1.1直接效應

直接效應主要指由雷電直接擊中無人機后，對結構造成的物理損傷，其損傷程度主要與雷電流大小、持續時間、作用積分、電荷傳遞量等因素有關，主要包括以下幾個方面。

（1）機械效應。無人機大量使用復合材料，如雷達罩、機身結構、機翼等。雷電的電壓高達上千千伏，作用時間僅為幾毫秒，因此產生的沖擊力非常大，可能造成雷達罩、機身蒙皮等結構的擊穿、開孔和撕裂。

（2）熱效應。復合材料的電導率非常低，當無人機遭受雷擊時，復合材料不能有效的傳導雷電流，電荷在雷擊點附近大量聚集并轉化為熱能，這便有可能造成復合材料燃燒、熔融和結構畸形等。熱效應是雷電典型的破壞形式，嚴重威脅無人機的飛行安全。

（3）火花效應。火化效應包括熱火花和電火花。熱火指材料的燃燒時碎片從熱點噴出，電火花指介質因為電壓作用而被擊穿。由于雷電瞬間將能量釋放出來，雷電流峰值很高，如果某一點阻抗較大時，便容易產生火花效應。火花效應對燃油系統的威脅最大，可能造成燃油蒸汽點燃，導致無人機爆炸。

（4）電磁力效應。當電流流過同向或異向的導體時，會產生相互吸引或排斥的作用力。雷電電流很大，因此產生的電磁力很強，有可能造成線纜斷裂、蒙皮撕裂、彎曲等損傷，影響無人機飛行安全。

1.2間接效應

間接效應主要是指雷電對無人機電子、電氣設備的干擾或破壞，產生可能危及無人機正常工作的間接危害。

（1）電磁效應。雷電通道形成后，整個通道阻抗非常低，雷電帶來的強電流可以產生強大的電磁脈沖，電磁脈沖通過各種耦合途徑進入無人機后，會在設備上產生感應電壓和感應電流。由于空間的限制，無人機內部密集分布著眾多電子設備，雷電產生的電磁脈沖，會對這些設備產生嚴重干擾。無人機受到電磁干擾時，可導致數據鏈路受阻，通信不暢，任務指令難以執行，甚至失控墜毀等。

（2）靜電感應效應。雷電發生的瞬間，可使無人機表面感應出與雷電下行先導極性相反的感應電荷，當雷電消失后，殼體上的感應電荷會重新分布，可能產生較高的電壓，對內部設備產生干擾。

自上世紀70年代起，國外開始飛機雷電防護的研究工作，經過幾十年的積累，取得了豐富的成果。目前的有人飛機，尤其是民航客機，在正式交付前，需要對飛機結構、雷達罩、燃油箱、航電設備等進行嚴格的雷電試驗，保證飛機在雷電環境下的飛行安全。隨著無人機的大量應用，國外也越來越重視無人機的雷電防護工作，尤其是軍事領域，無人機的雷電設計已經成為必不可少的一項工作。

俄羅斯喀山國立科技大學的R.R. Gaynutdinov，S.F. Chermoshentsev等，使用仿真方法，系統研究了雷電對無人機系統的影響，仿真模型如圖1所示，飛機蒙皮參數設置為碳纖維復合材料。研究結果表明，該模型可以較好的模擬雷電對無人機產生的影響，當雷擊點為機頭時，在無人機內部，電場強度最高可達7.7MV/m，磁場強度最高可達-24.4kA/m；此外，該團隊還研究了雷電對無人機內部設備、線纜等產生的影響，并根據仿真結果對飛機在雷電環境中的安全性進行了評估。

 圖1 某型無人機雷電仿真整機和部件模型

印度薩繆拉·達斯古特航空發展機構的Hema K S, Samudra Dasgupta等，研究了用于無人機的夾層復合材料遭受雷擊后的損傷情況。該團隊首先制備了一系列碳纖維夾層復合材料，并根據所處的雷電分區位置，復合材料采取了不同的防護措施（表面鋪設銅網或鋁網），之后進行了雷擊測試，雷擊試驗完成后，對復合材料進一步進行了超聲C掃，研究復合材料的內部損傷，測試結果如圖2所示。上述研究表明，未進行防護的復合材料，遭受雷擊后損傷嚴重，無法用于雷電1區和2區，而銅網和鋁網具有良好的雷電防護效果，雷擊后復合材料內部幾乎沒有損傷。

