系留气球的雷电防护的验证方法与流程

本发明涉及系留气球雷电防护试验与测试的技术领域，尤其是涉及一种系留气球雷电防护的验证方法。

背景技术：

随着航空技术的快速发展，对系留气球的研究也逐步增多。在对系留气球的试验试飞过程中，一些严重影响系留气球安全的因素也逐渐暴露出来。

自然雷电天气就是一个非常重要的影响因素。系留气球的工作高度一般为海拔2000米左右。不同地域、不同季节的云底高度不同，就雷电领域的研究而言，一般认为云底高度为1500米，即系留气球处于云层中间，此处云层内部、云层间雷电活动频繁。低空系留气球的雷击事故会引起的财产损失和延误型号研制进度，系留气球的雷电防护设计验证成为了国内承研单位及使用部门关注的重点。

申请人经研究发现：目前，系留气球的雷电防护试验技术是建立在飞机防雷试验的标准研究探索及理论分析基础上的，并未有成熟的系留气球雷电防护试验标准。由于雷击是一种自然现象，在外场进行雷电防护试验成本高，时间长，且仅经理论分析完成的雷电防护设计不能证明防雷系统的有效性及可靠性，会危及到设备和人员的安全，系留气球的雷电防护设计测试及试验不能在真实雷电环境下进行，只能先在试验室进行准确性较低的试验。

如何针对系留气球采取的防雷措施，能够准确地、系统地评估系留气球防雷系统的理论防雷效果，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

鉴于此，为了解决现有技术中的至少一种技术问题，本发明提供了一种系留气球雷电防护的验证方法。该方法包括：

选取待验证的系留气球的预设缩比尺寸的系留气球缩比模型；

搭建用于验证系留气球缩比模型的验证平台，验证平台包括：放电电路、控制电路和测量电路；

利用控制电路控制放电电路，使得放电电路向系留气球缩比模型注入指定波形的雷电流；

利用测量电路测量注入了雷电流的系留气球缩比模型的电击情况，并得到测量结果；

根据测量结果确定系留气球的雷电防护效果。

本发明实施例针对系留气球采取的防雷措施，提供了试验室条件下防雷系统的试验技术和方法，通过复现系留气球上所出现的雷电效应，间接的测试球上雷电防护系统的实际防雷效果，并对系留气球防雷系统设计进行完善。同时，开展配有防雷系统实物的系留气球的外场试验，研究、验证相关的试验、测试技术，以验证自然环境下防雷系统的实际防雷效果，切实保证系留气球在恶劣天气条件下的出勤率和安全性，为系留气球这一新领域的发展提供重要保证。能够准确地、系统地评估系留气球防雷系统的理论防雷效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的预设缩比尺寸的系留气球缩比模型的试验示意图；

图2是本发明一实施例的系留气球缩比模型的安装示意图；

图3是本发明一实施例的地轴坐标系的示意图；

图4是本发明一实施例的雷电流注入试验安装的示意图；

图5是本发明一实施例的雷电流传导试验安装示意图；

图6是本发明一实施例的雷电流注入试验安装台架示意图；

图7是本发明一实施例的系留缆绳冲击电压试验的示意图；

图8是本发明一实施例的避雷索雷电流溅落试验的示意图；

图9是本发明一实施例的电晕流光试验的示意图；

图10是本发明一实施例的避雷索支撑杆或囊体材料雷电冲击电压试验的示意图；

图11是本发明一实施例的雷电流波形监测设备电路的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示意性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域的技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体设置和方法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了结构、方法、器件的任何改进、替换和修改。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以互相结合，各个实施例可以相互参考和引用。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明一实施例的预设缩比尺寸的系留气球缩比模型的试验示意图。

如图1所示，验证平台可以包括：放电电路、控制电路和测量电路。该验证平台可以是用于验证系留气球缩比模型的验证平台。

其中，放电电路可以包括：充电装置、保护球隙、组合电容、放电球隙、调波阻抗、电容分压器、冲击电压发生器、放电电极和接地平板。

其中，充电装置、放电球隙、调波阻抗、电容分压器和冲击电压发生器依次串接；充电装置、保护球隙、组合电容分别并联在放电球隙和冲击电压发生器之间；放电电极分别与调波阻抗和电容分压器连接；接地平板分别与冲击电压发生器和电容分压器连接。

