专利名称：一种动态飞机雷电效应测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态飞机雷电效应测试装置，更特别地说，是一种在微波暗室有 限空间条件下，模拟飞机在动态的飞行模式下，遇到雷击过程的动态飞机雷电效应测试装置。
背景技术：
雷电是威胁人类最严重的自然灾害之一。雷电对飞机的影响分为雷电直接效应和 雷电间接效应。雷电直接效应是指当雷电电弧附着到飞机表面，产生的高温、高压冲击波和 电磁力对飞机所造成的燃烧、溶蚀、结构畸变等效应；雷电间接效应是指当雷电放电时伴随 产生的强电磁脉冲对人员和燃油安全的影响以及电磁感应引起的过电压或过电流对飞机 电气电子设备所造成的干扰或损坏。雷电能量和雷电电磁脉冲使得飞行事故时有发生，这些事故大多是灾难性的，严 重影响航空的安全。因此，在现代飞机设计中，飞机的雷电防护性能指标已是其常规设计指 标。目前，对飞机的雷电效应试验主要有地面模拟雷电试验法和实际穿云飞行实验。地面模拟雷电试验法在测试过程中飞机缩比模型处于静止状态，采集的数据是在 飞机处于静止情况下获得的，而飞行中的飞机遭遇雷电一般处于300 800Km/h的飞行速 度，所以静态实验无法模拟飞机飞行过程遇到雷击的真实场景，存在误差。从上世纪80年代开始，美英法等国都陆续开展了通过使用真实飞机携测量装置 飞越雷暴区，直接测试自然的雷电特性及其对飞机产生的雷电效应的实验。飞机穿越雷暴 区的飞行实验，可以得到准确的实验数据，但其实验费用昂贵，并且因需要寻找雷暴区进行 多次试飞，试验周期也较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种在微波暗室环境下进行的动态飞机雷电效应测试装置， 该装置通过在微波暗室中设置两个圆盘，并在其中一个圆盘上安装飞机缩比模型，而另一 个圆盘上安装雷电发生器；两个圆盘之间相距有效距离d，且可以相向旋转，也可以一个静 止另一个运动。当雷电发生器产生的各型雷电模拟电流及电磁波作用到飞机缩比模型上 时，用照相机和频谱记录仪分别记录和测量雷电的直接和间接效应。本装置在微波暗室的 有限空间内模拟飞机在动态的高速飞行模式下遇到雷击的过程，使测得的数据更接近真实 情况，减少了误差。本发明的一种动态飞机雷电效应测试装置，其包括有A圆形转盘(1)、B圆形转盘 (2)、飞机缩比模型(3)、雷电发生器(4)、频谱记录仪(6)、支撑台(7)、照相机(8)、计算机和微波暗室(10)；计算机(9)通过线缆(9A)与A圆形转盘(1)、B圆形转盘(2)实现信 息通讯； 计算机(9)置于微波暗室(10)外，A圆形转盘⑴、B圆形转盘(2)、飞机缩比模型(3)、雷电发生器G)、频谱记录仪(6)、支撑台(7)和照相机⑶置于微波暗室(10)内；照相机⑶安装在支撑台(7)上；飞机缩比模型(3)安装在A圆形转盘⑴上；A圆形转盘⑴用于为飞机缩比模 型⑶提供圆周运动；频谱记录仪(6)安装在飞机缩比模型(3)内；雷电发生器(4)安装在B圆形转盘⑵上，且雷电发生器⑷上的棒型电极(5) 向外；B圆形转盘O)用于为雷电发生器(4)提供圆周运动。本发明的动态飞机雷电效应测试装置能够在微波暗室环境下进行动态飞机雷电 效应测试。本发明动态飞机雷电效应测试装置的优点在于①本发明提供的一种在微波暗室环境下动态飞机雷电效应测试装置，通过两个圆 形转盘的相向圆周运动，在微波暗室的有限空间内模拟飞机在动态的高速飞行模式下遇到 雷击的过程，使测得的数据更接近真实情况，减少误差来源，并降低实验费用。②本发明可以测试飞机缩比模型在相对雷电发生点(即装置中雷电发生器上的 棒型电极)以不同速度运动的情况下，雷电对飞机缩比模型的直接或间接效应。即测试飞 机以不同飞行速度运动时遭遇雷击的雷电效应。③本发明可以测试飞机缩比模型在相对雷电发生点以不同加速度运动的情况下， 雷电对飞机缩比模型的直接或间接效应。④本发明可以测试雷电发生点相对飞机缩比模型在不同距离不同位置的动态实 验数据。
