雷電效應(yīng)分析技術(shù)還不算成熟，雷電效應(yīng)分析精度還不算精確，目前還在發(fā)展摸索階段。但是，由于雷電效應(yīng)仿真分析能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期防雷設(shè)計(jì)性能進(jìn)行快速的預(yù)測評(píng)估，因此該技術(shù)近年來已越來越受到重視。國內(nèi)的一些科研院所和高等院校如陸軍工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、解放軍第二炮兵工程大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京宇航系統(tǒng)工程研究所等單位通過課題研究、型號(hào)研制等方式也相繼開展了航天系統(tǒng)雷電效應(yīng)仿真研究工作。

4.2 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)

    美國在MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464C等軍用系列標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)說明了飛行器的防雷設(shè)計(jì)原則，對(duì)運(yùn)載火箭的防雷設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。例如戰(zhàn)神火箭就參考這些標(biāo)準(zhǔn)提出了開展直接雷擊和間接雷擊防護(hù)的要求，這些要求包括：分析雷電進(jìn)出點(diǎn)、對(duì)雷電可能的掃掠路徑加強(qiáng)的防護(hù)設(shè)計(jì)、設(shè)備間接效應(yīng)防護(hù)等。針對(duì)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(huì)傳導(dǎo)大的雷電電流，研制了防雷通信電纜。同時(shí)，美國NASA針對(duì)航天系統(tǒng)雷電防護(hù)還采取了一系列的措施，并進(jìn)行了雷電防護(hù)工程應(yīng)用。在其火箭研制過程中，NASA首先需要針對(duì)研制對(duì)象開展雷電分區(qū)設(shè)計(jì)，作為雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過開展雷電效應(yīng)數(shù)值仿真分析，評(píng)估火箭在不同階段可能遭遇的雷電環(huán)境，預(yù)測雷電效應(yīng)對(duì)于運(yùn)載火箭可能產(chǎn)生的破壞影響。然后根據(jù)仿真分析結(jié)果，建立全系統(tǒng)雷電防護(hù)準(zhǔn)則，確定防雷關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或設(shè)備并開展雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，其中包括對(duì)結(jié)構(gòu)的直接效應(yīng)防護(hù)和對(duì)設(shè)備或線纜的間接效應(yīng)防護(hù)。針對(duì)雷電直接效應(yīng)防護(hù)，主要考慮加強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)的屏蔽性能，而對(duì)于屏蔽性能較弱的復(fù)合材料一般采取在結(jié)構(gòu)外層涂覆金屬薄層的方法，同時(shí)在各金屬薄層之間使用導(dǎo)電性良好的搭接條以保證電氣通路的連續(xù)性。針對(duì)雷電間接效應(yīng)防護(hù)，首先需要通過仿真分析確定可能耦合進(jìn)入火箭系統(tǒng)內(nèi)部的雷電感應(yīng)電磁場強(qiáng)度，以及設(shè)備或線纜耦合產(chǎn)生的雷電感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓的量級(jí)。然后，根據(jù)內(nèi)部電氣電子設(shè)備的性能指標(biāo)確定設(shè)備的敏感度門限，并在設(shè)備端口采取雷電瞬態(tài)干擾抑制措施。值得注意的是，在火箭系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件中要求設(shè)備敏感度門限(ETSL)應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在設(shè)備內(nèi)部實(shí)際產(chǎn)生的雷電瞬態(tài)干擾量級(jí)。最后，運(yùn)載火箭雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的性能還需要通過試驗(yàn)進(jìn)行考核驗(yàn)證。一般選取有可能暴露在外部雷電環(huán)境或容易受到雷電電磁耦合作用影響的復(fù)合材料樣件、關(guān)鍵設(shè)備、天線、連接器、線纜等部件開展雷電效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，以考核火箭系統(tǒng)及其電氣設(shè)備自身的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)性能。

