本文原載于Ansys Advantage：《Lighting Simulation: Susceptibility Matches Field Results》

俗話說，雷擊總是不期而遇。

雖然這個表述在很多時候都用來隱喻突發奇想，然而對飛機制造商和航空監管方來說，雷擊卻是真真正正的一大顧慮，特別是考慮到商業飛機每飛行1,000小時就很可能遭遇一次雷擊。有關如何掌握雷擊產生的影響，一些飛機制造商有自己非同尋常的想法。

座艙網格劃分模型

歐洲航空航天界的翹楚空中客車，近期使用Ansys EMA3D和MHARNESS，在采用金屬、碳纖維復合材料、銅箔的混合座艙設計中，仿真抗雷擊性能。這次仿真屬于專注于開發未來飛機的技術研究項目的組成部分，旨在開發出兼具高度環保、成本效益超群的航空運輸系統。

具體而言，空中客車工程師希望驗證模型能以多精確的準確性預測坐艙復雜電子裝置和布線系統在感應瞬態影響下的整體電磁行為。這有助于他們了解仿真結果與現場測試結果的吻合度。

一次雷擊可能產生數百萬伏特電壓，數十萬安培電流。當這樣強大的能量注入到飛機里時，可能會對飛機造成嚴重破壞。雷擊可以點燃易燃氣體、熔化金屬部件、擊穿和分離復合材料部件，以及干擾安全與任務關鍵性系統（包括電氣設備和電子設備）的正常運行。最惡劣情況下，雷擊還曾導致飛機墜機，盡管這種情況極為罕見。上一起重大事故發生在數十年前。

為提升整體飛行安全，飛機制造商為每架飛機都設計了防雷裝置。

評估防雷裝置的有效性，通常重點在于對部件和組件（而非整架飛機）進行物理測試。這是因為只有極少數設施能對整架飛機開展真實的完整威脅測試，而且測試過程難度大，頗具破壞性及危險性。

此外，物理測試還會導致成本增加、開發周期延長。例如，對正在研發的飛機進行全面的物理測試需要制造原型機，這不僅需要花費數月時間，而且成本高昂。如果飛機未能通過這項測試，重新設計和改裝的成本可能高達數百萬歐元。

在改造防雷系統后完整測試現有飛機也是可行的，然而這一過程有其局限性。飛機每測試一天，就延遲一天無法履行它的既定功能，即將乘客或貨物運往目的地。這一情況也會導致高昂的成本。而且完整威脅測試已經不止一次造成了足以讓一架飛機長時間停飛的損壞。

脫胎于座艙數字原型的電磁模型

仿真可以規避這些問題，但并不意味著可以完全取代物理測試。相反，它成為越來越重要的工具，在概念驗證階段就幫助推進飛機開發。除了幫助實現魯棒性設計，仿真還支持驗證和認證流程，以及飛機的可維護性和改造。

二十多年來，空中客車一直使用Ansys EMA3D來了解雷電感應電磁兼容性(EMC)，并為EMC認證提供支持。這個求解器既允許工程師為大型飛機建模，也能求解尺寸不足1毫米的導體引腳。

在這個案例中，空中客車將Ansys EMA3D仿真結果與在西班牙赫塔菲的空客測試設施中進行的完整雷擊非直接效應(LIE)和高強度輻射(HIRF)測試（包括低電平直接驅動、低電平掃掠電流和低電平掃掠場）得出的結果進行對比。測試座艙裝備了真實的電氣裝置，包括用作虛擬設備的多個金屬盒以及內有導體的多層編織結構線束。

座艙表面電流分布

隨后，空中客車使用簡單、輕量化且易管理的電磁模型開展仿真。Ansys EMA3D時間步長加速技術增大了自由空間的介電常數，加快長瞬態的收斂速度，從而在不顯著影響場值的情況下降低光速。實際上，EMA3D允許工程師選擇比Courant標準要求的實際光速高幾個數量級的時間步長。這對雷擊仿真幫助很大，因為工程師不僅關注峰值幅度，而且也關注響應的能量構成或需要求解慢速波形。

最終，這種加速技術減少了設計這項仿真所需的時步數，將仿真時間縮短了90%，從而加快了整個仿真流程。

空中客車工程師發現測量結果與仿真結果高度吻合。仿真結果實際上較為保守，因此不僅適用于佐證決策，而且也適用于滿足安全和認證標準。

在使用Ansys EMA3D后，工程師就無需為了驗證不同的測試方法而調整電磁模型。他們可以考慮所有相關組件，確保組件間的必要接觸，同時避免不必要的連接。

直接電流仿真（藍色）與實際測試（紅色）高度吻合

最終，將現場研究與仿真相結合，就可以覆蓋有可能影響飛機的所有主要的外部威脅。現場研究與仿真結果的高度吻合，不僅證明了仿真的有效性，而且也驗證了Ansys EMA3D強大的預測能力。從啟動設計流程到驗證、認證乃至此后的持續維護保養，飛機制造商現在能夠在產品生命周期的各個階段，更放心地運用仿真功能來評估飛機上的感應瞬態。

而對于乘機出行的大眾，這意味著在發生雷擊的時候，他們可以安心入座，因為飛機的每一個零件都考慮了防雷安全。