航空防雷 | 航天系统雷电防护技术发展综述及展望
 

　　摘要：为满足航天系统的全天候发射任务需求，加强航天系统对于雷电环境的适应性，对航天系统雷电防护技术的发展情况进行了综述。首先分析雷电环境对于航天系统产生的破坏效应，追踪了世界航天典型的雷击案例，系统梳理了国内外航天系统雷电防护标准规范。针对运载火箭雷电效应数值仿真技术、雷电防护设计技术和试验验证技术，雷电气象监测预警技术，地面雷电防护技术和接地技术等关键技术的发展情况进行了追踪。在此基础上，从我国航天工程雷电防护的实际需求出发，对未来我国航天系统雷电防护技术重点研究方向进行了展望。
 

　　关键词：航天系统；运载火箭；地面支持系统；雷电效应；雷电防护
 

　　引言
 

　　雷电是一种自然界常见的大气放电现象，能在瞬时产生巨大的能量，其作用于物体上时会产生巨大破坏影响。自人类航天活动开始之日起，国内外就发生过多起由于雷击引起航天系统故障，甚至造成发射失利的案例。针对运载火箭为主要防护对象的航天系统来说，在一次完整的发射流程中火箭要经过厂房测试、转运、待发以及发射等多个阶段，在各个阶段都存在遭受雷击的风险。因此航天系统有必要进行全流程雷电防护，同时通过开展防雷技术研究验证航天系统防雷性能的有效性。
 

　　针对运载火箭系统的雷电防护主要从两方面开展工作：一方面是针对运载火箭系统在地面的防雷，此部分需要分别考虑运载火箭自身和地面支持系统的雷电防护，主要考虑运载火箭在地面待发时可能面临的雷电环境；另一方面是针对运载火箭在飞行过程中的防雷，此部分只需要考虑运载火箭自身的雷电防护，主要考虑运载火箭在空中飞行时可能遭遇或诱发的雷电环境。国内外的航天人员逐渐认识到防雷工作的重要性，对于航天系统的雷电防护投入了相当大的精力，开展了大量研究，雷电防护技术得到了大力发展，有效提升了航天系统整体的防雷性能。近年来，随着上对于全天候发射需求的与日俱增，传统的躲避雷电天气选取发射窗口的方式已不再适应于当前的航天发展形势，在国内外激烈的竞争环境中，要求航天系统在各类环境中都应具备较高的性能，提升航天系统对雷电环境的适应性显得越发重要。因此，当前亟需总结创新，加大防雷技术的发展力度，进一步提升航天系统雷电防护技术水平。
 

　　本文首先分析了雷电环境对于航天系统的破坏效应，追踪了世界航天典型的雷击案例。系统梳理了国内外航天系统雷电防护标准规范。然后，综合分析了国内航天系统雷电防护技术发展情况，针对运载火箭雷电效应数值仿真技术、设计技术和试验技术，雷电气象监测预警技术，地面雷电防护技术和接地技术等关键技术的发展情况进行了追踪。最后在此基础上，从我国航天工程雷电防护的实际需求出发，对未来我国航天系统雷电防护技术重点研究方向进行了展望。
 

　　一、雷电破坏效应
 

　　根据雷电的物理特性及破坏方式的不同，一般将雷电破坏效应分为直接效应和间接效应：直接效应包括雷电电弧附着所造成的燃烧、熔蚀、爆炸和结构畸变，以及由大电流引起的高压冲击波和电磁力破坏。间接效应主要是由伴随雷电产生的电磁场耦合对电子电气设备所产生的破坏性影响。
 

　　1.1雷电直接效应
 

　　电热效应：雷电放电时产生的强大能量会在瞬间转化成大量热能，会出现材料汽化、结构变形等现象。当雷电直接作用于航天系统结构或线缆上时，甚至会出现烧蚀金属蒙皮、熔断线缆的情况。
 

　　高电压效应：雷电放电产生的高电压、强电场会对绝缘材料、搭接结构等造成穿孔、破裂、变形等，直接破坏绝缘材料和结构，会在电搭接不良处时会产生火花。如果火花发生出现在火工电路或燃料系统附近，甚至可能引起爆炸，破坏性*。
 

