飞机雷击建模的复杂性

世界上每一秒都有40到100次雷击。商用和军用飞机也不能幸免于这种现象，它们也会受到雷击。

如果不适当地减轻闪电的影响，可能导致飞机的全部损失。闪电的影响一般分为影响物理结构(直接影响)和影响电子设备(间接影响)两种。开发、认证和修改空中平台的成本的很大一部分用于分析、设计和测试防雷技术。

在海拔5万英尺以下的地面上可能会出现闪电。所有在50,000英尺高空运行的地面结构和空中平台都必须在设计中考虑雷电环境。

一项重要的工程任务是确定闪电会附着在飞机或其他物体上的位置。附件位置是飞机和设施设计的关键问题。

闪电最初附着在飞机的一个位置，并在一个或多个位置退出。超过90%的飞机雷击是由飞机本身引发的。换句话说，如果没有飞机的存在，闪电事件就不会发生。在闪电附着过程中，引线起源于飞机，并向空中传播数米的距离，直到它们拦截接近的引线，或云层中极性相反的电荷区域。

保护飞机免受雷击的第一步是确定雷击可能击中飞机的区域。飞机的移动速度比闪电事件的持续时间要快，所以当飞机向前移动时，闪电扫回来，往往会有多个打击点。

飞机的闪电分区包括根据闪电附着、闪电扫掠和闪电挂起的可能性，将每架飞机的外表面区域划分为一个特定的类别。所需的步骤详见SAE国际标准ARP 5414A:飞机分区。有三种遗留方法来确定附件位置:

• 比例模型测试-飞机的一个小模型版本被带到高压实验室。模型被调整以观察闪电弧线可能附着的地方。
• 滚动球体分析-在飞机外模线(OML)上滚动一个球体，其半径与可能的峰值闪电电流相关，以查看可能发生附件的位置。
• 电场建模-使用3D电磁(EM)模拟，将领导者带到飞机模型附近，以查看电场(E-field)最有可能附着的位置。

虽然这三种方法都被标准权威机构所接受，但e场建模具有最大的技术基础。比例模型测试不是最佳的，因为已知曲率半径会影响物体附近的电场增强。通过缩放模型的尺寸，人为地调整曲率半径，使结果产生偏差。滚球法在地面装置中有着悠久的历史遗产。然而，还没有一个第一性原理的推导，从涉及闪电附着的基本物理效应。

由于缺乏精确模拟空气中电晕的非线性和多物理场效应的仿真工具，以前的电场建模使用线性方法。而非线性方法是确定闪电附着位置最准确、最定量的方法。

EMA3D电荷是一款专为分析充电和放电现象而设计的仿真软件，包括耦合多物理场求解器，可以模拟闪电附着的全部动力学。该工具通过求解时域的非线性空气电导率效应来求解空气中电晕效应的动力学。它计算正离子、负离子和电子的密度作为空间和时间的函数。

空气电离和复合的物理过程包括电子雪崩、电子附着于中性分子形成负离子、电子-正离子复合和负离子-正离子复合。

流体动力学通过求解动量、能量和粒子密度守恒的流体方程来建模。这些方程包括作用在带电粒子上的磁力和电磁力。流体守恒方程与的解在同一网格上同时求解万博Ansys麦克斯韦电动力学方程和空气电离和复合方程。

求解器使工程师能够预测空气分解和电晕将在哪里形成。进一步模拟，它显示了车辆和建筑物上闪电会附着的确切位置。

在下面的图片中，我们考虑一架来自电动垂直起降(eVTOL)平台的旋翼飞机。接近的闪电引线上有电流源。eVTOL旋翼机连接到计算边界。

EMA3D Charge的非线性空气化学模块捕获了来自接近的前导的日冕动力学。模拟决定了闪电会附着在哪里。在这种情况下，附件是转子本身。在模拟之前，这个结果可能没有得到保证。

由于仿真是动态的，它还可以确定放电的波形。复合动力学还解决了在放电事件之间载流子的减少。

EMA3D Charge的非线性空气化学模块背后的解算器已经在一个政府项目中得到验证，在这个项目中，一架装有传感器的F-106飞机被故意飞到雷暴中，希望能被闪电击中。在收集了714次雷击数据后，EMA3D Charge中的求解器对数据进行了解释和再现¹．这项有影响力的工程工作发现了新的闪电波形，是现代闪电发展计划的许多方面的基础。

EMA3D电荷是Ansys基于一个经过验证的多物理场求解器万博的新产品，该求解器可以根据闪电事件细节规范确定闪电附着的位置。设计、认证和测试飞机和闪电结构的工程师必须考虑闪电的影响。这项工作在开发、认证、维护和升级飞机的总工程成本中占很大比例。闪电计划最关键的任务之一是确定每种类型的闪电事件将附着在平台上的统计概率。现在，EMA3D Charge的空气化学解算器实现了这一进步，所有的闪电工程师都可以在商业上使用。

参考文献

[1]张志强，李志强，“雷电对飞机震动的影响(电子系统保护)”，2011IEEE频谱，第25卷，第25号。7, pp. 34-38, 1988年7月，doi: 10.1109/6.4573。