    蘇聯(lián)航天部門依據(jù)多年的防雷經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)運(yùn)載火箭雷電防護(hù)制訂了系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)研制規(guī)范，將雷電防護(hù)設(shè)計(jì)納入到火箭型號(hào)研制流程中，實(shí)現(xiàn)了防雷設(shè)計(jì)、工程實(shí)施和驗(yàn)證反饋的有效閉環(huán)。該規(guī)范要求在航天系統(tǒng)在型號(hào)研制過程中，應(yīng)首先從頂層制定全系統(tǒng)的防雷目標(biāo)，然后再根據(jù)分系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)分系統(tǒng)防雷目標(biāo)進(jìn)行分解，開展相應(yīng)的防雷方案設(shè)計(jì)和防雷措施實(shí)施，并在實(shí)施前后分別通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)防雷效果進(jìn)行預(yù)估和驗(yàn)證，在不滿足要求時(shí)進(jìn)行反饋整改，最終實(shí)現(xiàn)滿足全系統(tǒng)防雷目標(biāo)的要求。該項(xiàng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范曾成功應(yīng)用于蘇聯(lián)某固體動(dòng)力運(yùn)載火箭的研制。蘇聯(lián)航天部門還重點(diǎn)關(guān)注了材料雷電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)備雷電防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)于金屬材料，采取加厚、加層、多層結(jié)構(gòu)、設(shè)置分流條、涂導(dǎo)電涂層、金屬網(wǎng)等處理方法，加強(qiáng)材料抗雷擊的能力。對(duì)于復(fù)合材料，采取噴涂金屬粉末、加金屬層、多層結(jié)構(gòu)的雷電防護(hù)方法。在設(shè)備防護(hù)方面，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電子設(shè)備及電纜和天線分別進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

我國的運(yùn)載火箭防雷設(shè)計(jì)技術(shù)在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，具體開展的防雷設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)建立低阻抗連接，使雷擊電流能從進(jìn)入點(diǎn)順暢地流過殼體，并從泄放點(diǎn)回到大氣中；

   二是在遭雷電感應(yīng)的電路上采用過壓保護(hù)技術(shù)，使雷電流能迅速進(jìn)入泄放通道，避免對(duì)主用電路產(chǎn)生雷電脈沖危害；

   三是利用高電導(dǎo)率或高磁導(dǎo)率材料，對(duì)殼體表面電磁不連續(xù)部位，以及易感設(shè)備及其電纜進(jìn)行電磁屏蔽，防止雷電間接效應(yīng)的影響；

   四是在信號(hào)線中采用減少雷電感應(yīng)電壓的電路技術(shù)，如采用光學(xué)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(duì)運(yùn)載火箭進(jìn)行了防雷設(shè)計(jì)，但是由于目前我國在火箭型號(hào)研制流程中尚未系統(tǒng)的考慮雷電防護(hù)，缺少數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，導(dǎo)致火箭防雷設(shè)計(jì)性能無法得到有效的評(píng)估和驗(yàn)證，防雷工作與美俄相比還存在差距。

4.3 雷電防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

     雷電試驗(yàn)可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)防雷性能的真實(shí)驗(yàn)證，國外在航天系統(tǒng)型號(hào)研制過程中十分重視雷電試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，投入了大量的財(cái)力和物力開展雷電試驗(yàn)條件的建設(shè)，并多次開展雷電防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證，積累了大量的數(shù)據(jù)和寶貴的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于提升航天系統(tǒng)雷電防護(hù)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(yàn)的研究進(jìn)展，這是早期雷電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的代表性綜述，將當(dāng)時(shí)的雷電模擬能力與自然雷電特性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。1988年美國軍方就建立了紅石技術(shù)試驗(yàn)中心，主要服務(wù)于美國陸軍武器裝備、航天系統(tǒng)的雷電試驗(yàn)與評(píng)估，其規(guī)模可以保證對(duì)帶有數(shù)千磅燃料的固體運(yùn)載火箭進(jìn)行實(shí)彈試驗(yàn)。1995年在紅石兵工廠技術(shù)試驗(yàn)中心第五試驗(yàn)中心的雷電危害試驗(yàn)場進(jìn)行了運(yùn)載火箭隔熱防護(hù)材料樣片的雷電試驗(yàn)。1989年在美國猶他州Thiokol雷電綜合試驗(yàn)中心進(jìn)行了航天飛機(jī)固體火箭推力器模擬雷電電流沖擊試驗(yàn)。

