【摘 要】
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航天发射场多建于人烟稀少的空旷地区,发射塔架高达90m,特别是距离赤道较近的同步轨道发射场,所处区域雷电活动频繁,易遭受雷电直击。现有发射场直击雷防护系统可以有效屏蔽火箭发射塔架,但国内外仍有因雷电间接效应引起的事故发生,雷电瞬态电磁场会通过空间耦合引起设备工作异常甚至诱发故障。因此开展发射场直击雷防护系统瞬态特性和雷击近区电磁瞬态特性建模分析,将有助于提升火箭发射场雷电防护水平,也可为弹箭体发射
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航天发射场多建于人烟稀少的空旷地区,发射塔架高达90m,特别是距离赤道较近的同步轨道发射场,所处区域雷电活动频繁,易遭受雷电直击。现有发射场直击雷防护系统可以有效屏蔽火箭发射塔架,但国内外仍有因雷电间接效应引起的事故发生,雷电瞬态电磁场会通过空间耦合引起设备工作异常甚至诱发故障。因此开展发射场直击雷防护系统瞬态特性和雷击近区电磁瞬态特性建模分析,将有助于提升火箭发射场雷电防护水平,也可为弹箭体发射阵地雷电防护设计提供参考。围绕发射场直击雷防护系统雷击电磁瞬态特性分析及防护,本文主要开展了直击雷防护系统电磁瞬态建模分析、发射塔架雷击近区电磁瞬态特性分析和雷电防护方案优化设计分析三方面研究工作,具体内容如下:1)基于矩量法建立了考虑地下和地上导体结构的发射场直击雷防护系统三维电磁瞬态模型,并基于波阻抗理论建立直击雷防护系统电路模型,验证了该三维电磁瞬态模型的有效性。2)通过三维电磁瞬态模型分析了保护伞方案、避雷塔无引下线方案和避雷塔有引下线方案的系统瞬态特性以及雷击近区电磁瞬态特性,并研究了地线数量、土壤电阻率、接地网面积、避雷塔布置、雷击位置、雷电流波形等因素的直击雷防护系统瞬态特性以及雷击近区电磁瞬态特性。3)综合考虑发射场直击雷防护系统瞬态特性和雷击近区电磁环境,提出了增加独立接地引流系统、增加绝缘防护和接地系统优化的措施对发射场雷电防护方案进行优化,给出推荐的综合防护优化方案。研究结果表明:1)在直击雷防护系统瞬态特性研究方面,发现地线数量、避雷塔布置、雷击位置和雷电流波形四个影响因素对四根避雷塔顶部电位升和流经避雷塔电流的均匀性影响较大,而土壤电阻率和接地网面积影响较小。2)在雷击近区电磁瞬态特性研究方面,发现地线数量、避雷塔布置、雷电流波形三个影响因素对观测面处电磁场影响较大,而土壤电阻率、接地网面积和雷击位置影响较小。3)提出了增加独立接地引流系统和避雷塔地网加密的雷电防护优化方案,该方案起到了很好的均压和均流作用,且发射塔架所处区域瞬态磁场较小。在雷电流200k A时,发射塔架核心区域地面磁场最小,幅值为78A/m（0.9Gs）,远小于电子设备永久损伤的临界磁场（2.4Gs）;地面磁场的最大值出现在距离雷击点最近的避雷塔附近,其幅值为576A/m（7.3Gs）,高于电子设备永久损伤的临界磁场,故建议电子设备尽量避免靠近避雷塔布置。本文研究结果可为火箭发射场直击雷防护系统设计和弹箭体强电磁脉冲防护性能设计提供参考。
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