一种飞机雷电附着点仿真评估方法与流程

1.本技术属于电磁兼容及雷电防护技术领域，特别涉及一种飞机雷电附着点仿真评估方法。


背景技术：

2.地球上每天平均产生雷暴800万次，飞机不可避免的要遭遇大气雷电环境，巨大的雷电能量和雷电电磁辐射使得飞行事故时有发生，飞机雷电防护是保证飞机飞行安全的必要措施。飞机雷电防护目标为飞机必须具有防止雷电引起的灾难性后果的保护措施，飞机雷电分区是将飞机表面按照不同的雷电附着特性或传递特性所划分的区域，通过区域划分引导全机的雷电防护设计，飞机雷电分区是飞机雷电防护的第一步。
3.通常的飞机雷电分区方法主要基于飞机模型件的雷电附着点试验测试，通过全机的雷电附着点分布进而确定飞机的雷电分区。飞机模型件的雷电附着点试验测试存在以下问题：一是试验测试采用缩比飞机模型件，与全尺寸的飞机雷击结果存在一定差异；二是测试空间受限，边缘效应和随机性可能导致结果不准确；三是飞机模型件制作成本高昂，模型件属于特定设计状态下的特定构型，飞机设计是一个迭代的动态过程，试验结果不一定适用于最终的飞机设计状态和构型。
4.因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供了一种飞机雷电附着点仿真评估方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
6.本技术的技术方案是：
7.一种飞机雷电附着点仿真评估方法，包括：
8.步骤一、构建飞机雷电附着点仿真场景，预估飞机的雷电附着点，并在预估的雷电附着点布置电场监测器fi，i表示第i个电场监测器；
9.其中，所述飞机雷电附着点仿真场景包括自然先导放电场景以及飞机闪电回击场景，所述自然先导放电场景中设置有棒电极、飞机以及接地平板，所述飞机闪电回击场景中设置有平板电极、飞机以及接地平板；
10.步骤二、构建飞机飞行姿态参考坐标系，获取多个飞机飞行姿态zj，j表示第j个飞行姿态，每个飞行姿态具有对应的俯仰角和滚转角；
11.步骤三、对各个飞行姿态进行雷电附着点仿真，提取电场监测器fi的最大电场强度e
ij
以及相应的位置坐标(x
ij
，y
ij
，z
ij
)，计算该坐标点分别至棒电极、平板电极以及接地平板的间距d
ij
、h
ij
、l
ij
；
12.步骤四、根据预置的雷电附着点判定准则，分别判定各个飞行姿态的雷击入点和雷击出点，统计所有飞行姿态的雷击入点和雷击出点，得到各个雷击入点和雷击出点的频次和概率；
13.步骤五、从各个雷击入点和雷击出点中筛选出雷电附着点。
14.在本技术的至少一个实施例中，步骤四中，所述雷电附着点判定准则包括自然先导放电场景雷电附着点判定准则以及飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则。
15.在本技术的至少一个实施例中，所述自然先导放电场景雷电附着点判定准则包括：
16.c1：距离棒电极最近的预估的雷电附着点为雷击入点，该雷击入点的e
ij
和d
ij
记录为e
c1j
和d
c1j
；
17.c2：在c1的基础上，其它预估的雷电附着点的d
ij
满足d
ij-d
c1j
《a1，并且e
ij
满足e
ij
/e
c1j
》b1，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a1取值小于1.5米，b1取值大于0.5；
18.c3：在c2的基础上，其它预估的雷电附着点的d
ij
满足d
ij-d
c1j
《a2，并且e
ij
满足e
ij
/e
c1j
》b2，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a2取值小于3米，b2取值大于1；
19.c4：距离接地平板最近的预估的雷电附着点为雷击出点，该雷击出点的e
ij
和l
ij
记录为e
c4j
和l
c4j
；
20.c5：在c4的基础上，其它预估的雷电附着点的l
ij
满足l
ij-l
c4j
《a3，并且e
ij
满足e
ij
/e
c4j
》b3，则该预估的雷电附着点为雷击出点，其中，a3取值小于1.5米，b3取值大于0.5。
21.在本技术的至少一个实施例中，所述飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则包括：
22.d1：距离平板电极最近的预估的雷电附着点为雷击入点，该雷击入点的e
ij
和h
ij
记录为e
d1j
和h
d1j
；
23.d2：在d1的基础上，其它预估的雷电附着点的h
ij
满足h
ij-h
d1j
《a4，并且e
ij
满足e
ij
/e
d1j