      自上世紀(jì)60年代起，蘇聯(lián)也先后建成了多套高壓脈沖發(fā)生器和能夠開展全系統(tǒng)級(jí)雷電試驗(yàn)的設(shè)施，并配備了能產(chǎn)生高能量、大電流、高電壓的試驗(yàn)裝置和對(duì)雷電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的測量設(shè)備。通過開展單機(jī)、部段、縮比模型及系統(tǒng)級(jí)的雷電試驗(yàn)，從而有效驗(yàn)證了雷電防護(hù)性能，確保系統(tǒng)在采取防雷設(shè)計(jì)后能夠承受一定雷電效應(yīng)的沖擊。俄羅斯實(shí)驗(yàn)物理研究院下屬的高電壓研究中心和俄羅斯聯(lián)邦核中心均開展有高壓和大電流的雷電模擬實(shí)驗(yàn)。VNIIEF針對(duì)可移動(dòng)的雷電流注入試驗(yàn)需求，采用了爆炸磁累積發(fā)生器技術(shù)產(chǎn)生大電流，前沿為微秒量級(jí)、峰值最高可達(dá)到160 kA。另外，VNIIEF還可在高壓靜電場環(huán)境下開展雷電附著點(diǎn)試驗(yàn)。

     印度國防研究與開發(fā)組織雷電試驗(yàn)中心是印度軍方雷電模擬試驗(yàn)基地，滿足MIL、SAE、FAR等標(biāo)準(zhǔn)雷電試驗(yàn)要求。法國格拉瑪研究中心具有能夠開展全尺寸雷電試驗(yàn)的裝置，并開展過整機(jī)雷電試驗(yàn)。英國BAE公司研制了一款全威脅等級(jí)雷電模擬器，并用于以復(fù)合材料為主要結(jié)構(gòu)的歐洲臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)機(jī)和金屬機(jī)身的Nimrod MRA4偵察機(jī)雷電試驗(yàn)，通過全尺寸、高量級(jí)的注入試驗(yàn)為整機(jī)全系統(tǒng)及其內(nèi)部雷電防護(hù)措施的制定提供了重要依據(jù)。

目前我國尚未建設(shè)航天系統(tǒng)雷電試驗(yàn)的條件，航天系統(tǒng)仍需借助其它領(lǐng)域試驗(yàn)條件開展雷電試驗(yàn)研究。北京宇航系統(tǒng)工程研究所作為國內(nèi)運(yùn)載火箭主要研制單位，曾借助國內(nèi)電力部門的試驗(yàn)條件，對(duì)運(yùn)載火箭艙段、電爆管、殼體結(jié)構(gòu)分別開展了最大80 kA的沖擊電流試驗(yàn)和最大1400 kV的沖擊電壓試驗(yàn)，另外對(duì)某地面系統(tǒng)開展了最大20 kA的沖擊電流試驗(yàn)和1200 kV量級(jí)的沖擊電流試驗(yàn)，在一定程度上驗(yàn)證了對(duì)于雷電直接效應(yīng)的防護(hù)性能。另外，還針對(duì)運(yùn)載火箭部分線纜和電氣電子設(shè)備開展了雷電間接效應(yīng)試驗(yàn)研究，測試了運(yùn)載火箭附近的雷電電磁環(huán)境，積累了雷電試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

五、地面支持系統(tǒng)的雷電防護(hù)技術(shù)