　　强电流效应：雷电放电产生的强电流可达200 kA。但由于其电荷量较少，对于大的导电结构不会产生*的热效应和腐蚀作用，但由此引起的强脉冲磁场与强电流相互作用所产生的力，会导致结构撕裂或弯曲。如果系统关键线缆的载流量不够，甚至会出现击穿、打火，甚至爆炸。
 

　　冲击波效应：在主放电过程中，雷电放电通道内的空气急剧加温和迅速冷却，在千分之几秒的瞬间发生急剧的膨胀和收缩，从而产生冲击波。强大的冲击波会破坏运载火箭发动机进气口气流的温度、压力和速度等性能的平衡，发动机工作状态在短时间内出现失效或降级。此外，雷击时的冲击波在一定条件下可能造成发动机尾喷口处气流收敛，造成燃烧室熄火，这对于处于飞行状态的航天系统来说具有致命的破坏影响。
 

　　1.2雷电间接效应
 

　　当航天系统附近出现雷电放电现象时，在雷电电磁场的空间辐射和电磁耦合的综合作用下，系统内部会形成雷电感应电磁场，并耦合产生雷电感应电流和感应电压，影响电子电气设备的性能，造成数据错误、定位失锁、通信中断等故障。
 

　　以实际场地试验为例说明，美国在*空间中心37号阵地在所开展的雷电试验中，通过雷击勤务塔形成产生雷电间接效应，监测到在火箭不同高度产生了一定感应电压。假定雷击电流在2 μs内上升到值100 kA，则在勤务塔和火箭之间不同高度上的开路测试电压介于670 kV～1130 kV之间。勤务塔平台高度越高，其与运载火箭之间产生的感应电压就越大。同时，在脐带塔、大地、运载火箭之间所构成的回路中也会产生相当的雷电感应电压。由于磁场强度随距离减弱和回路截面积减小，在脐带塔和火箭间感应电压要降低一半左右，但这样的量级仍足以对运载火箭形成破坏。
 

　　二、航天系统雷电破坏案例
 

　　无论是雷电直接效应，还是雷电间接效应，当作用于航天系统上时，都产生严重的破坏影响。在半个多世纪的世界航天出现过多起由于航天系统直接或间接遭受雷击，导致电气设备故障，箭体结构损坏，甚至飞行失利的案例，以下为几次典型的航天系统雷击案例。
 

　　1961年秋，部署在意大利携有140万吨当的美国丘比特固体运载火箭在发射阵地多次遭雷击，受到严重损坏。
 

　　1969年11月14日，美国利用土星V运载火箭发射阿波罗Apollo 12号宇宙飞船。火箭起飞后36.5 s，飞行高度达到1920 m时，遭受雷击。起飞后52.5 s，飞行高度达到4300 m，遭受二次雷击。宇宙飞船出现电源损坏、遥测信号消失、制导导航系统失效、平台失控等问题。宇航员及时切换了备用电源，才保证了飞行顺利完成。
 

　　三、航天系统雷电防护标准规范
 

　　自上世纪60年代的Apllo事件之后，美国开始重视航天系统的防雷问题，开展了大量的研究，并编制形成一系列航天防雷标准规范。在这些标准中，侧重试验的MIL-STD-1757A《飞行器雷电鉴定试验技术》和侧重防护设计的MIL-STD-1795A《飞行器雷电防护》作为航天防雷标准的模板被多个国家参考。在MIL-STD-464C《系统电磁环境效应要求》中，指出系统不仅应做到系统内的所有分系统和设备之间是电磁兼容，还应做到与外部系统的电磁环境兼容，针对民用飞机出版的DO-160F《机载设备环境条件及试验程序》标准中的Section22、Section23关于雷电试验的描述对于航天系统的防雷工作也具有*的参考价值。2000年左右美国SAE学会推出的SAE54XX系列标准分别对飞机雷电环境与雷电流波形、雷电防护要求、雷电分区方法、雷电试验方法、雷电间接效应试验流程进行了详细的规定，对于航天系统雷电防护有重要的参考价值。
 