图1是在微波暗室环境下应用本发明的动态飞机雷电效应测试装置进行测试的 俯视示意图。图IA是A圆形转盘静止、B圆形转盘运动下的本发明装置俯视示意图。图2是采用本发明装置在A测试点进行测试的雷电间接效应场强时域图。图3是采用本发明装置在B测试点进行测试的雷电间接效应场强时域图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明的一种适用于微波暗室环境下进行的动态飞机雷电效应测 试装置，该装置包括有A圆形转盘1、B圆形转盘2、飞机缩比模型3、雷电发生器4、频谱记录 仪6、支撑台7、照相机8、计算机9和微波暗室10 ；计算机9通过线缆9A与A圆形转盘1、 B圆形转盘2实现信息通讯；该信息是指用于启动/关闭A圆形转盘1、B圆形转盘2转动， 以及记录和控制A圆形转盘1、B圆形转盘2的转速；除计算机9置于微波暗室10外，其余的置于微波暗室10内，即A圆形转盘1、B圆 形转盘2、飞机缩比模型3、雷电发生器4、频谱记录仪6、支撑台7和照相机8置于微波暗室 10内；支撑台7上安装有照相机8 ；
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飞机缩比模型3安装在A圆形转盘1上；频谱记录仪6安装在飞机缩比模型3内；雷电发生器4安装在B圆形转盘2上，且雷电发生器4上的棒型电极5向外。(一)A圆形转盘1在本发明中，A圆形转盘1用于为飞机缩比模型3提供圆周运动，该A圆形转盘1 的转动通过电机驱动，并用码盘记录转动的圈数(即圆盘的转速)。A圆形转盘1与电机 (含有码盘的电机)的装配为现有常规技术。(二)B圆形转盘2在本发明中，B圆形转盘2用于为雷电发生器4提供圆周运动，该B圆形转盘2的 转动通过电机驱动，并用码盘记录转动的圈数。B圆形转盘2与电机(含有码盘的电机)的 装配为现有常规技术。在本发明中，A圆形转盘1与B圆形转盘2的半径可以相同，也可以不同。当选择 两个不同半径的圆盘时，A圆形转盘1的半径R与B圆形转盘2的半径r存在有R = nr，其 中η为正整数。在本发明中，为了使A圆形转盘1与B圆形转盘2在转动条件下不干涉，A圆形转 盘1与B圆形转盘2之间相距有一距离d，d大于1cm。在本发明中，A圆形转盘1与B圆形转盘2的尺寸也可以选取相同尺寸，如直径3 米，A圆形转盘1与B圆形转盘2的材质为非金属有吸波涂层的介质材料，载重为2000kg， 其控制电驱动、定位及转速由微波暗室外的计算机9控制，转速50转每秒，定位误差优于 士 10，圆盘全是光纤控制，避免引入电磁干扰。(三)飞机缩比模型3在本发明中，飞机缩比模型3是用来承受雷击时产生的电磁场，该飞机缩比模型3 的尺寸与原型飞机的尺寸相比，其比值关系为1 1 30。飞机缩比模型3的电气结构特 征与原型飞机一样。(四)雷电发生器4 在本发明中，雷电发生器4用于产生各型雷电模拟电流，所述的各型雷电模拟电 流是指满足HB 6129-87《飞机雷电防护要求及试验方法》等航空工业标准中规定的，在雷 电流试验中分别采用雷电流A、B、C、D分量和E、H波等不同参数的波形，以满足不同的雷电 流试验要求。在本发明中，雷电发生器选用苏州泰思特电子科技有限公司产SG-5010G型全自 动雷击浪涌发生器，用于评估设备电源线和内部连接线在经受来自开关切换及自然界雷击 所引起高能量瞬变干扰时的性能提供一个共同依据。性能完全满足IEC61000-4-5和GB/ T17626. 5标准的要求，内置RS-232通讯接口，可实施远程控制，可以选配测控系统软件，如 EMCK-2000测控软件。(五)频谱记录仪6在本发7明中，频谱记录仪6用于测量雷电间接效应。在本发明中，频谱记录仪选用安捷伦公司生产的E4440A PSA型频谱分析仪，具有 数据存储的记录功能，在工作温度范围内(0°C至55°C)至少存储2个小时，可测频率范围 为3Hz 26. 5GHz，动态范围小于81dBW。