    由于運(yùn)載火箭在測試、轉(zhuǎn)場、地面待發(fā)時(shí)存在遭受自然雷擊的可能，因此在對(duì)運(yùn)載火箭自身進(jìn)行雷電防護(hù)以外，同樣還需要考慮地面支持系統(tǒng)的防雷。對(duì)于地面支持系統(tǒng)的雷電防護(hù)，通常采取“避雷為主”的防護(hù)思路。

5.1 雷電氣象監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

     雷電氣象監(jiān)測預(yù)警是地面防雷系統(tǒng)的重要組成部分，一般是通過發(fā)射場氣象站對(duì)周圍的雷電氣候進(jìn)行監(jiān)測，收集雷電氣候特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行雷電氣象監(jiān)測與預(yù)警，可為地面雷電防護(hù)提供參考。

     美國在1980年～1986年間通過在F-106B飛機(jī)上安裝雷電感應(yīng)設(shè)備和雷電壓、雷電流測試設(shè)備，使該飛機(jī)在真實(shí)飛行狀態(tài)下進(jìn)入雷暴區(qū)，在數(shù)百次遭受雷擊的情況下獲得了大量雷電氣象數(shù)據(jù)。通過研究雷暴活動(dòng)和大氣電場，以便找到更好的方法進(jìn)行更準(zhǔn)確和及時(shí)的預(yù)報(bào)，最大限度地減少雷電發(fā)生時(shí)可能帶來的損失。在卡納維拉爾角航天發(fā)射場建立由發(fā)射場雷電預(yù)警系統(tǒng)、云對(duì)地雷電偵察系統(tǒng)以及閃電探測與測距系統(tǒng)構(gòu)成雷電氣象系統(tǒng)，進(jìn)行對(duì)發(fā)射場區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警。在美國肯尼迪的航天發(fā)射場，雷電氣象監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)125英里或75海里范圍內(nèi)的雷電定位，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在航天場區(qū)30英里范圍內(nèi)的精確定位。同時(shí)能夠根據(jù)地面大氣電場的變化，對(duì)火箭發(fā)射過程中是否有可能觸發(fā)雷擊進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)大氣電場的變化情況給出雷電氣象預(yù)警?？夏岬虾教彀l(fā)射場的氣象辦公室還針對(duì)雷電氣象特點(diǎn)，進(jìn)行雷電預(yù)警方案設(shè)計(jì)，提出八項(xiàng)針對(duì)于潛在雷電氣象的發(fā)射否決條件。

     蘇聯(lián)通過在云層密級(jí)時(shí)發(fā)射探空氣象火箭的方法，監(jiān)測空中大氣電場的變化，同時(shí)在地面沿火箭軌跡布置監(jiān)測設(shè)備，測試地面大氣電場值。通過多次發(fā)射統(tǒng)計(jì)火箭誘發(fā)雷擊的概率。

     對(duì)于我國沿海地區(qū)的航天發(fā)射場來說，雖然國內(nèi)現(xiàn)有的地面雷電防護(hù)技術(shù)已經(jīng)能夠基本滿足防雷的需求，但是與國外沿海地區(qū)的航天發(fā)射場相比可以看出雷電防護(hù)設(shè)計(jì)手段還存在一定的差距，雷電防護(hù)措施還不夠完善，對(duì)于運(yùn)載火箭在海面或地面的雷電防護(hù)措施考慮還不夠周全，因此需要針對(duì)沿海地區(qū)的特點(diǎn)對(duì)地面雷電防護(hù)技術(shù)進(jìn)行提升。

