航空超材料天线罩雷电直击耦合机理研究

Metamaterials are ideal cover materials for future aircraft radome. They have subwavelength wavelength artificial micro structure metal element arrays, so the problem of lightning damage is more prominent.. At present, the research on the direct lightning strike coupling mechanism of the metamaterial radome at home and abroad is almost blank. This project intends to use aerospace metamaterial radome The lightning strike coupling mechanism is the research goal, and systematic researches are carried out from basic theory, influencing factors, coupling mechanism, and protection methods. The surface flashover of the metamaterial radome, the internal breakdown of the micro-structured metal cell array, the internal breakdown, and the mask wall are studied. Combined with the antenna, the breakdown voltage of the external breakdown voltage and the influencing factors of the breakdown voltage were studied. The discharge of the metamaterial radome along the surface, internal and combined gap of the metamaterial was studied under different lightning current waveforms, amplitudes, different lightning strike positions, different gap distances, and different electrode types. The response of the structure was obtained. The microstructure of the radome of the metamaterial and the structural failure mode were obtained. The metal shunt strip and the button-type shunt strip were taken as the research objects respectively. The system obtains the breakdown voltage of the metamaterial radome, the attachment of the lightning current, the influencing factors and the action mechanism of the splitter bar, and provides the theoretical support and technical path for the lightning protection application of the metamaterial radome.

超材料是未来战机天线罩的理想罩体材料，其具有亚波长量级的人工微结构金属单元阵列，因此雷电危害问题更为突出。目前国内外超材料天线罩雷电直击耦合机理方面研究几乎空白，本项目拟以航空超材料天线罩雷电直击耦合机理为研究目标，从基础理论、影响因素、耦合机制、防护方法等方面开展较为系统的研究，研究超材料天线罩沿面闪络、微结构金属单元阵列组合间隙内部击穿、罩壁与天线组合间隙外部击穿冲击电压放电特性、影响要素；研究不同雷电流波形、幅度、不同雷击位置、不同间隙距离、不同电极形式下超材料天线罩沿超材料表面、内部及组合间隙放电的结构响应，得到超材料天线罩微结构形态及结构破坏形式；分别以金属分流条和纽扣式分流条为研究对象，开展超材料天线罩表面防护分流条配合机理研究。系统得到超材料天线罩击穿电压、雷电流附着、分流条配合影响因素及作用机理，为超材料天线罩的雷电防护应用提供理论支撑和技术路径。

航空电磁超材料具有优异的电磁性能是未来战机天线罩的理想罩体材料，但是其具有亚波长量级的人工微结构金属单元阵列，更容易被雷电击中，因此雷电危害问题更为突出。本项目以航空电磁超材料天线罩雷电直击耦合机理为研究目标，从基础理论、影响因素、耦合机制、防护方法等方面开展研究，研究发现在冲击电压作用下，组合间隙在击穿前电磁超材料表面的微结构单元间会感应自放电，形成明亮的沿面自放电通路，各放电通道相互竞争，其并决定最终的沿面主放电通路。电压波形参数对超材料平板雷电附着特性具有显著影响，分流条间隔距离相同时，操作波作用下超材料平板遭受雷电附着次数明显多于雷电波作用下的。雷电流不同分量作用下，超材料表面损伤效果存在显著差别，在雷电流A分量作用下电磁超材料表面的金属微结构单元对电磁超材料基底复合材料具有很好的保护作用，但是金属单元会出现明显断裂及形成条纹状损伤；C分量对金属单元具有较强的渗透作用，使金属层及下层纤维均产生损伤，损伤形状类似于圆形，主要为热损伤。钮扣式分流条的击穿特性与金属钮扣形状、钮扣间隔距离、分流条长度等有关，分流条长度相同时，金属钮扣间隔距离越大，击穿电压越高；钮扣形状对击穿特性影响较大，椭圆形钮扣击穿电压最小；分流条的击穿电压是高度非线性的，其击穿电压随着分流条长度增加呈非线性增加，具有明显的“饱和”效应。超材料天线罩对罩内天线形成电磁屏蔽保护天线免遭雷击，增大超材料天线罩蒙皮介电常数可以降低雷电附着概率，但相对介电常数大于20时，超材料天线罩表面电场强度减小趋势平缓；与常规介质天线罩相比，超材料天线罩分流条间距要求更小，在满足天线系统透波要求的前提下，分流条间隔距离应低于400mm，长度大于1200mm。基于本项目研究系统得到了超材料天线罩击穿电压、雷电流附着、分流条配合影响因素及作用机理等方面研究成果，为超材料天线罩在实际应用中解决雷电防护问题提供理论支撑和技术路径。