》b4，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a4取值小于1.5米，b4取值大于0.5；
24.d3：距离接地平板最近的预估的雷电附着点为雷击出点，该雷击出点的e
ij
和l
ij
记录为e
d3j
和l
d3j
；
25.d4：在d3的基础上，其它预估的雷电附着点的l
ij
满足l
ij-l
d3j
《a5，并且e
ij
满足e
ij
/e
d3j
》b5，则该预估的雷电附着点为雷击出点，其中，a5取值小于1.5米，b5取值大于0.5。
26.在本技术的至少一个实施例中，步骤五中，所述从各个雷击入点和雷击出点中筛选出雷电附着点包括：
27.将频次不小于预定次数n的雷击入点或雷击出点确定为雷电附着点；
28.针对频次小于预定次数n的雷击入点或雷击出点进行雷电附着点仿真，结合飞机表面电荷极性分布以及对应的飞行姿态在整个生命周期的时间占比判定该雷击入点或雷击出点是否作为雷电附着点，将保留的雷击入点或雷击出点确定为雷电附着点。
29.在本技术的至少一个实施例中，所述预定次数n的取值小于10。
30.发明至少存在以下有益技术效果：
31.本技术的飞机雷电附着点仿真评估方法，构建了飞机雷电附着点仿真场景，根据多个飞机型号的雷电附着点试验与仿真数据对比，并基于仿真数据的飞机雷电附着点判定准则筛选出雷电附着点，仿真评估结果生成迅速，支撑飞机设计方案的迭代收敛。
附图说明
32.图1是本技术一个实施方式的自然先导放电场景仿真布置示意图；
33.图2是本技术一个实施方式的飞机闪电回击场景仿真布置示意图；
34.图3是本技术一个实施方式的预估的雷电附着点电场监测器布置示意图；
35.图4是本技术一个实施方式的飞机飞行姿态参考坐标系示意图；
36.图5是本技术一个实施方式的自然先导放电场景雷电附着点判定准则流程图；
37.图6是本技术一个实施方式的飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则流程图。
具体实施方式
38.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
39.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
40.下面结合附图1至图6对本技术做进一步详细说明。
41.本技术提供了一种飞机雷电附着点仿真评估方法，包括以下步骤：
42.步骤一、构建飞机雷电附着点仿真场景，预估飞机的雷电附着点，并在预估的雷电附着点布置电场监测器fi，i表示第i个电场监测器，参见图3；
43.本实施例中，按照sae arp5416a中规定的雷电附着点测试方法布置飞机雷电附着点仿真场景，如图1-2所示，其中，飞机雷电附着点仿真场景包括自然先导放电场景以及飞机闪电回击场景，自然先导放电场景中设置有棒电极、飞机以及接地平板，飞机闪电回击场景中设置有平板电极、飞机以及接地平板；
44.步骤二、构建飞机飞行姿态参考坐标系，参见图4，获取多个飞机飞行姿态zj，j表示第j个飞行姿态，每个飞行姿态具有对应的俯仰角(theta)和滚转角(phi)；
45.步骤三、对各个飞行姿态进行雷电附着点仿真，提取电场监测器fi的最大电场强度e
ij
以及相应的位置坐标(x
ij
，y
ij
，z
ij
)，计算该坐标点分别至棒电极、平板电极以及接地平板的间距d
ij
、h
ij
、l
ij
；
46.步骤四、根据预置的雷电附着点判定准则，分别判定各个飞行姿态的雷击入点和雷击出点，统计所有飞行姿态的雷击入点和雷击出点，得到各个雷击入点和雷击出点的频次和概率；
47.步骤五、从各个雷击入点和雷击出点中筛选出雷电附着点。
48.本技术的飞机雷电附着点仿真评估方法，雷电附着点判定准则包括自然先导放电场景雷电附着点判定准则以及飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则。
49.其中，参见图5，自然先导放电场景雷电附着点判定准则包括：
50.c1：距离棒电极最近的预估的雷电附着点为雷击入点，该雷击入点的e
ij
和d
ij
记录为e
c1j
和d
c1j
；
51.c2：在c1的基础上，其它预估的雷电附着点的d
ij
满足d
ij-d
c1j
《a1，并且e
ij
满足e
ij
/e
c1j
》b1，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a1取值小于1.5米，b1取值大于0.5；
52.c3：在c2的基础上，其它预估的雷电附着点的d
ij
满足d
ij-d
c1j
《a2，并且e
ij
满足e
ij
/e
c1j