其中，系留气球缩比模型应能反映系留气球的空间结构、导体或非导体材料和电场布置。采用实际囊体材料制作球体。试验前气囊内充好氦气，整流罩内放入任务设备缩比骨架。试验选取的系留气球缩比模型缩比尺寸分为1/20、1/25、1/30。另外，在满足试验室要求的情况下可选择一个小于1/20的缩比尺寸值模型。对与雷电流幅值，在1～200ka的区间选取数个典型值，如3、20、100、200ka，对应的击距分别为19.6m、70m、203m、322m，根据缩比模型的缩比比例进行相应的击距缩比。缩比模型雷电附着点试验采用雷电压波形取分量c及分量d进行考核，参数符合gjb3567-1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法的规定》。每个缩比尺寸的附着点试验都分成棒电极和平板电极试验两部分进行。

预设缩比尺寸的系留气球缩比模型的试验可以包括如下步骤：

s101，选取待验证的系留气球的预设缩比尺寸的系留气球缩比模型；

s102，搭建用于验证系留气球缩比模型的验证平台，验证平台包括：放电电路、控制电路和测量电路；

s103，利用控制电路控制放电电路，使得放电电路向系留气球缩比模型注入指定波形的雷电流；

s104，利用测量电路测量注入了雷电流的系留气球缩比模型的电击情况，并得到测量结果；

s105，根据测量结果确定系留气球的雷电防护效果。

图2是本发明一实施例的系留气球缩比模型的安装示意图.

如图2所示，系留气球缩比模型放置在放电电极和接地平板之间。接地平板设置在2个支架之间。

在一些实施例中，棒电极试验可以包括如下步骤：

1)将某个缩比比例的缩比模型试验件安放在工装夹具上，并使模型处于棒电极和接地平板之间。

2)使用棒电极模拟自然雷电先导对系留气球的接近，调整雷电流发生器，使其产生符合gjb3567-1999要求的雷电压c波形。

3)调整模型姿态，使棒电极对准模型的方位应能反映飞行中可能出现的雷电先导接近系留气球的方位，棒电极端点与系留气球该姿态下的最高点间的距离分别选用不同的雷电击距缩比值。而后进行放电，试验后检查试验件状态(是否出现附着损伤)并记录拍照。

在一些实施例中，平板电极试验可以包括如下步骤：

1)将缩比模型试验件安放在工装夹具上，并使模型处于平板电极和接地平板之间。

2)使用平板电极模拟由系留气球触发的雷电先导，调整雷电流发生器，使其产生符合gjb3567-1999要求的雷电压d波形。

3)调整模型姿态，平板电极与系留气球该姿态下的最高点间的距离分别选用不同的雷电击距缩比值。对准平板电极并放电。试验后检查试验件状态(是否出现附着损伤)并记录拍照。

棒电极或平板电极与模型的距离根据系留气球缩比尺寸确定。姿态调整时，该距离不应出现变化。

在一些实施例中，试验时会涉及模型姿态的调整及棒电极或平板电极对准模型的方位确定，其调整方案可以包括如下的s201和s202的步骤：

s201，义系留气球模型姿态使用地轴坐标系。

图3是本发明一实施例的地轴坐标系的示意图。如图3所示，俯仰角θ系留气球抬头为正，偏航角ψ系留气球机头右偏航为正，滚转角系留气球右滚转为正。

s202，雷电方位角以30°为变化增量，通过俯仰、横滚及偏航的不同组合生成各种模型姿态角作为棒电极或平板电极试验的雷击方位角。具体雷击试验方位角见表1。

表1雷击方位编号

在一些实施例中，可以对系留气球雷电直接效应防护设计试验验证。

其中，系留气球特有结构件包含系留缆绳、避雷索、避雷索支撑杆、囊体材料等。对于系留缆绳，由于其连接地面与空中球体，应增加相应的雷电冲击电压试验，防止缆绳绝缘被击穿。

在一些实施例中，系留缆绳雷电防护试验可以是系留缆绳雷电大电流试验。

系留缆绳雷电大电流试验的考核要求是检验系留缆绳流过雷电流时导雷层的雷电通流能力(导雷层是否融化、烧端、损伤绝缘层、损伤抗拉层、缆绳外护套有否融化的现象)及对缆绳绝缘等造成的破坏程度等，保证系留气球在承受总体要求的雷电电流后不出现系留缆绳断裂而导致逃逸事故。系留缆绳在雷电大电流试验中的一项核心考核是在雷电大电流试验后进行强度拉力试验，研究不同雷电流幅值下的系留缆绳强度变化情况。根据系留气球区域划分分析，系留缆绳应处于区域1中，按照gjb3567-1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法的规定》采用冲击雷电电流发生器分别进行以下试验：系留缆绳雷电流注入试验；系留缆绳导雷层雷电流传导试验。雷电流波形取分量a及分量c进行考核。为研究缆绳在承受不同雷电流强度后的损伤情况，为研究考核指标，将试验a、c分量分为数个量级进行考核。在雷电流分量a(10ka～200ka)、分量c(30c～100c)中选取几个典型的数值，如分量a(10ka)、c(30c)，分量a(30ka)、c(50c)，分量a(200ka)、c(200c)进行雷电流注入与传导试验。