　　我国的航天防雷工作虽然开展较晚，但是在短短几十年取得了快速发展。在充分借鉴和吸收欧美等发达国家MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464等标准的基础上，在上世纪90年代，编制了GJB1804-93《运载火箭雷电防护》，对运载火箭的防雷设计提出了具体要求，同时该标准也提出了关于场地防雷、气象防雷的具体要求和设计方法。另外，GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》规定，对于雷电直接和间接效应防护要求的符合性“应通过系统、分系统、设备和部件级试验、分析或其自合来验证”，同时对雷电效应试验波形参数进行了描述。在GJB8848-2015《系统电磁环境效应试验方法》中，也提出了对于地面系统的雷电试验方法，可为航天系统雷电试验提供参考。但是，由于缺乏大量研究数据的积累，我国还尚未制定出专门针对于航天系统防雷设计和雷电效应试验的具体标准规范。
 

　　四、运载火箭的雷电防护技术
 

　　由于运载火箭在地面测试、转场、发射待发及在大气层飞行期间都存在遭受自然雷击或诱发雷击的可能，因此需要综合考虑各种可能因素，从分析、设计、验证等角度开展防雷工作。对于运载火箭的雷电防护，通常采取“防雷为主”的防护思路。
 

　　4.1雷电效应数值仿真技术
 

　　作为一种手段，雷电效应数值仿真技术能够运载火箭遭受雷击时所产生的破坏效应，从而指导防雷设计。美国自上世纪60年代启动航天系统防雷工作以来，就同步开展了雷电效应数值仿真研究，形成了雷电流数学模型、雷电电磁场计算模型、雷电场线耦合算法等，可针对雷电感应电磁场、雷电感应电流/感应电压]进行数值仿真分析。美国NASA、俄罗斯等航天部门在上世纪70、80年代开发了应用计算电磁学方法分析雷电效应的数值仿真程序，并编制了软件，进行航天系统雷电效应仿真研究。
 

　　与西方发达国家相比，我国的雷电效应分析工作起步相对较晚，目前雷电效应分析技术还不算成熟，雷电效应分析精度还不算精确，目前还在发展摸索阶段。但是，由于雷电效应仿真分析能够在系统设计初期防雷设计性能进行快速的预测评估，因此该技术近年来已越来越受到重视。国内的一些科研院所和高等院校如工程大学、哈尔滨工业大学、第二炮兵工程大学、北京邮电大学、北京宇航系统工程研究所等单位通过课题研究、型号研制等方式也相继开展了航天系统雷电效应仿真研究工作。
 

　　4.2雷电防护设计技术
 

　　美国在MIL-STD-1757A、MIL-STD-1795A、MIL-STD-464C等系列标准中详细说明了飞行器的防雷设计原则，对运载火箭的防雷设计具有重要指导作用。例如战神火箭就参考这些标准提出了开展直接雷击和间接雷击防护的要求，这些要求包括：分析雷电进出点、对雷电可能的扫掠路径加强的防护设计、设备间接效应防护等。针对地面电缆，考虑到雷击后，场地长距离通信电缆可能会传导大的雷电电流，研制了防雷通信电缆。同时，美国NASA针对航天系统雷电防护还采取了一系列的措施，并进行了雷电防护工程应用。在其火箭研制过程中，NASA首先需要针对研制对象开展雷电分区设计，作为雷电防护设计的基础。同时，通过开展雷电效应数值仿真分析，评估火箭在不同阶段可能遭遇的雷电环境，预测雷电效应对于运载火箭可能产生的破坏影响。然后根据仿真分析结果，建立全系统雷电防护准则，确定防雷关键结构或设备并开展雷电防护设计，其中包括对结构的直接效应防护和对设备或线缆的间接效应防护。针对雷电直接效应防护，主要考虑加强金属结构的屏蔽性能，而对于屏蔽性能较弱的复合材料一般采取在结构外层涂覆金属薄层的方法，同时在各金属薄层之间使用导电性良好的搭接条以保证电气通路的连续性。针对雷电间接效应防护，首先需要通过仿真分析确定可能耦合进入火箭系统内部的雷电感应电磁场强度，以及设备或线缆耦合产生的雷电感应电流和感应电压的量级。然后，根据内部电气电子设备的性能指标确定设备的敏感度门限，并在设备端口采取雷电瞬态干扰抑制措施。值得注意的是，在火箭系统设计文件中要求设备敏感度门限(ETSL)应远远高于在设备内部实际产生的雷电瞬态干扰量级。最后，运载火箭雷电防护设计的性能还需要通过试验进行考核验证。一般选取有可能暴露在外部雷电环境或容易受到雷电电磁耦合作用影响的复合材料样件、关键设备、天线、连接器、线缆等部件开展雷电效应试验验证，以考核火箭系统及其电气设备自身的雷电防护设计性能。
 

