空客成功挑戰(zhàn)抗雷擊性能，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果高度吻合

俗話說，雷擊總是不期而遇。

雖然這個(gè)表述在很多時(shí)候都用來隱喻突發(fā)奇想，然而對(duì)飛機(jī)制造商和航空監(jiān)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(yè)飛機(jī)每飛行1,000小時(shí)就很可能遭遇一次雷擊。有關(guān)如何掌握雷擊產(chǎn)生的影響，一些飛機(jī)制造商有自己非同尋常的想法。

座艙網(wǎng)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(fù)合材料、銅箔的混合座艙設(shè)計(jì)中，仿真抗雷擊性能。這次仿真屬于專注于開發(fā)未來飛機(jī)的技術(shù)研究項(xiàng)目的組成部分，旨在開發(fā)出兼具高度環(huán)保、成本效益超群的航空運(yùn)輸系統(tǒng)。

具體而言，空中客車工程師希望驗(yàn)證模型能以多精確的準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)坐艙復(fù)雜電子裝置和布線系統(tǒng)在感應(yīng)瞬態(tài)影響下的整體電磁行為。這有助于他們了解仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的吻合度。

對(duì)物理測(cè)試的補(bǔ)充

一次雷擊可能產(chǎn)生數(shù)百萬伏特電壓，數(shù)十萬安培電流。當(dāng)這樣強(qiáng)大的能量注入到飛機(jī)里時(shí)，可能會(huì)對(duì)飛機(jī)造成嚴(yán)重破壞。雷擊可以點(diǎn)燃易燃?xì)怏w、熔化金屬部件、擊穿和分離復(fù)合材料部件，以及干擾安全與任務(wù)關(guān)鍵性系統(tǒng)（包括電氣設(shè)備和電子設(shè)備）的正常運(yùn)行。最惡劣情況下，雷擊還曾導(dǎo)致飛機(jī)墜機(jī)，盡管這種情況極為罕見。上一起重大事故發(fā)生在數(shù)十年前。

為提升整體飛行安全，飛機(jī)制造商為每架飛機(jī)都設(shè)計(jì)了防雷裝置。

評(píng)估防雷裝置的有效性，通常重點(diǎn)在于對(duì)部件和組件（而非整架飛機(jī)）進(jìn)行物理測(cè)試。這是因?yàn)橹挥袠O少數(shù)設(shè)施能對(duì)整架飛機(jī)開展真實(shí)的完整威脅測(cè)試，而且測(cè)試過程難度大，頗具破壞性及危險(xiǎn)性。

此外，物理測(cè)試還會(huì)導(dǎo)致成本增加、開發(fā)周期延長(zhǎng)。例如，對(duì)正在研發(fā)的飛機(jī)進(jìn)行全面的物理測(cè)試需要制造原型機(jī)，這不僅需要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間，而且成本高昂。如果飛機(jī)未能通過這項(xiàng)測(cè)試，重新設(shè)計(jì)和改裝的成本可能高達(dá)數(shù)百萬歐元。

在改造防雷系統(tǒng)后完整測(cè)試現(xiàn)有飛機(jī)也是可行的，然而這一過程有其局限性。飛機(jī)每測(cè)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(yùn)往目的地。這一情況也會(huì)導(dǎo)致高昂的成本。而且完整威脅測(cè)試已經(jīng)不止一次造成了足以讓一架飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停飛的損壞。

脫胎于座艙數(shù)字原型的電磁模型

仿真可以規(guī)避這些問題，但并不意味著可以完全取代物理測(cè)試。相反，它成為越來越重要的工具，在概念驗(yàn)證階段就幫助推進(jìn)飛機(jī)開發(fā)。除了幫助實(shí)現(xiàn)魯棒性設(shè)計(jì)，仿真還支持驗(yàn)證和認(rèn)證流程，以及飛機(jī)的可維護(hù)性和改造。

簡(jiǎn)單、輕量化且易管理

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

在這個(gè)案例中，空中客車將Ansys EMA3D仿真結(jié)果與在西班牙赫塔菲的空客測(cè)試設(shè)施中進(jìn)行的完整雷擊非直接效應(yīng)(LIE)和高強(qiáng)度輻射(HIRF)測(cè)試（包括低電平直接驅(qū)動(dòng)、低電平掃掠電流和低電平掃掠場(chǎng)）得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試座艙裝備了真實(shí)的電氣裝置，包括用作虛擬設(shè)備的多個(gè)金屬盒以及內(nèi)有導(dǎo)體的多層編織結(jié)構(gòu)線束。

座艙表面電流分布

隨后，空中客車使用簡(jiǎn)單、輕量化且易管理的電磁模型開展仿真。Ansys EMA3D時(shí)間步長(zhǎng)加速技術(shù)增大了自由空間的介電常數(shù)，加快長(zhǎng)瞬態(tài)的收斂速度，從而在不顯著影響場(chǎng)值的情況下降低光速。實(shí)際上，EMA3D允許工程師選擇比Courant標(biāo)準(zhǔn)要求的實(shí)際光速高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間步長(zhǎng)。這對(duì)雷擊仿真幫助很大，因?yàn)楣こ處煵粌H關(guān)注峰值幅度，而且也關(guān)注響應(yīng)的能量構(gòu)成或需要求解慢速波形。

最終，這種加速技術(shù)減少了設(shè)計(jì)這項(xiàng)仿真所需的時(shí)步數(shù)，將仿真時(shí)間縮短了90%，從而加快了整個(gè)仿真流程。

提高產(chǎn)品安全性

空中客車工程師發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合。仿真結(jié)果實(shí)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

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

直接電流仿真（藍(lán)色）與實(shí)際測(cè)試（紅色）高度吻合

最終，將現(xiàn)場(chǎng)研究與仿真相結(jié)合，就可以覆蓋有可能影響飛機(jī)的所有主要的外部威脅?，F(xiàn)場(chǎng)研究與仿真結(jié)果的高度吻合，不僅證明了仿真的有效性，而且也驗(yàn)證了Ansys EMA3D強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力。從啟動(dòng)設(shè)計(jì)流程到驗(yàn)證、認(rèn)證乃至此后的持續(xù)維護(hù)保養(yǎng)，飛機(jī)制造商現(xiàn)在能夠在產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，更放心地運(yùn)用仿真功能來評(píng)估飛機(jī)上的感應(yīng)瞬態(tài)。

而對(duì)于乘機(jī)出行的大眾，這意味著在發(fā)生雷擊的時(shí)候，他們可以安心入座，因?yàn)轱w機(jī)的每一個(gè)零件都考慮了防雷安全。

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審核編輯 ：李倩