我國在內(nèi)陸航天發(fā)射場建立一套由天氣雷達(dá)數(shù)字化處理系統(tǒng)、衛(wèi)星云圖數(shù)字化處理系統(tǒng)、大氣電場儀系統(tǒng)、雷電探測系統(tǒng)、雷電定位系統(tǒng)、中心工作站等7個(gè)部分組成的雷電氣象監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)于內(nèi)陸雷電現(xiàn)象不算頻繁的情況，基本能夠滿足內(nèi)陸航天發(fā)射場雷電氣象監(jiān)測與預(yù)警要求。但是對(duì)于雷電氣象變化頻繁的沿海發(fā)射場，現(xiàn)有的技術(shù)還不能夠完全滿足要求，國內(nèi)現(xiàn)有的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)還不能實(shí)現(xiàn)大范圍雷電氣象預(yù)警和臨近雷暴天氣的快速預(yù)測，雷電氣象監(jiān)測和預(yù)警能力還達(dá)不到國外航天發(fā)射場的能力，技術(shù)水平有待進(jìn)一步提高。

5.2 地面雷電防護(hù)技術(shù)

5.2.1 傳統(tǒng)地面防雷技術(shù)

     在發(fā)射塔架上設(shè)置獨(dú)立的避雷針，能夠避免航天系統(tǒng)在發(fā)射準(zhǔn)備階段直接遭受雷擊的情況。通常在雷雨天氣，當(dāng)空中出現(xiàn)帶電云層時(shí)，避雷針尖端將感受到大量電荷。當(dāng)云層上電荷較多時(shí)，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(dǎo)入大地，從而保護(hù)航天發(fā)射場及待發(fā)狀態(tài)飛行器的安全。避雷網(wǎng)是通過在發(fā)射塔架附近，按照滾球法防雷原則建立三、四座獨(dú)立的避雷塔，將發(fā)射塔架置于中心，以此形成避雷網(wǎng)系統(tǒng)。

    美國卡納維拉爾角航天發(fā)射場的沿海發(fā)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(gòu)成五邊形避雷網(wǎng)形成地面防護(hù)。

蘇聯(lián)時(shí)期建設(shè)的航天發(fā)射場采用了建立獨(dú)立避雷塔方案，其中拜科努爾發(fā)射場設(shè)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(zhì)子號(hào)火箭200號(hào)發(fā)射區(qū)有兩個(gè)發(fā)射臺(tái)，每個(gè)發(fā)射臺(tái)場坪上都建有兩座高110 m的避雷塔，每座避雷塔距發(fā)射場坪55 m。普列謝茨克等其它發(fā)射場也采用了相似的地面支持系統(tǒng)避雷設(shè)計(jì)方案。

     在法屬圭亞那航天中心內(nèi)，阿里安第一、二發(fā)射場采取了在發(fā)射塔架上安裝避雷針的方法，而第三發(fā)射場則采取了設(shè)置避雷網(wǎng)的方法，即在火箭總裝廠房屋頂安裝四根避雷針和設(shè)置獨(dú)立避雷塔，各避雷塔頂端同樣用金屬鋼絲連接。

我國現(xiàn)有的內(nèi)陸航天發(fā)射場目前主要采取“三塔”構(gòu)成避雷網(wǎng)系統(tǒng)的防雷模式。例如太原發(fā)射場和西昌發(fā)射場第一發(fā)射工位都設(shè)置了三座125米高的獨(dú)立避雷塔。西昌發(fā)射場第二發(fā)射工位設(shè)置了三座170米高的獨(dú)立避雷塔。每兩座避雷塔之間的保護(hù)角度均不大于45度，并由這三座獨(dú)立的避雷塔構(gòu)成發(fā)射場區(qū)的避雷網(wǎng)系統(tǒng)。由于內(nèi)陸地區(qū)雷電氣象不算頻繁，因此這種地面場區(qū)避雷網(wǎng)技術(shù)可以使運(yùn)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(shù)

    傳統(tǒng)的固定式避雷裝置在受到雷擊時(shí)，會(huì)在避雷針、引下線和接地導(dǎo)體中流過瞬態(tài)強(qiáng)電流，在周圍空間激發(fā)強(qiáng)烈的輻射電磁場，在受保護(hù)物體上產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓或大電流或抬升地電位而產(chǎn)生反擊，致使設(shè)備受到干擾，甚至完全損壞。同時(shí)，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(nèi)外在其他地面防雷方法上也開展了研究，一些新技術(shù)得到了發(fā)展，其中包括火箭引雷、激光引雷、提前接閃避雷、主動(dòng)消雷等技術(shù)。