系留缆绳雷电流注入试验步骤可以如下所述：

s301，取长约4m缆绳试样1根，将其置于雷电流试验台架上。缆绳一端与雷电流发生器的高压放电球极靠近，另一端施加与系留气球工作载荷等值的拉力并接地。

s302，调整雷电流发生器，使其产生符合gjb3567-1999要求的雷电流分量a、c波形，并对系留缆绳施加雷电流分量a、c波形(两个波形为依次连续注入)。试验后检查试验件状态(如断裂、凹坑等情况)并记录拍照。

s303，若试验件没有断裂，对其进行断裂强度试验，记录试验件断裂时拉力传感器上显示的最大力值。

图4是本发明一实施例的雷电流注入试验安装的示意图.

如图4所示，系留缆绳雷电流传导试验步骤可以如下所述：

s401，取长约2m缆绳试样，将缆绳试样置于雷电流试验台架上。缆绳两端剥离5cm左右的外护套露出导雷层，用导电性良好的铝排压住导雷层。铝排一端接地，另一端连接电流发生器高压电极。

s402，调整雷电流发生器，使其产生符合gjb3567-1999要求的雷电流分量a、c波形，并对系留缆绳施加雷电流分量a、c波形(两个波形为依次连续注入)。试验后检查试验件状态(如断裂、凹坑等情况)并记录拍照。

s403，若试验件没有断裂，对其进行断裂强度试验，记录试验件断裂时拉力传感器上显示的最大力值。

本试验还可得到绝缘层、抗拉层、外护套的一些使用特性和参数，为材料选择、缆绳各部分设计时的参数选取提供依据。另外，还可以得到系留缆绳在与导向滑轮接触点的损伤情况。

图5是本发明一实施例的雷电流传导试验安装示意图。图6是本发明一实施例的雷电流注入试验安装台架示意图。

参考图5和图6，在系留缆绳雷电冲击电压试验中，系留缆绳雷电冲击电压试验是为获得导雷层与电源芯线间绝缘雷电冲击击穿电压，验证缆绳设计参数。缆绳中心为供电导线和通讯光纤，紧靠外护套之内有导雷层，典型结构如图2和3所示。

使用1.2/50μs波形的雷电冲击电压发生器对系留缆绳电源芯线对导雷层、电源芯线之间的绝缘进行雷电冲击击穿电压测试。

将系留缆绳试品截成3m长短样6根，保留中间50cm外护套和导雷层，其余部分内护套和电源芯线导体保留；其中3根缆绳试样将保留的内护套剖开，将3根电源芯线(保留电源芯线绝缘)分开；另外3根缆绳试样保留的内护套不剖开。

试验步骤如下：

s501，取缆绳试样中1根，分别将两侧已剥开的导雷层向中间反卷固定。将试品放置在油槽中，用25#变压器油浸泡。雷电流发生器电极接导雷层或电源芯线中的一根并标记，另一根电源芯线并标记接地。

s502，调整雷电冲击电压发生器，使其产生符合gb/t16927-1997《高电压试验技术》要求的1.2/50μs波形。加压时从10kv开始升压，每次加压幅度为不大于1kv，观察试品状况和试验波形，直至试样发生击穿为止，以发生击穿前的最后一次电压为最小雷电冲击击穿电压。

图7是本发明一实施例的系留缆绳冲击电压试验的示意图。

参考图7，系留气球系留缆绳高压供电系统雷电防护仿真计算时，系留气球系留缆绳高压供电系统由升、降压变压器、缆绳及用电设备等组成，采用国际通用的电磁暂态计算程序，仿真计算不同雷击(直击雷、不同位置的侧击雷)条件下，系留缆绳供电系统的雷电防护效果(如残压和雷电流分布等)。