(六)支撑台7在本发明中，支撑台7应当保持与两个圆盘相同的高度。支撑台7也可以选用市 售的相机角架。(七)照相机8在本发明中，照相机8用于拍摄飞机缩比模型3在受到雷击时飞机的受损情况。在本发明中，照相机选用尼康公司产F6胶片单镜反光相机，内置马达，自动对焦， 35毫米，单镜反光相机连电子控制焦平快门。(八)计算机9在本发明中，计算机内存储有可以对A圆形转盘1与B圆形转盘2进行控制的程序。所述的计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算 和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB;操 作系统为 windows 2000/2003/XP。(九)微波暗室10在本发明中，微波暗室10提供对外部电磁环境的隔离以防止外部空间电磁场干 扰试验结果，且防止雷电发生器产生的电磁波在暗室墙壁发生反射，微波暗室内壁的吸波 材料吸收雷电发生器产生的电磁波使其不发生反射，更真实地模拟在空中发生雷电的电磁 环境。在本发明中，微波暗室为“10米法”微波暗室，内部尺寸为 20m(长)X 12m(宽)X8m(高)，暗室内部四面墙和天花板贴满吸波材料(金字塔形状的浸 碳聚氨酯泡沫体)，以提高隔离度。应用本发明的装置进行测试操作的步骤所述首先在“10米法”微波暗室10中，根据图1所示完成测试装置布置。(1)将带电池的频谱记录仪6固定于不小于1 30的飞机缩比模型3内待测点附 近(如驾驶舱，设备舱处)，要求模型飞机3的电气结构特征应与原机一样。将飞机缩比模 型3固定于A圆形转盘1的边缘一侧，也可在A圆形转盘1上再加入支撑杆固定飞机缩比 模型。(2)将雷电发生器4固定于B圆形转盘2的边缘一侧，两个圆形转盘沿中心轴线并 排放置；(3)将照相机8固定于支撑台7上。(4)打开频谱记录仪6和照相机8的开关。(5)打开计算机9控制两个圆盘的转速开关，使其分别作顺时针和逆时针圆周运 动，或一个圆盘静止另一个圆盘旋转，待达到需要模拟的飞行速度或加速度以及飞机与雷 电发生点(即装置中雷电发生器上的棒型电极幻相对位置时，雷电发生器4通过其上的棒 型电极5产生放电，作用在飞机缩比模型3上。雷电发生器产生的雷电流满足HB 6129-87 《飞机雷电防护要求及试验方法》等航空工业标准中规定的，在雷电流试验中分别采用雷 电流A、B、C、D分量和E、H波等不同参数的波形，以满足不同的雷电流试验要求；按照HB 6129-87标准顺次进行不同雷电流波形测量；(6)用计算机9控制照相机8记录每次雷电发生器放电中飞机缩比模型的损伤情况；(7)待放电过程完成，运动停止，取出飞机缩比模型中的频谱记录仪6，其中记录 了雷电电磁场对飞机内部场强分布的影响；(8)将照相机8中记录的飞机缩比模型的雷击扫掠点和飞机损伤情况以及频谱记 录仪6中记录的雷电电磁场对飞机内部场强的频响数据输入计算机9 ；(9)用计算机9分析输入的数据，完成飞机动态直接效应和间接效应的研究。实施例(A)由于来自周围环境(墙壁、建筑物、树木等)的任何反射都会破坏测试时的电 磁场分布情况，为了对外部电磁环境产生高的隔离度，本实施例是在“ 10米法”微波暗室内 进行测试。如图1所示，将两个圆盘如图1所示放置，其中，两个圆盘的半径相等，考虑到一 般飞机飞行时速为83 222m/s，如圆盘转速ω以50转每秒记，两圆盘半径均为1. 5米，
