一种针对直升机的雷击分区划分方法与流程

1.本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种针对直升机的雷击分区划分方法。


背景技术：

2.雷击分区是开展飞行器雷电直接效应防护设计的基础工作，其目的就是在于明确飞行器表面在雷电环境中易受雷电附着的区域。不同的雷电区域中雷电流特性相差巨大，所需的防护手段存在差异，因此雷击分区的准确性对于后续的雷电防护设计有着重要意义。国内外对飞行器雷击分区的研究工作大部分是以固定翼飞机为对象，相应对直升机雷击附着点研究开展较少，同时缺乏主旋翼对雷击分区影响的分析。不同于固定翼飞机，直升机对全天候工作有更大的需求，直升机雷击分区的划分需要结合其相对巨大的旋转结构、悬停能力，及其多种飞行模式（悬停，前进等）进一步开展研究。
3.试验和仿真是划分飞行器雷击分区的常用手段，试验方法往往受制于技术和成本，难以还原真实的雷电环境，结果容易受到测试设备等外界因素的影响并且过程较为复杂。仿真则可以构建理想化的雷电环境，并且成本低、建模灵活性好，在一定程度上可以弥补试验的缺点。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种针对直升机的雷击分区划分方法，能以高效率、低成本完成直升机的雷击分区工作，并分析直升机主旋翼的遮蔽效果和飞行模式对雷击分区的影响。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种针对直升机的雷击分区划分方法，包括以下步骤：步骤1），根据直升机的旋转结构、悬停能力和飞行模式，分析直升机受雷击时各部分承受的电流分量，确定雷电附着区；步骤2），建立直升机的原始尺寸模型，构建雷电环境，将直升机放置于高电压平板电极与接地面之间来模拟直升机遭遇云-地闪电情况；步骤3），调整电极姿态，模拟直升机遭受不同方向的雷击，采用有限积分法对静电场进行求解，得到直升机表面感应电场分布，确定附着点位置；步骤4），通过取阈值法和sae-arp 5414分区理论分别对直升机雷击分区的1区、2区和3区进行划分，并分析直升机旋翼对分区结果的影响。
6.作为本发明一种针对直升机的雷击分区划分方法进一步的优化方案，所述步骤2）中构建雷电环境时：在直升机模型上方设置平板型电极加高电压来模拟空间带电云层，在直升机模型下方设置平板型电极接地作为接地平面，且直升机模型上方和下方的平板型电极的尺寸至少是模型最大面积的三倍；直升机模型和其上方平板型电极的距离为50米，直升机模型和其下方平板型电极
的距离为机身最大长度的1.5倍。
7.作为本发明一种针对直升机的雷击分区划分方法进一步的优化方案，所述步骤3）中设置电极模拟直升机遭受不同方向的雷击后，利用cst低频工作室求解静电场，得到直升机表面感应电场分布来判断易受雷电附着的部位。
8.作为本发明一种针对直升机的雷击分区划分方法进一步的优化方案，所述步骤4）中对直升机雷击分区的1区、2区和3区进行划分时：通过仿真计算并参照sae-arp 5414分区理论，确定直升机最大感应电场值的30%作为阈值，将直升机中感应电场值超过该阈值的部分划入1区；将直升机的旋翼翼尖分划入1a区，旋翼的其余部分划入2a区；将直升机的机头端部、水平安定面端部、垂直尾翼端部划入1b区；将1c区后的区域划入2a区，2a区的后缘划入2b区；将机身上层区域划入3区。
9.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在电磁软件仿真计算的基础上有效地完成了针对直升机的雷击分区划分，相较于传统的雷击分区试验方法有较好的优越性，避免了试验方法的高成本、耗时长等局限。同时将直升机特有的主旋翼遮蔽效果和悬停、前飞等飞行模式纳入了雷击分区划分的考虑范围，划分结果更加契合直升机的特点。
附图说明
10.图1是平板电极与直升机位置关系图；图2是不同电极位置的最大感应电场值分布图；图3是电场值最大位置处的直升机表面电场分布图；图4是某型直升机雷击分区的划分结果图。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
12.根据直升机的飞行特点初步确定雷电附着区。由于旋翼运动速度快，雷电停留时间短，将旋翼翼尖分划入1a区。因为直升机存在悬停的可能性，非旋转部分的结构不具备速度分量，不存在1a区，在对机头端部、水平安定面端部、垂直安定面端部进行初始雷电附着区域划分时，将该部分划分为1b区。
13.针对已经初步确定的雷电附着区进行仿真计算，流程如下：建立某型直升机原始尺寸模型，采用平板型电极来模拟空间带电云层，调整电极姿态，模拟直升机遭受不同方向的雷击；采用cst的低频工作室对静电场进行求解，得到直升机表面感应电场分布，从而确定附着点位置。
14.如图1所示，以直升机模型为中心的球面每30度设置一个观测点，共挑选出17个典型的观测点设置电极，以直升机的几何中心作为旋转中心，按照图1的位置调整电极位置，
模拟直升机遭受不同方向的雷击。高压极板电压为3mv，接地板电压为0v；平板的长和宽设置为飞机最大尺寸的2倍，直升机与高压电极的距离设置为50米，与下方的接地板距离为机身最大长度的1.5倍。
15.如图2所示，仿真得到17个平板电极位置下最大感应电场值分布图，可以看出，当电极位于飞机的左右两侧的上方（图1中的位置4、位置7）和下方（图1中的位置11、位置14）时在飞机表面的感应电场强度比较强。
16.图3给出了电场值最大位置处的直升机表面电场分布图。仿真中飞机表面的最大电场强度值出现在图1中的11点位置，此时飞机机翼尖端的感应电场强度值达到了224.3kv/m。可以看出，旋翼、机头、垂直尾翼的端部等部位感应电场较大，容易受到雷电初始附着。经过反复计算和验证，阈值应取最大电场值的30%，超过阈值的部位应划入初始附着区1区。
17.2a区和2b区的确定应基于飞行器的外部特征。考虑到飞行器的速度，绝大多数飞行器在雷电持续的1至2秒内飞行距离均超过机身长度，因此将1c区后的区域划入2a区。2a区的后缘表面应划入2b区，除非该部分已经处于1b区。对于飞行器表面未划分入1a、1b、1c、2a、2b区的部分，将其划入3区。
18.图4给出了某型直升机雷击分区的划分结果。根据仿真分析和sae-arp5414分区理论，完成了该型直升机雷击分区的划分。其中，旋翼的雷击分区由1a和2a区构成，其中1a区的长度建议划分为1.3m，其余部分由2a区构成；直升机的机头处1b区域长度为1.3m，1c区在1b区后，长度为1.3m；沿机身底面的部分划分为2a区域，延伸至机尾，建议宽度为0.2m；垂直尾翼1b区长度为0.5m；水平安定面由2a区和2b区构成；侧端板的顶部与底部都存在1b区域，其余部分主要由2a区构成，2b区存在于2a区后缘，宽度均为0.05m；由于机身的大部分表面都受到旋翼的保护，除了以上部分的剩余区域划入3区。
19.综上所述，本发明针对直升机机型，有效地完成了雷击分区的划分。该方法充分发挥了仿真的高效性和灵活性，并将直升机特有的主旋翼遮蔽效果和悬停、前飞等飞行模式纳入了雷击分区划分的考虑范围，划分结果更加契合直升机的特点。
20.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
21.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。