第一步，确认系留缆绳高压供电系统内各个组成部件的参数，建立整个供电系统等值电路；

第二步，选取不同冲击接地电阻、不同雷电流幅值，计算不同雷击位置因素影响下的缆绳芯线对地电位、缆绳导雷层对地电位、缆绳芯线与导雷层之间电压等，

第三步，结合系留缆绳雷电冲击击穿电压测量结果，综合上评估系留气球高压供电回路耐雷电压水平。

在一些实施例中，球体结构件雷电防护试验可以采用避雷索雷电大电流及溅落试验。

根据避雷索的功能分析其需完成的雷电验证试验为雷电大电流和雷击溅落试验。为了检验雷电直击避雷索时，避雷索的雷电流通流能力以及对应的损坏现象(是否融化、断线及其球体的损伤现象等)。

根据系留气球区域划分分析，避雷索应处于区域1中，雷电电流波形取分量a及分量c进行考核，由于避雷索覆盖囊体，长度非常长，(根据系留气球体积，长度不一)。作为在区域1中的结构件，雷电附着点集中，其进行直接效应试验不需要全尺寸，只需截取一小段即可完成注入及传导试验。试验分成避雷索雷电大电流和避雷索雷击溅落两部分进行，试验步骤如下所述。

第一步，取长度不小于50cm的避雷索试样1根，将其置于雷电流试验台架上。避雷索一端与雷电流发生器的高压放电球极靠近，另一端用铝排压接接地。

第二步，调整雷电流发生器，使其产生符合gjb3567-1999要求的雷电流分量a、c波形，并对避雷索施加雷电流分量a、c波形(两个波形为依次连续注入)。波形幅值从低值开始一步步上调至避雷索熔断或至gjb3567-1999要求的幅值为止。试验后检查试验件状态(如断裂、凹坑等情况)并记录。

图8是本发明一实施例的避雷索雷电流溅落试验的示意图。

参考图8，雷电溅落试验同样按照上述步骤进行，在进行雷电溅落试验时，在避雷索下方处布置球皮(距离与避雷索支撑杆高度相同)，球皮悬空布置，以观察避雷索雷击溅落现象等，以高速摄影仪记录电弧生成到消逝的过程。

本试验用于验证避雷索的选型，同时可根据囊体材料的损伤情况为后续选型及维护提供参考。

在一些实施例中，系留气球电晕和流光试验是用来确定系留气球、避雷索、传感器导线、尾翼张线及拉杆以及暴露在雷电电场中的其它部件上的电晕和流光，可得到系留气球在雷云电场和雷电通道中球体对外放电的可能部位或设备，避开可燃区域，为球上天线及易受电磁干扰设备的布置提供参考依据。

电晕和流光试验雷电压波形取雷电压波形b进行考核，参数符合gjb3567-1999对雷电压波形b的规定。试验步骤如下所述：

第一步，试验采用冲击电压发生器连接平板电极，通过平板电极可产生均匀的电场。将试验件安放在高绝缘强度的工装夹具上，并使模型处于平板电极和接地平板之间。

第二步，调整冲击电压发生器，生成所要求的电压波形b和电场，并确保不发生高压击穿放电。

第三步，进行试验放电，观察流光照片。

图9是本发明一实施例的电晕流光试验的示意图。

参考图9，避雷索支撑杆和囊体材料雷电冲击电压试验时，避雷索支撑杆与囊体材料无直接附着可能，但需进行雷电冲击电压试验，该试验有助于了解避雷索支撑杆与囊体材料的冲击绝缘性能，为避雷索支撑杆的高度和布置距离提供参考。采用雷电冲击电压波形d测试避雷索支撑杆的雷电冲击闪络电压，测试囊体材料的雷电冲击击穿电压。

避雷索支撑杆和囊体材料的雷电冲击电压试验雷电压波形取电压波形d进行考核，参数符合gjb3567-1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法的规定》。试验步骤如下所述：

第一步，将试验件安放于棒电极和接地平板之间，棒电极连接冲击电电压发生器。试验件一端连接棒电极，另一端接地。对于囊体材料的试验，将其平铺于采用金属平面上，平面接地。

第二步，调整冲击电压发生器，直至该试验件发生击穿产生符合要求的电压波形d，通过电容分压器测量出试验件的击穿电压。

图10是本发明一实施例的避雷索支撑杆或囊体材料雷电冲击电压试验的示意图。

参考图10，系留气球雷电间接效应防护设计试验验证可以是球载电子电气设备雷电电磁环境仿真试验。

球载电子电气设备雷电电磁环境仿真利用电磁仿真软件分析雷击瞬间系留气球附近及挂架中的雷电电磁环境，考察雷击瞬间系留气球电磁场的分布及在电子电气设备端口会出现的感应电压及感应电流。