圖2 雷擊試驗前后復合材料C掃對比圖

英國Tom Scott等人，在曼徹斯特大學高壓電實驗室，對3臺無人機進行高電壓雷擊測試，并用高速攝影機捕捉無人機遭雷擊的畫面，試驗照片如圖3所示。試驗過程中，無人機的槳翼發動機遭閃電劈中，電流從起落架導出，無人機隨即墮地；試驗后檢查發現，雖然無人機無表面傷痕，但內部的電子零件全部損壞。該試驗結果表明，未采取防護措施無人機，在飛行過程中一旦遭受雷擊，會產生非常嚴重的損傷。

圖3 無人機雷擊試驗照片

英國曼徹斯特大學、中央蘭開夏大學和 Haydale 公司等多家結構協同合作，將石墨烯作為抗雷擊添加劑，制作無人機機翼，以此來降低雷電對于飛行器的影響，該飛機已經在德國的歐洲復合材料展（Composites Europe）試飛亮相。石墨烯作為一種導電性能的新型碳材料，對機翼的阻力、散熱和防雷性能都會帶來顯著提升。石墨烯機翼由Haydale 公司生產，使用石墨烯之后，無人機機翼兼顧高強度和低重量，在耐沖擊方面，石墨烯機翼比碳纖維機翼要強 60%。目前該項目進展順利，已經開始進入下一階段研究。

美國MQ-4C無人機是在“全球鷹”基礎上為海軍研制的最新無人機，該無人機主要承擔海上巡邏和偵察任務。與內陸相比，海上雷電環境更加復雜，雷電發生頻率更高，破壞力也更大，因此海軍非常重視飛機的雷電防護性能。MQ-4C無人機在設計時，便考慮到飛機在復雜雷電環境中的生存能力，并采取了一系列的雷電防護措施，與其他機型相比，MQ-4C無人機最大特點是具備優異的防雷擊、除冰功能，可在雷電條件下正常工作，也可穿過云層和雷暴區進行更近距離的觀察以及自動識別工作[16]。

MQ-8C“火力偵察兵”無人直升機是美國海軍的一款多用途無人直升機，可為海上和陸上指揮官提供情報、監視和偵察等能力。與MQ-8B相比，該無人機的機身體積更大，航程增加超過1/3，可搭載的載荷重量也大幅增加，更重要的是，Summit Aviation公司為MQ-8C設計了專門的抗雷擊和電磁防護罩，使其能夠抵御強電場和電磁波的干擾，為飛機的關鍵電子器件提供更強的防護能力[17]。如果不裝備該防護罩，直升機內部的電子器件極易受到閃電以及機上其它電磁干擾的影響。目前安裝該防護罩的無人直升飛機已經被諾斯羅普格魯曼公司接收，交付美國海軍使用。

經過多年的技術積累，國外無人機的雷電防護工作已比較成熟，形成了完善的研究體系，技術成果也在多個型號上獲得應用，大大提升了裝備的綜合作戰能力。目前，國外已經開始研究下一代無人機的雷電防護方法，以適應未來戰場對武器裝備更高的要求。

我國無人機研究處于世界領先水平，但由于國內航空器雷電研究工作起步晚，現有無人機的雷電防護措施不夠完善。近兩年來，飛機雷電防護逐漸成為研究熱點，各方也越來越重視無人機的雷電防護工作。

中國人民解放軍炮兵學院的宣源、田曉凌、程德勝等，對無人機系統的戰場電磁環境干擾做了系統分析，從干擾源、干擾設備、干擾途徑等不同方面綜合分析了復雜戰場電磁環境對無人機系統可能存在的電磁干擾，具體如圖4所示。分析表明，無人機系統本身內含大量微電子元件，此類材料過電壓承受能力差，容易受雷擊影響，尤其是天線系統更容易遭受破壞；雷電流變化梯度大而產生的交變磁場可使周圍的金屬構件產生感應電流，這種電流可能向周圍放電。此外，雷電產生的信號系統浪涌會干擾數據傳輸，使傳輸的數據產生誤碼，因此無人機的雷電防護是一項非常重要的工作。