通過人工方式引雷的進(jìn)行地面防護(hù)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(dá)首次完成了火箭引雷試驗(yàn)。1977年，我國首次成功實(shí)施火箭引雷試驗(yàn)。近十年，國內(nèi)例如中科院、陸軍工程大學(xué)等單位也開展了相關(guān)的研究，并成功實(shí)現(xiàn)了火箭引雷試驗(yàn)?；鸺准词褂眯』鸺隣恳粭l金屬絲直接發(fā)射到雷云中，誘發(fā)產(chǎn)生雷擊的條件，達(dá)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(zhì)，形成光電通道和高溫氣體，誘發(fā)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(diǎn)，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(chǎn)品。2000年，基于提前接閃避雷思路的主動(dòng)避雷技術(shù)引入國內(nèi)，相對(duì)于傳統(tǒng)的避雷技術(shù)，由于提前放電型避雷針利用雷云在空中感應(yīng)的電場強(qiáng)度，使針頭的感應(yīng)電極與針尖之間產(chǎn)生強(qiáng)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(dǎo)，使迎面先導(dǎo)提前與下行先導(dǎo)相遇，形成主放電通道，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避雷的目的。

5.2.3 接地技術(shù)

    對(duì)航天地面支持系統(tǒng)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(fā)射場引起的損害，在發(fā)射場設(shè)置均壓接地網(wǎng)。這樣既可保證航天發(fā)射場在遭受雷擊時(shí)能夠?yàn)槔纂娏魈峁┮粋€(gè)直接到大地的低阻抗通路，短時(shí)間內(nèi)將雷電流釋放到大地，不會(huì)危及航天系統(tǒng)及其地面輔助設(shè)備。航天發(fā)射場需要根據(jù)GJB1696-93《航天系統(tǒng)地面設(shè)施電磁兼容性和接地要求》進(jìn)行地面支持系統(tǒng)均壓接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

     近二十年，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，新型接地材料技術(shù)的日趨成熟，為接地工程的設(shè)計(jì)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(wǎng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的防熱焊技術(shù)及產(chǎn)品；考慮綜合性價(jià)比高的接地模塊；考慮使用壽命的帶陰極保護(hù)的鋅包鋼接地極、鋅包鋼離子接地極等；考慮地網(wǎng)快速布撤的金屬、石墨柔性接地和采用導(dǎo)電液釋放雷電流的流體接地方式等。

六、我國航天系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)展望

     我國海南沿海地區(qū)的航天發(fā)射場已經(jīng)建成投入使用，我國新型的運(yùn)載火箭已經(jīng)在沿海發(fā)射場執(zhí)行任務(wù)。由于沿海地區(qū)存在雷電氣候變化頻繁的特點(diǎn)，所面臨的雷電環(huán)境將更加嚴(yán)酷。因此還需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)防雷研究工作，提升現(xiàn)有的防雷技術(shù)手段，以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的雷電環(huán)境。對(duì)我國航天系統(tǒng)防雷技術(shù)進(jìn)行展望，可以從以下幾方面開展工作：

(1)以型號(hào)為依托開展防雷設(shè)計(jì)流程研究

     制定雷電防護(hù)要求，就需要充分了解運(yùn)載火箭可能經(jīng)歷的雷電環(huán)境。開展型號(hào)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)其自身的特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)，并能進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證。目前我國航天型號(hào)在防雷設(shè)計(jì)上，主要借鑒以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，沒有明確指出防雷設(shè)計(jì)指標(biāo)的涵義，并且很少對(duì)設(shè)計(jì)性能進(jìn)行考核驗(yàn)證，很難達(dá)到型號(hào)防雷設(shè)計(jì)的閉環(huán)。在這方面，可以借鑒國外先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，將雷電設(shè)計(jì)真正融入型號(hào)研制流程，使防雷設(shè)計(jì)真正服務(wù)于型號(hào)，應(yīng)用于型號(hào)。

