雷電，是一種雄偉壯麗卻又令人生畏的自然現象，它在帶來視覺震撼的同時，也會造成巨大的危害。中西方古代神話中均有大量篇幅描述雷電這一神秘的自然現象。直到 1752 年，富蘭克林證實了雷電是一種由帶電云層產生的放電現象。此后，圍繞雷電防護的科學研究便從未間斷。

雷電的產生主要有云內放電、云間放電、云地放電這三種形式。其中超過 50%的雷電由云內放電形成。飛機在飛行過程中遭受到的雷擊，大部分由云內放電造成（圖 1 上圖）。雖然飛機遭受云地放電的幾率較小，但由于云地放電（圖 1 下圖）的強度大于其他放電形式，所以云地放電的數據通常被作為雷電防護的設計依據。

圖 1.飛機遭受雷擊過程的示意圖。上圖：云內放電（飛機誘發雷電）；下圖：云地放電（飛機攔截雷電）。

飛機的雷電初始附著區域

雷擊可能對飛機造成多種傷害。首先，雷電可以直接對飛機的結構產生破壞。當雷擊發生在飛機的非導電材料上時，因能量無法釋放而可能造成炸裂。此外，雷電產生的空間電磁場會在飛機內部的電纜、電子器件內產生感應電流，從而導致電子設備的損壞。當飛機遭受雷擊時，會因時變電流的集膚效應而引起縫隙打火現象，若打火發生在油箱和燃油系統中，就很可能造成難以想象的后果。因此，一套可靠的雷電防護系統，對于飛機來說，是不可或缺的安全保障。

當飛機遭遇雷擊時，初始雷擊放電非常容易附著在雷電的流入和流出部位，這種部位被稱為雷電初始附著區域。由于雷電會在此區域附著，并對飛機外殼和機載設備產生嚴重損害，因此找到雷電的初始附著區域，并采取有效的防護措施是飛機雷電防護的重點。通常的判斷飛機雷電初始附著情況的方法是制作等比例縮小的飛機模型，然后采用物理實驗的方法來完成雷擊測試，進而根據測試數據考察雷電的初始附著情況。

例如，機頭雷達罩多數為雷電初始附著區域，需要重點防護，防護后的機頭雷達罩也需要做相應的實驗，進行性能測試。圖 2 中左圖為愛邦電磁雷電實驗室的雷電測試設備，右圖顯示對機頭雷達罩模型進行雷擊實驗的過程。

圖 2.左圖：愛邦電磁雷電實驗室2600kV沖擊電壓發生器；右圖：機頭雷達罩模型的雷擊實驗。

使用仿真探究機身電流分布

物理雷擊測試的方式雖然直觀，但成本卻十分高昂。在為客戶提供雷電測試服務前，首先需要客戶制作價格昂貴的飛機模型，而模型往往因為在測試后受損而無法重復使用。針對此問題，愛邦雷電實驗室的研究人員希望通過仿真分析來完成對飛機雷電初始附著點的考察。

研究人員在 COMSOL Multiphysics? 軟件中建立了飛機的幾何模型，并創建了飛機的仿真計算坐標系，用于考察飛機不同的飛行姿態（圖 3 上圖）。研究人員隨后對飛機模型的整體進行了網格剖分，選用了穩定性較好的自由四面體為基本網格單元對模型進行網格剖分。飛機模型的網格見圖 3 下圖。

圖 3.上圖：飛機仿真坐標系；下圖：飛機網格設計。

在完成了模型創建和網格剖分后，研究人員對飛機遭受雷擊后表面的電勢分布情況進行了仿真分析。圖 4 顯示了當飛機處于左旋下降時飛機表面的歸一化電勢分布情況，1 表示電勢最高，0 表示電勢最低。在飛機的飛行過程中，雷電將從飛機表面上高電勢的部位流入，并從電勢較低的部位流出。當飛機處于左旋下降時，電勢在尾翼尖、后掠翼尖或右翼尖較高，最低電勢位于飛機頭部及左翼。因此尾翼尖、后掠翼尖和機翼尖均可能成為雷電的流入點，而機頭部位則成為雷電的流出點。因此，尾翼和機頭部位便是左旋下降時雷電的初始附著區域。

圖 4.飛機雷電的初始附著點仿真結果。

“飛機遭受雷擊的過程是一個典型的多物理場問題，涉及電場、磁場、傳熱、力學等多種物理現象。”段雁超工程師說道，“COMSOL Multiphysics 軟件強大的多物理場建模分析能力，以及后處理功能，讓我們可以非常方便地研究雷電對飛機性能的影響。”

在找到了飛機在不同飛行姿態下的雷電初始附著區域后，愛邦電磁的工程師便開始著手針對此區域進行雷電防護方案設計。飛機的機頭布置有雷達、天線等重要的機載設備，極易受到雷電的影響，因此機頭是飛機雷電防護中最為重要的部位。

針對初始附著區域的雷電防護

機頭布置有雷達等通訊設備，當此區域附著雷電時，雷電造成的電磁感應、熱效應會對飛機造成巨大的危害，嚴重時甚至可能影響飛機的安全飛行。
為防止雷電影響雷達和天線等通訊設備，需要及時將雷達罩上的雷電流引走，通常采用的方式是布置雷電導流條（圖 5 上圖）。導流條會形成一條低阻通道，因此電荷可沿導流條導走，從而避免下方的設備因飛機表面的過量電荷而壞。

導流條的位置會影響雷電電流的導出效率，為了找到合理的布局，研究人員為布置了導流條的雷達罩建立了仿真模型，模擬了雷電環境下的電勢分布（圖 5 下圖），找到了導流條排布的最佳位置。

圖 5.上圖：愛邦電磁研發的雷電導流條；下圖：帶有導流條的雷達罩及電勢分布的仿真結果。

由于目前飛機的表面材料通常采用復合材料，當飛機遭受雷擊時，非常容易產生熱損傷，因此雷電的熱效應是另一個需要重點考察的因素。愛邦電磁的研究人員研發了高精度延性雷電防護金屬網，將其布置在雷擊部位。通過物理實驗和仿真分析可以看出，金屬網具有非常優秀的熱損傷防護性能，可以極大地提升雷擊區域的安全性（圖 6）。

圖 6.上圖：高精度延性雷電防護金屬網熱損傷實驗測試；下圖：仿真測試。

拓展多物理場仿真在雷電防護領域的應用

借助多物理場仿真的強大分析能力，愛邦電磁不僅可以快速為客戶提供雷電測試服務，同時開發出了一系列雷電防護產品，例如新型雷電導流條、雷電防護金屬網、雷電抑制器等。其中新型片段式雷電導流條以其重量輕、對雷達天線信號影響小等優點受到用戶的好評。愛邦電磁還將多物理場仿真技術應用到了風力發電機等更多領域，用于提升不同設備的雷電防護性能。

“界面友好、結果準確、功能強大”是西安愛邦電磁的段雁超工程師對 COMSOL Multiphysics 的評價，“COMSOL Multiphysics 在試驗、研發和方案設計等方面幫助我們解決了很多問題，不僅有效減少了試驗次數、縮短了研發周期，還讓我們可以更深入地理解和優化防雷方案的設計。”愛邦電磁希望在未來，可以開發出性能更加完善的雷電防護系統，為客戶抵御雷電帶來的危害。

本文內容來自《COMSOL News》中國用戶特輯