则飞机缩比模型相对雷电发生点运动速度可达ν = 2π(^)ω =408 mlsj￡u IOm法”微波
暗室中测试，完全可满足测试条件和模拟飞机正常飞行速度。两个圆盘圆心之间的水平距 离L为R+r+d，d的取值在符合测试场所布局大小的条件下，满足实际飞行的飞机与雷电作 用的相对距离，该距离d根据实验中需模拟的飞机与雷电的相对位置的实际情况调节。(B)将飞机缩比模型固定于A圆形转盘的边缘一侧，雷电发生器固定于B圆形转盘 的边缘一侧，并将频谱记录仪固定于飞机缩比模型内待测点(如驾驶舱记为A测试点，设备 舱记为B测试点)；照相机置于远离两圆盘处，确保不影响雷电场分布和不被该强电磁场干 扰。频谱记录仪自装蓄电池。雷电发生器、两个圆盘由从圆盘附近的暗室地板接入的单独 电源电缆来供电。上述装置通过线缆接至计算机。(C)调整两个圆盘的初始状态。通过计算机触发开关，控制圆盘微电机的转停，通 过传动系统，带动圆盘旋转。接着，调整两个圆盘的垂直升降轴，使雷电发生器的棒型电极 和飞机缩比模型的雷击点位于同一水平线，此为两个圆盘的初始状态，也即为本实施例的 初始状态Si。(D)预定两个圆盘启动时刻为tl，定义雷击发生时刻t2为当飞机缩比模型与雷电 发生器之间的距离和相对速度及相对位置达到实验待模拟状态时的时刻，两者之间的时间 间隔T(t2-tl)的取值可通过圆盘半径R、r及其转速ν之间的关系获得。(E)打开照相机快门，记录飞机缩比模型的初始状态Si，并预设在t2时刻自动照 相；打开并预热频谱记录仪，设置中心频率、带宽设置和参考电平等参数，使其处于正常工 作状态。通过计算机上的测控系统控制A圆形转盘和B圆形转盘同时启动，使其分别作顺 时针圆周运动及逆时针圆周运动，同时记录此时刻为初始时刻tl。当飞机缩比模型与雷电 发生器之间的距离和相对速度及相对位置达到实验待模拟状态时，此时记为雷击发生时刻 t2，本实施例一中飞机缩比模型随圆盘进行圆周运动，飞机缩比模型对于雷电发生器的相 对速度可达真实飞机的飞行速度，此时雷电发生器通过棒型电极产生标准规定的雷电模拟 电流波形，雷电发生器产生的雷电流满足HB 6129-87《飞机雷电防护要求及试验方法》等 航空工业标准中规定的，在雷电流试验中分别采用雷电流A、B、C、D分量和E、H波等不同参 数的波形，以满足不同的雷电流试验要求(如E波形，在不小于0. 5us时间内应具有不小于25kV/us的上升率)，雷电发生的位置和实验待测的飞机遇雷击时位置相同，作用于飞机 缩比模型，此过程中，通过预设在t2时刻自动照相的照相机，记录飞机缩比模型的损伤状 态s2。(1)通过计算机实现本实施例的实时监控。经过时间间隔T后，停止测试，关闭两 个圆盘的旋转开关和雷电发生器的开关，待两个圆盘静止后，取出飞机缩比模型内的频谱 记录仪，存储其上的数据。(2)雷电直接效应实验数据通过对比由照相机记录得到的飞机缩比模型初始状 态si和损伤状态s2，可以判断飞机发生结构畸变、溶蚀与否及其程度，通过分析飞机的雷 击扫掠点，得到飞机雷电分区的数据，并由此可得雷电对飞机的直接效应；(3)雷电间接效应实验数据通过频谱记录仪内存储的数据，得到在雷电发生瞬 间，飞机缩比模型内待测点的场强，可知雷电间接效应的影响。实施例1的测试数据(1)雷电直接效应
雷击附着点位置机头翼尖水平尾翼垂直尾翼概率(％)37. 227. 922. 216. 1(2)雷电间接效应参见图2、图3所示，当雷击发生时，A测试点电场强度最大值达到60V/m，B测试点 电场强度最大值达到14V/m，通过舱内的测试点的最大电场强度，与放于该位置的电子设备 的所允许的最大工作电场对比，可以得到雷电产生的强电磁波对飞机电气电子设备所造成 的干扰或损坏。上述具体实施方式