圖4無人機的戰場電磁環境

軍械工程學院張冬曉、陳亞洲、 田慶民等，以某型無人機系統作為受試對象，在實驗室搭建雷電脈沖磁場試驗平臺，利用亥姆霍茲線圈和雷電浪涌發生器模擬雷電脈沖磁場，研究了無人機雷電脈沖磁場效應，試驗配置如圖5所示。利用該平臺，軍械工程學院，對無人機系統開展雷電脈沖磁場效應試驗，評估其抗強電磁脈沖干擾能力，分析能量耦合途徑和作用機理，研究防護加固措施等。

圖5 無人機雷電脈沖磁場效應試驗

一些新型軍用無人機的研制總要求中，已明確提出將雷電防護性能作為飛機最終考核的指標之一，要求設計部門開展系統的雷電防護設計與試驗驗證，保證飛機滿足雷電防護相關標準要求。雷電防護能力已經成為評價無人機先進性的一項重要指標。

民用無人機在使用時，不能要求地面做避讓、防護等行為，因此，民用無人機的飛行可靠性成為必須考慮的問題?？煽啃圆粌H僅是正常飛行能力，還必須在嚴酷的各種自然環境下保持繼續飛行。對此，人民解放軍61135部隊、中國航空工業發展研究中心張姮、蔡琰、吳強[21]提出民用無人機應至少具備8項能力，其中第6項為抗各種氣象能力：風/陣風/持續風/、雷電、雨、雹、霾、霧，反映為抗風、抗沖擊電流、抗濕能力等。此外，無人機還應進行11種試驗，其中第10項為雷電壞境測試，測試無人機在各種級別的雷電環境下(往往連同各種級別風) 的可靠性，以及墜毀災害測試。

中國人名解放軍戰略支援部隊航天工程大學（裝備學院）張聚銘、邵瓊玲、許龍對大氣電場測量無人機電磁兼容性進行了系統設計。大氣電場測量系統是以小型無人機為載體的電路系統，其在云層和雷暴區極易受到靜電干擾和雷擊電流的影響，嚴重時將會造成整個系統的癱瘓，因此對靜電和雷擊防護設計不容忽視。為防止雷電對無人機的影響，該團隊對大氣測量無人機進行雷電防護設計，主要采取措施如圖6 所示，具體為：加屏蔽罩；加浪涌保護器；加裝光耦合器；單獨供電。

圖6大氣電場測量無人機的雷電防護設計

    國內無人機的雷電防護還處于起步階段，主要研究工作集中在理論分析，實際應用較少，大多數無人機設計時也未考慮雷電防護性能，或者直接采用有人機的防護措施，防護措施的合理性和可靠性還有待驗證。目前我國在無人機雷電防護領域，尤其是在具體型號應用方面，與國外差距較大。

無人機結構復雜，系統集成度高，不同系統之間的雷電防護要求不同，因此防護方法差異也比較大。本文建議設計單位在進行無人機雷電防護時，應考慮以下建議：

（1）對于雷電防護設工作，大型無人機與有人機差異較小，可以直接參考有人機的設計經驗；小型無人機在結構、尺寸等方面與有人機存在明顯差異，受到雷電效應影響的區別也非常大，因此本文建議應針對小型無人機應專門開展雷電防護基礎研究工作，保證各種防護措施的合理、可靠。

（2）無人機大量使用復合材料，復合材料導電性低，屏蔽性能差，內部電子設備更加容易受到的雷電感應的干擾，因此在無人機雷電防護設計時，應注重雷電間接效應的防護工作，增加防護等級。

（3）無人機對重量要求更加嚴格，出于減重的考慮，建議在設計時，將雷電防護和其它功能，如加熱除冰、電磁兼容（EMC）、高強度輻射場（HIRF）、電磁脈沖（EMP）等同時考慮，提升無人機的綜合技術水平。

無人機在未來軍民領域的應用越來越廣泛，隨著系統的集成度越來越高，雷電電磁脈沖對無人機的影響也越來越大，因此需要采取適當的雷電防護措施。同時無人機的防雷是一項復雜工程，需要總體部門在立項階段，對整架飛機的雷電防護做出整體規劃，之后逐級分解任務，制定防護方案，并進行相應的試驗。當前國外非常重視無人機的防雷工作，而我國在無人機雷電防護方面的研究還比較少，多數無人機都沒有采取防雷措施，后期應加強該領域工作，確保無人機在雷電環境中的飛行安全。