　　苏联航天部门依据多年的防雷经验，针对运载火箭雷电防护制订了系统防雷设计研制规范，将雷电防护设计纳入到火箭型号研制流程中，实现了防雷设计、工程实施和验证反馈的有效闭环。该规范要求在航天系统在型号研制过程中，应首先从顶层制定全系统的防雷目标，然后再根据分系统特点对分系统防雷目标进行分解，开展相应的防雷方案设计和防雷措施实施，并在实施前后分别通过数值仿真和试验验证对防雷效果进行预估和验证，在不满足要求时进行反馈整改，最终实现满足全系统防雷目标的要求。该项防雷设计规范曾成功应用于苏联某固体动力运载火箭的研制。苏联航天部门还重点关注了材料雷电防护设计技术和设备雷电防护设计技术。对于金属材料，采取加厚、加层、多层结构、设置分流条、涂导电涂层、金属网等处理方法，加强材料抗雷击的能力。对于复合材料，采取喷涂金属粉末、加金属层、多层结构的雷电防护方法。在设备防护方面，针对发动机、电子设备及电缆和天线分别进行防护设计。
 

　　我国的运载火箭防雷设计技术在借鉴进经验的基础上，具体开展的防雷设计措施主要分为四类：
 

　　一是采用电搭接方法，将壳体表面易遭雷击的部件与基本结构建立低阻抗连接，使雷击电流能从进入点顺畅地流过壳体，并从泄放点回到大气中；
 

　　二是在遭雷电感应的电路上采用过压保护技术，使雷电流能迅速进入泄放通道，避免对主用电路产生雷电脉冲危害；
 

　　三是利用高电导率或高磁导率材料，对壳体表面电磁不连续部位，以及易感设备及其电缆进行电磁屏蔽，防止雷电间接效应的影响；
 

　　四是在信号线中采用减少雷电感应电压的电路技术，如采用光学耦合器件或去耦变压器，消除电缆束的差模干扰或共模干扰等。虽然我国对运载火箭进行了防雷设计，但是由于目前我国在火箭型号研制流程中尚未系统的考虑雷电防护，缺少数值仿真与试验验证环节，导致火箭防雷设计性能无法得到有效的评估和验证，防雷工作与美俄相比还存在差距。
 

　　4.3雷电防护试验验证技术
 

　　雷电试验可能实现系统防雷性能的真实验证，国外在航天系统型号研制过程中十分重视雷电试验验证技术，投入了大量的财力和物力开展雷电试验条件的建设，并多次开展雷电防护试验验证，积累了大量的数据和宝贵的经验，对于提升航天系统雷电防护能力有重大帮助。
 

　　1982年，美国Clifford等人曾综述了雷电模拟与试验的研究进展，这是早期雷电实验系统的代表性综述，将当时的雷电模拟能力与自然雷电特性进行了对比验证。1988年就建立了红石技术试验中心，主要服务于美国装备、航天系统的雷电试验与评估，其规模可以保证对带有数千磅燃料的固体运载火箭进行实弹试验。1995年在红石兵工厂技术试验中心第五试验中心的雷电危害试验场进行了运载火箭隔热防护材料样片的雷电试验。1989年在美国犹他州Thiokol雷电综合试验中心进行了航天飞机固体火箭推力器模拟雷电电流冲击试验。
 

　　自上世纪60年代起，苏联也先后建成了多套高压脉冲发生器和能够开展全系统级雷电试验的设施，并配备了能产生高能量、大电流、高电压的试验装置和对雷电参数进行监测的测量设备。通过开展单机、部段、缩比模型及系统级的雷电试验，从而有效验证了雷电防护性能，确保系统在采取防雷设计后能够承受一定雷电效应的冲击。俄罗斯实验物理研究院下属的高电压研究中心和俄罗斯联邦核中心均开展有高压和大电流的雷电模拟实验。VNIIEF针对可移动的雷电流注入试验需求，采用了爆炸磁累积发生器技术产生大电流，前沿为微秒量级、峰值可达到160 kA。另外，VNIIEF还可在高压静电场环境下开展雷电附着点试验。
 