首先，根据不同系留气球型号在电磁分析软件中建立数值仿真模型。其次，将外部闪电环境由电流分量a(首次回家)、b(中间电流)、c(持续电流)、d(后续回击)等各个雷电流分量分别设置成激励电流，各进行一次仿真。同时，根据系留气球上的雷电传输路径建立放电通道。而后，提取和分析仿真结果。分析不同的雷电流分量在系留气球不同位置设备处的电场值和磁场值，以及互连线缆间的瞬态耦合电流。最后，通过设备在不同安装位置处的屏蔽方式，结合仿真耦合数值及rtca/do-160f标准中的相关规定分析各个设备所需采取的试验波形和试验等级。

b)球载各电子电气设备间接效应试验

球载电子电气设备间接效应试验主要是为验证加装雷电抑制器的设备在模拟的雷电电磁环境下的损伤容限及功能受扰情况。试验选用rtca/do-160f标准规定的雷电瞬态敏感度试验，从插针注入试验和电缆束试验两个方面进行。试验方法见rtca/do-160f第22节。其中插针注入试验用来评估设备的耐压能力和设备接口电路的破坏极限；电缆束试验用来研究当受试设备及其配线处于相应的雷电环境下时，设备所承受的干扰及其损伤情况。经球载电子电气设备雷电电磁环境仿真分析后，确认试验波形和试验等级。例如，对于裸露在雷电电磁环境中的电子设备，其耦合方式通常为电缆束传导耦合，雷电试验波形通常为雷电波形3、4。试验等级选择为4、5。

在一些实施例中，在完成以上所有的试验室验证试验后，可以做系留气球雷电防护外场试验，可以综合评定证明系留气球防雷系统的理论防护效果。但在面对自然界的雷电袭击时，则通过设计外场监测试验方法，验证自然环境下防雷系统的实际防雷效果。

在一些实施例中，专用雷击监测系统可以包括：系留气球雷电防护外场试验系统包含系留气球系统一套、专用雷击监测系统一套。专用雷击监测系统既不能对系留气球的其他系统构成干扰，便于安装，且应在无人值守的情况下完成测量记录功能。其中包含雷电流波形监测设备、雷击次数记录设备、球上及地面场强监测系统。

雷电流波形监测设备选用开环结构的新式rogowski线圈作为雷电流传感器，在rogowski线圈中加入非闭合铁芯，从而增大线圈电感，减少线圈匝数。同时线圈设计成开环结构，两端通过螺纹连接，可直接套电流回路周围，方便安装。当线圈两端旋紧后，铁芯被一定长度的空气间隙隔断，可抑制铁芯饱和造成的波形失真。

雷电计数器是一种用以记录传输线路或设备遭受地闪回击脉冲冲击次数的在线测量仪器，通常安装在输电线避雷器放电回路或雷电防护系统引下装置上。

对于用于球上的场强监测系统侦测设备，为不对系留气球球载设备产生影响，其供电及数据存储均应与球载设备电源及通信系统互不关联，重量和功耗尽可能的小。侦测探头采用差模测量技术，避免市场上采用共模测量的同类产品中容易出现的干扰信号问题，可获得更准确的测量结果。地面场强监测系统则可采用成熟的场强监测设备。

图11是本发明一实施例的雷电流波形监测设备电路的示意图。

参考图11，在数据处理及分析时，可以将外场试验期间专用雷击监测系统记录的数据输入至后台处理设备中进行数据处理与分析。对专用雷击监测系统记录的各种数据进行筛选，分析参数特征及敏感性等，建立特征参数库(场强、高度、雷电幅值等)。通过特征参数评估雷电的特征及其与场强的关系，为雷电防护评估及预防提供依据。

在每次雷电天气后，检查后系留气球的雷电防护装置，系留气球的雷击易损部位(囊体、缆绳等)，记录损伤情况。结合专用雷击监测系统处理后的数据分析，验证自然环境下防雷系统的实际防雷效果。

上述系留气球雷电防护的试验技术方案，具有系统全面、操作性强等优点。基于该试验方案验证后的某型系留气球，在外场完成多次升空试验，累计工作354天，期间遭遇雷雨天气9次，根据实际测试数据和使用反馈意见，该试验方案解决了自然环境下低空系留气球防雷系统的实际防雷效果问题，保证其在恶劣天气下的出勤率和安全性，可广泛推广应用于各类军民用系留气球防雷系统的试验验证，因此，本发明具有非常广阔的应用前景。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。