闪电响应:飞机闪电脆弱性的快速评估

By 万博Ansys Advantage Staff

巴西一家航空公司的数据显示，一架短途支线飞机每飞行1万小时，就会遭遇至少一次雷击。

对于那些害怕飞行的人来说，这一次可能太多了。但事实是，虽然乘客可能会看到闪光或听到一声巨响，但飞机仍有可能安全飞往目的地。幸运的是，自1988年以来，还没有发生过由闪电引起的灾难性飞机事故。¹

这并不是说运输类飞机在某种程度上不受雷击的影响，或者良好的记录仅仅是运气的结果。航空当局要求制造商在每个飞机部件和系统中设计防雷装置，然后证明他们遵守了规章制度。为了评估对雷击的脆弱性，航空工程师必须了解飞机的特定闪电环境。传统上，这依赖于进行物理闪电测试，这是一个昂贵且往往繁琐的过程。

民用和军用飞机的制造商万博Ansys EMA3D电缆集成了MHARNESS求解器，以提高他们对飞机系统闪电响应的理解，并验证了将全飞机模拟与全物理闪电瞬态分析(LTA)测试进行比较的合规性数值方法。

认证的新方法

当闪电击中飞机时，它会产生直接或间接的影响。直接影响包括对结构和部件的物理损坏;当闪电引起电子电缆的瞬变时，会产生间接影响，导致电力浪涌，可能会破坏或物理损坏飞行关键的电子系统。尽管绝大多数事故造成的只是容易修复的小问题，但商用飞机制造商、监管机构或飞行公众都不希望雷击发生在偶然的情况下。这就是为什么世界各地的航空当局制定了严格的防雷标准。

作为验证飞机对闪电反应的一部分，制造商通常会提交物理闪电测试的结果，这种测试是在停机坪上通过产生类似闪电的能量并将其注入测试飞行器中来完成的。这一过程既昂贵又复杂，需要特殊的设备、额外的人员，而且往往需要足够的时间来重新配置飞机，以便将产生闪电的探测器精确地放置在正确的位置。总的来说，进行测试可能会使测试飞机停飞长达一个月，如果在同一架飞行器上进行其他认证测试，则会使计划陷入僵局。更重要的是，物理闪电测试可能会损坏飞机，导致额外的维修延误。

仿真避免了这些类型的瓶颈，但对于每一次仿真工作，必须确定和证明模型准确再现实验结果的能力。

作为原型运输类飞机开发的一部分，飞机制造商使用Ansys EMA3D电缆集成了MHARNESS，一种电缆线束电磁求解器，来模拟闪电对航空电子设备的间接影响。万博然后，他们将结果与传统的全飞机LTA测试进行了比较。这些技术测量由于电压和电流的突然变化而在系统中发生的暂时振荡，并用于物理测试，以建立设备瞬态设计电平(etdl)和飞机实际瞬态电平(ATLs) -系统和设备必须承受的振幅和波形，以确保功能和安全。仿真结果与整车测试结果非常吻合，验证了使用计算电磁学(CEM)仿真软件以类似于传统整车LTA分析的方式确定飞机ATLs的方法。

无与伦比的细节和准确性

为了分析闪电是如何与电子线束耦合的——换句话说，闪电是如何进入从驾驶舱穿过飞机机身的电缆和电线的集合中——制造商首先必须根据实际的飞机设计重建一个模型。万博Ansys EMA3D电缆与MHARNESS提供了一个工作流程，允许工程师建模线束中的电缆包装，以及整个飞机中每条电缆和电线的实际路由和空间定位。没有其他仿真软件能够像EMA3D Cable一样，以同样的细节和精度复制测试车辆的配置。

其他步骤包括:

• 确定结构材料的性能。
• 确定电缆特性，了解传输阻抗，测量其屏蔽性能。
• 模拟电缆上的雷电等级。
• 验证仿真模型。
• 减小波形的幅值以满足DO-160防雷标准。波形表示电压和电流如何随时间变化。减小波形的振幅可以减少设备的故障。

工程师们最初为飞行配置准备了模型，但后来对其进行了改进，以匹配实验测试配置。

与传统测试相比，闪电速度

制造商通过使用模拟来确定其新飞机的闪电响应获得了各种好处，包括:

• 减少了昂贵的飞机测试范围。
• 改进测试设置和配置。
• 在不重新配置飞机的情况下，将探测点扩展到可用于物理测试的范围之外。
• 消除了重新配置或修改飞行测试飞行器组件的需要。
• 优化电缆布线。
• 消除测试发生器噪声问题，数据采集限制和探头实施影响。

模拟还将测试周期从长达一个月的时间缩短到一小部分时间，并且在测试完成后可以快速轻松地更改设计。

也许最重要的是，Ansys求解器技术使公司能够获万博得与LTA测量相当的模拟结果。振幅在同一数量级，波形具有相似的峰值和持续时间。能够产生这些结果为建模技术和参数输入提供了信心，并表明预测闪电瞬变的模拟方法可以用于飞机认证。

源

1.”7雷击造成的飞机灾难，《华尔街日报》2019年2月21日报道