　　印度国防研究与开发组织雷电试验中心是印度雷电模拟试验基地，满足MIL、SAE、FAR等标准雷电试验要求。法国格拉玛研究中心具有能够开展全尺寸雷电试验的装置，并开展过整机雷电试验。英国BAE公司研制了一款全威胁等级雷电模拟器，并用于以复合材料为主要结构的欧洲台风战机和金属机身的Nimrod MRA4侦察机雷电试验，通过全尺寸、高量级的注入试验为整机全系统及其内部雷电防护措施的制定提供了重要依据。
 

　　目前我国尚未建设航天系统雷电试验的条件，航天系统仍需借助其它领域试验条件开展雷电试验研究。北京宇航系统工程研究所作为国内运载火箭主要研制单位，曾借助国内电力部门的试验条件，对运载火箭舱段、电爆管、壳体结构分别开展了80 kA的冲击电流试验和1400 kV的冲击电压试验，另外对某地面系统开展了20 kA的冲击电流试验和1200 kV量级的冲击电流试验，在一定程度上验证了对于雷电直接效应的防护性能。另外，还针对运载火箭部分线缆和电气电子设备开展了雷电间接效应试验研究，测试了运载火箭附近的雷电电磁环境，积累了雷电试验经验。
 

　　五、地面支持系统的雷电防护技术
 

　　由于运载火箭在测试、转场、地面待发时存在遭受自然雷击的可能，因此在对运载火箭自身进行雷电防护以外，同样还需要考虑地面支持系统的防雷。对于地面支持系统的雷电防护，通常采取“避雷为主”的防护思路。
 

　　5.1雷电气象监测预警技术
 

　　雷电气象监测预警是地面防雷系统的重要组成部分，一般是通过发射场气象站对周围的雷电气候进行监测，收集雷电气候特征数据，进行雷电气象监测与预警，可为地面雷电防护提供参考。
 

　　美国在1980年～1986年间通过在F-106B飞机上安装雷电感应设备和雷电压、雷电流测试设备，使该飞机在真实飞行状态下进入雷暴区，在数百次遭受雷击的情况下获得了大量雷电气象数据。通过研究雷暴活动和大气电场，以便找到更好的方法进行更准确和及时的预报，限度地减少雷电发生时可能带来的损失。在卡纳维拉尔角航天发射场建立由发射场雷电预警系统、云对地雷电侦察系统以及闪电探测与测距系统构成雷电气象系统，进行对发射场区的实时监测与预警。在美国*的航天发射场，雷电气象监测系统可以实现125英里或75海里范围内的雷电定位，并且能够实现在航天场区30英里范围内的精确定位。同时能够根据地面大气电场的变化，对火箭发射过程中是否有可能触发雷击进行预测，并根据大气电场的变化情况给出雷电气象预警。*航天发射场的气象办公室还针对雷电气象特点，进行雷电预警方案设计，提出八项针对于潜在雷电气象的发射否决条件。
 

　　苏联通过在云层密级时发射探空气象火箭的方法，监测空中大气电场的变化，同时在地面沿火箭轨迹布置监测设备，测试地面大气电场值。通过多次发射统计火箭诱发雷击的概率。
 

　　对于我国沿海地区的航天发射场来说，虽然国内现有的地面雷电防护技术已经能够基本满足防雷的需求，但是与国外沿海地区的航天发射场相比可以看出雷电防护设计手段还存在一定的差距，雷电防护措施还不够完善，对于运载火箭在海面或地面的雷电防护措施考虑还不够周全，因此需要针对沿海地区的特点对地面雷电防护技术进行提升。
 

　　我国在内陆航天发射场建立一套由天气雷达数字化处理系统、卫星云图数字化处理系统、大气电场仪系统、雷电探测系统、雷电定位系统、中心工作站等7个部分组成的雷电气象监测和预警系统。对于内陆雷电现象不算频繁的情况，基本能够满足内陆航天发射场雷电气象监测与预警要求。但是对于雷电气象变化频繁的沿海发射场，现有的技术还不能够*要求，国内现有的雷电监测预警系统还不能实现大范围雷电气象预警和临近雷暴天气的快速预测，雷电气象监测和预警能力还达不到国外航天发射场的能力，技术水平有待进一步提高。
 