(2)系統(tǒng)規(guī)范航天雷電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

     世界各國都很重視航天領(lǐng)域的雷電防護(hù)工作，個(gè)別部門還制定了詳細(xì)的防雷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前，我國航天領(lǐng)域僅有GJB1804-1993《運(yùn)載火箭雷電防護(hù)》，且僅提出了比較寬泛的防雷設(shè)計(jì)思路，沒有詳細(xì)描述設(shè)計(jì)指標(biāo)的條件，缺乏相應(yīng)的防雷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。另外對(duì)于地面支持系統(tǒng)的防雷也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(3)開展全系統(tǒng)雷電效應(yīng)數(shù)值仿真分析研究

    仿真作為一種當(dāng)前受到廣泛應(yīng)用的分析方法，能夠進(jìn)行初步的預(yù)測評(píng)估。雷電仿真同樣能夠在型號(hào)研制初期，對(duì)系統(tǒng)防雷性能進(jìn)行初步分析和整體評(píng)估。當(dāng)前的雷電仿真多是從“場”的角度進(jìn)行研究，很少考慮到系統(tǒng)的電路特性，因此仿真得到結(jié)果與實(shí)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(shí)現(xiàn)相互的轉(zhuǎn)化，因此后續(xù)在開展雷電仿真分析時(shí)還應(yīng)結(jié)合航天系統(tǒng)集總電路的影響，將“場”分析與“路”分析相結(jié)合，可以得到更準(zhǔn)確的雷電效應(yīng)預(yù)測分析結(jié)果。

(4)開展雷電試驗(yàn)技術(shù)研究和驗(yàn)證條件建設(shè)

     開展雷電試驗(yàn)驗(yàn)證是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在問題，驗(yàn)證產(chǎn)品雷電防護(hù)性能最有效的手段。面對(duì)航天型號(hào)提出的防雷性能指標(biāo)要求，雷電試驗(yàn)驗(yàn)證手段的缺乏將會(huì)成為制約型號(hào)順利完成研制任務(wù)的因素。

     國內(nèi)航天領(lǐng)域在雷電防護(hù)驗(yàn)證手段上一直存在空白，且沒有雷電試驗(yàn)條件用于開展防雷性能的驗(yàn)證分析。需要建設(shè)符合航天型號(hào)需求的雷電試驗(yàn)條件和雷電試驗(yàn)設(shè)備。對(duì)于防雷設(shè)計(jì)技術(shù)在航天型號(hào)推廣應(yīng)用中遇到的難題，應(yīng)集中開展研究和試驗(yàn)，可以向航空部門學(xué)習(xí)，以單機(jī)、縮比模型、部段、復(fù)合材料等為起點(diǎn)，開展小型雷電試驗(yàn)，解決型號(hào)雷電防護(hù)共性問題。在試驗(yàn)技術(shù)成熟時(shí)，再建立系統(tǒng)級(jí)雷電實(shí)驗(yàn)室和野外試驗(yàn)場，針對(duì)航天系統(tǒng)開展全系統(tǒng)雷電試驗(yàn)。

七、結(jié)束語

    航天的發(fā)展關(guān)乎一個(gè)國家的戰(zhàn)略發(fā)展，是一個(gè)國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。航天系統(tǒng)的雷電防護(hù)技術(shù)水平，關(guān)乎到系統(tǒng)的全天候能力。在國防建設(shè)的重要時(shí)期，應(yīng)高度重視航天系統(tǒng)的防雷工作，應(yīng)大力發(fā)展防雷技術(shù)，對(duì)于提高我國航天系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性，確保發(fā)射任務(wù)成功意義重大。