》b2，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a2取值小于3米，b2取值大于1；
53.c4：距离接地平板最近的预估的雷电附着点为雷击出点，该雷击出点的e
ij
和l
ij
记录为e
c4j
和l
c4j
；
54.c5：在c4的基础上，其它预估的雷电附着点的l
ij
满足l
ij-l
c4j
《a3，并且e
ij
满足e
ij
/e
c4j
》b3，则该预估的雷电附着点为雷击出点，其中，a3取值小于1.5米，b3取值大于0.5。
55.参见图6，飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则包括：
56.d1：距离平板电极最近的预估的雷电附着点为雷击入点，该雷击入点的e
ij
和h
ij
记录为e
d1j
和h
d1j
；
57.d2：在d1的基础上，其它预估的雷电附着点的h
ij
满足h
ij-h
d1j
《a4，并且e
ij
满足e
ij
/e
d1j
》b4，则该预估的雷电附着点为雷击入点，其中，a4取值小于1.5米，b4取值大于0.5；
58.d3：距离接地平板最近的预估的雷电附着点为雷击出点，该雷击出点的e
ij
和l
ij
记录为e
d3j
和l
d3j
；
59.d4：在d3的基础上，其它预估的雷电附着点的l
ij
满足l
ij-l
d3j
《a5，并且e
ij
满足e
ij
/e
d3j
》b5，则该预估的雷电附着点为雷击出点，其中，a5取值小于1.5米，b5取值大于0.5。
60.步骤五中，从各个雷击入点和雷击出点中筛选出雷电附着点包括：
61.将频次不小于预定次数n的雷击入点或雷击出点确定为雷电附着点；
62.针对频次小于预定次数n的雷击入点或雷击出点进行雷电附着点仿真，结合飞机表面电荷极性分布以及对应的飞行姿态在整个生命周期的时间占比判定该雷击入点或雷击出点是否作为雷电附着点，将保留的雷击入点或雷击出点确定为雷电附着点，预定次数n的取值小于10。
63.在本技术的一个具体实施方式中，构建的飞机雷电附着点仿真场景中，飞机长25米、宽18米、高7米，其中，棒电极高10厘米、半径为1厘米，平板电极和接地平板的长和宽均为160米，飞机至棒电极、平板电极以及接地平板的距离不小于60米。对飞机的雷电附着点进行预估，在预期的雷电附着点附近区域依次布置电场监测器，如图3所示，电场监测器编号为fi，共计23个预期的雷电附着点；
64.参照图4所示坐标系，通过调整俯仰角(theta)和滚转角(phi)变换飞机飞行姿态，对飞机飞行姿态进行编号zj，其中，j表示第j个飞行姿态，其中，theta从0
°
以15
°
间隔增加至180
°
，共计13个值，phi从0
°
以15
°
间隔增加至180度，共计13个值，合计169种飞机飞行姿态；
65.对每一个飞行姿态zj分别进行雷电附着点仿真，提取电场监测器fi的最大电场强度e
ij
以及相应的位置坐标(x
ij
，y
ij
，z
ij
)，计算该坐标点至棒电极、平板电极以及接地平板的间距分别为d
ij
、h
ij
、l
ij
，其中，i表示第i个电场监测器，j表示第j个飞行姿态；
66.针对每一个飞行姿态zj，按照图5和图6所示的雷电附着点判定准则分别判定雷击入点和雷击出点，汇总所有飞行姿态的雷击入点和雷击出点，对雷电附着点出现的频次和
频率进行计算；
67.在本实施例中，自然先导放电场景雷电附着点判定准则，c2中，a1＝1，b1＝0.6；c3中，a2＝2.7，b2＝1.3；c5中，a3＝1.1，b3＝0.7；
68.在本实施例中，飞机闪电回击场景雷电附着点判定准则，d2中，a4＝1.2，b4＝0.6；d4中，a5＝1.1，b5＝0.7；
69.对出现频次小于3次的雷击入点或雷击出点额外进行雷电附着点仿真，结合飞机表面电荷极性分布以及相应飞行姿态在整个生命周期的时间占比判定最终的雷击入点和雷击出点，其中2个雷击入点仅存在于飞机倒飞状态，该飞行状态在飞机整个生命周期的时间占比极低，忽略这2个雷击入点。
70.经筛选后保留的雷击入点和雷击出点为雷电附着点，共计有雷电附着点8个，参见表1：
71.表1
[0072][0073]
本技术的飞机雷电附着点仿真评估方法，利用电磁建模及仿真手段，可以在飞机设计的任意一个阶段开展，仿真评估结果生成迅速，支撑飞机设计方案的迭代收敛。该方法不需要制作实物模型，经济代价小，仿真结果经过多个型号的试验验证，适用于不同飞机构型以及不同飞机状态的雷电附着点评估。本技术为飞机的雷电附着点快速评估以及飞机雷电分区提供高精度仿真工具，支撑飞机的迭代设计。
[0074]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。