　　5.2地面雷电防护技术
 

　　5.2.1传统地面防雷技术
 

　　在发射塔架上设置独立的避雷针，能够避免航天系统在发射准备阶段直接遭受雷击的情况。通常在雷雨天气，当空中出现带电云层时，避雷针将感受到大量电荷。当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间将形成通路，其良好的接地性能，可以把云层上的电荷导入大地，从而保护航天发射场及待发状态飞行器的安全。避雷网是通过在发射塔架附近，按照滚球法防雷原则建立三、四座独立的避雷塔，将发射塔架置于中心，以此形成避雷网系统。
 

　　美国卡纳维拉尔角航天发射场的沿海发射工位采用了三座大型避雷塔，塔尖之间由金属钢丝相互连接构成五边形避雷网形成地面防护。
 

　　苏联时期建设的航天发射场采用了建立独立避雷塔方案，其中拜科努尔发射场设有两座225 m高的避雷塔和四座125 m高的照明灯塔，见图7所示。质子号火箭200号发射区有两个发射台，每个发射台场坪上都建有两座高110 m的避雷塔，每座避雷塔距发射场坪55 m。普列谢茨克等其它发射场也采用了相似的地面支持系统避雷设计方案。
 

　　在法属圭亚那航天中心内，阿里安、二发射场采取了在发射塔架上安装避雷针的方法，而第三发射场则采取了设置避雷网的方法，即在火箭总装厂房屋顶安装四根避雷针和设置独立避雷塔，各避雷塔顶端同样用金属钢丝连接。
 

　　我国现有的内陆航天发射场目前主要采取“三塔”构成避雷网系统的防雷模式。例如太原发射场和西昌发射场发射工位都设置了三座125米高的独立避雷塔。西昌发射场第二发射工位设置了三座170米高的独立避雷塔。每两座避雷塔之间的保护角度均不大于45度，并由这三座独立的避雷塔构成发射场区的避雷网系统。由于内陆地区雷电气象不算频繁，因此这种地面场区避雷网技术可以使运载火箭在地面躲避绝大部分的自然雷击。
 

　　5.2.2新型地面防雷技术
 

　　传统的固定式避雷装置在受到雷击时，会在避雷针、引下线和接地导体中流过瞬态强电流，在周围空间激发强烈的辐射电磁场，在受保护物体上产生瞬态过电压或大电流或抬升地电位而产生反击，致使设备受到干扰，甚至*损坏。同时，雷电流引起的接触电压和跨步电压问题也不容忽视。近年来，国内外在其他地面防雷方法上也开展了研究，一些新技术得到了发展，其中包括火箭引雷、激光引雷、提前接闪避雷、主动消雷等技术。
 

　　通过人工方式引雷的进行地面防护的思想最初是由Brook等人提出。1967年，美国的Newman等人在佛罗里达完成了火箭引雷试验。1977年，我国成功实施火箭引雷试验。近十年，国内例如中科院、工程大学等单位也开展了相关的研究，并成功实现了火箭引雷试验。火箭引雷即使用小火箭牵引一条金属丝直接发射到雷云中，诱发产生雷击的条件，达到人工引雷的目的。
 

　　1974年，在火箭引雷的启示下，美国的Ball提出激光引雷的概念。1994年，中国引入激光引雷的地面防雷思路。激光引雷采用激光“电离和热化”空气中的物质，形成光电通道和高温气体，诱发雷云电荷沿着光电通道提前放电，把雷电引向防雷装置，控制落雷点，消除直击雷的危害。
 

　　1995年，法国研制出提前接闪避雷思路的避雷产品。2000年，基于提前接闪避雷思路的主动避雷技术引入国内，相对于传统的避雷技术，由于提前放电型避雷针利用雷云在空中感应的电场强度，使针头的感应电极与针尖之间产生强烈的火花放电，使针头周围空气电离，在电场的作用下形成一条向上的雷电先导，使迎面先导提前与下行先导相遇，形成主放电通道，从而实现主动避雷的目的。
 

