飞行状态中的飞行器雷电效应的规律探索及关键仿真算法研究

飞行器的雷电效应包括雷击搭上飞机,雷电流通过时加热甚至击穿飞机蒙皮破坏飞行器结构的直接效应,也包括雷电脉冲对机上电子设备或任何具有探测天线作用的物体造成电磁耦合, 引发电子系统故障的间接效应,均直接关系到飞行安全，一直是国内外研究的热点。在对该领域的国内外文献调研中发现：我国在试验室测试(静态)条件下的飞机雷电效应方面的研究比较全面，特别是测试研究基本接近国际先进水平，但是在飞行状态下的飞机雷电效应仿真和试验方面,国外特别是欧美国家有大量试验数据和一定的仿真研究。而国内在这方面的研究亟需加强。在本项目中,将在本课题组已通过验证的对试验室测试条件下（雷电通道相对飞机静止）的飞机雷电间接效应进行仿真的FDTD程序基础上,提出更适合的飞行器动态穿越雷电通道的改进算法，并利用改进算法仿真各参数条件下处于飞行状态的各型飞机穿越雷电通道的情况,从而进一步探索飞行器动态雷电效应的科学规律。

雷电是飞行器飞行中不可规避的直接影响飞行安全的自然现象。为了探索飞行器动态雷电效应的科学规律，本项目提出了一种基于分形理论的飞机雷击初始附着点数值模拟的新方法，同时又提出了新的改进的共形ADI-FDTD算法用于计算飞机遭遇雷击时的电磁场。飞机雷击附着点的确定能够为飞机防雷设计提供依据，是飞机雷击区域划分和飞机各部件试验鉴定的先决条件。该方法根据分形理论，使用介质击穿模型模拟符合自然界雷电物理机理和几何特征的雷电先导分形发展过程，同时考虑飞机自身触发双向先导的情况，最终得到飞机的雷击附着点分布。本部分工作为飞机雷击附着点仿真模拟提供了一个有潜力的方法，可作为飞机防雷设计和今后开展相关研究工作的基础。对于共形ADI-FDTD技术，我们发现现有的共形ADI-FDTD的不稳定性，利用矩阵特征值分析理论证明了现有的共形ADI-FDTD技术在一些情况下是有条件稳定的；而后提出了改进的共形ADI-FDTD算法，并在理论上证明了改进算法的无条件稳定性，通过仿真并与解析结果进行比较说明改进算法的有效性和准确性。我们基于上述两个算法开发了拥有自主知识产权的专业软件，用于仿真模拟和研究飞行状态的飞行器雷电直接和间接效应。得到了一些有参考价值的规律。