用来说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神 和权力要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。
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权利要求
1.一种动态飞机雷电效应测试装置，包括有计算机(9)，其特征在于还包括有A圆形 转盘(1)、B圆形转盘( 、飞机缩比模型C3)、雷电发生器(4)、频谱记录仪(6)、支撑台(7)、 照相机(8)和微波暗室(10)；计算机(9)通过线缆(9A)与A圆形转盘(1)、B圆形转盘(2) 实现信息通讯；计算机(9)置于微波暗室(10)外，A圆形转盘⑴、B圆形转盘(2)、飞机缩比模型(3)、 雷电发生器G)、频谱记录仪(6)、支撑台(7)和照相机⑶置于微波暗室(10)内；照相机⑶安装在支撑台(7)上；飞机缩比模型(3)安装在A圆形转盘(1)上；A圆形转盘(1)用于为飞机缩比模型(3) 提供圆周运动；频谱记录仪(6)安装在飞机缩比模型(3)内；雷电发生器⑷安装在B圆形转盘⑵上，且雷电发生器⑷上的棒型电极(5)向外； B圆形转盘(2)用于为雷电发生器(4)提供圆周运动。
2.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于该装置能够在微 波暗室环境下进行动态飞机雷电效应测试。
3.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于A圆形转盘(1)与 B圆形转盘( 之间采用同时运动的方式进行动态飞机雷电效应测试。
4.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于A圆形转盘(1)与 B圆形转盘( 之间采用A圆形转盘(1)静止，B圆形转盘( 运动的方式实现动态飞机雷 电效应测试。
5.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于照相机(8)用于 采集飞机缩比模型C3)与雷电发生器(4)之间的动态飞机雷电效应测试状态下的雷电直接 效应。
6.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于频谱记录仪(6) 与计算机(9)的组合用于采集机缩比模型C3)与雷电发生器(4)之间的动态飞机雷电效应 测试状态下的雷电间接效应。
7.根据权利要求1所述的动态飞机雷电效应测试装置，其特征在于该飞机缩比模型 (3)的尺寸与原型飞机的尺寸相比，其比值关系为1 1 30。
全文摘要
本发明公开了一种动态飞机雷电效应测试装置，该装置中的计算机置于微波暗室外，微波暗室内放置A圆形转盘、B圆形转盘、飞机缩比模型、雷电发生器、频谱记录仪、支撑台和照相机，支撑台上安装有照相机，飞机缩比模型安装在A圆盘上，频谱记录仪安装在飞机缩比模型上或内，雷电发生器安装在B圆盘上。当A、B圆盘相对转动时，雷电发生器产生的各型雷电模拟电流及电磁波将作用到飞机缩比模型上；雷电发生时，频谱记录仪将记录下雷电间接效应，而照相机则记录下雷电直接效应；本发明能够在微波暗室有限空间条件下模拟飞机在动态的飞行模式下遇到雷击的过程，使测得的数据更接近真实情况，减少误差。
文档编号G01R29/08GK102087322SQ20101055082
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者王静, 苏东林, 赵小莹, 邓力鹏, 郭丹丹, 陈有锋 申请人:北京航空航天大学