　　5.2.3接地技术
 

　　对航天地面支持系统的接地，主要是考虑避免在地面遭受自然雷击，或降低雷电直接击中航天发射场引起的损害，在发射场设置均压接地网。这样既可保证航天发射场在遭受雷击时能够为雷电流提供一个直接到大地的低阻抗通路，短时间内将雷电流释放到大地，不会危及航天系统及其地面辅助设备。航天发射场需要根据GJB1696-93《航天系统地面设施电磁兼容性和接地要求》进行地面支持系统均压接地网的设计。
 

　　近二十年，随着工艺技术的发展，新型接地材料技术的日趋成熟，为接地工程的设计和使用提供了更多的选择。比如：考虑低电阻的铜包钢接地极、离子接地极等；考虑地网结构和稳定的防热焊技术及产品；考虑综合性价比高的接地模块；考虑使用寿命的带阴极保护的锌包钢接地极、锌包钢离子接地极等；考虑地网快速布撤的金属、石墨柔性接地和采用导电液释放雷电流的流体接地方式等。
 

　　六、我国航天系统雷电防护技术展望
 

　　我国海南沿海地区的航天发射场已经建成投入使用，我国新型的运载火箭已经在沿海发射场执行任务。由于沿海地区存在雷电气候变化频繁的特点，所面临的雷电环境将更加严酷。因此还需要进一步开展系统防雷研究工作，提升现有的防雷技术手段，以应对更加复杂的雷电环境。对我国航天系统防雷技术进行展望，可以从以下几方面开展工作：
 

　　(1)以型号为依托开展防雷设计流程研究
 

　　制定雷电防护要求，就需要充分了解运载火箭可能经历的雷电环境。开展型号雷电防护设计时需要根据其自身的特点开展设计，并能进行防护设计效果的验证。目前我国航天型号在防雷设计上，主要借鉴以往的设计经验，没有明确指出防雷设计指标的涵义，并且很少对设计性能进行考核验证，很难达到型号防雷设计的闭环。在这方面，可以借鉴进的经验，将雷电设计真正融入型号研制流程，使防雷设计真正服务于型号，应用于型号。
 

　　(2)系统规范航天雷电技术标准
 

　　世界各国都很重视航天领域的雷电防护工作，个别部门还制定了详细的防雷标准规范。目前，我国航天领域仅有GJB1804-1993《运载火箭雷电防护》，且仅提出了比较宽泛的防雷设计思路，没有详细描述设计指标的条件，缺乏相应的防雷试验标准。另外对于地面支持系统的防雷也缺乏相应的标准规范。因此，未来需要在这方面开展工作，制定出适用于我国航天系统的雷电防护标准规范。
 

　　(3)开展全系统雷电效应数值仿真分析研究
 

　　仿真作为一种当前受到广泛应用的分析方法，能够进行初步的预测评估。雷电仿真同样能够在型号研制初期，对系统防雷性能进行初步分析和整体评估。当前的雷电仿真多是从“场”的角度进行研究，很少考虑到系统的电路特性，因此仿真得到结果与实际情况还存在一定的差距。由于电磁问题与电路问题本身就可以实现相互的转化，因此后续在开展雷电仿真分析时还应结合航天系统集总电路的影响，将“场”分析与“路”分析相结合，可以得到更准确的雷电效应结果。
 

　　(4)开展雷电试验技术研究和验证条件建设
 

　　开展雷电试验验证是发现系统潜在问题，验证产品雷电防护性能效的手段。面对航天型号提出的防雷性能指标要求，雷电试验验证手段的缺乏将会成为制约型号顺利完成研制任务的因素。
 

　　国内航天领域在雷电防护验证手段上一直存在空白，且没有雷电试验条件用于开展防雷性能的验证分析。需要建设符合航天型号需求的雷电试验条件和雷电试验设备。对于防雷设计技术在航天型号推广应用中遇到的难题，应集中开展研究和试验，可以向航空部门学习，以单机、缩比模型、部段、复合材料等为起点，开展小型雷电试验，解决型号雷电防护共性问题。在试验技术成熟时，再建立系统级雷电实验室和野外试验场，针对航天系统开展全系统雷电试验。
 

　　七、结束语
 

　　航天的发展关乎一个国家的战略发展，是一个国家综合实力的体现。航天系统的雷电防护技术水平，关乎到系统的全天候能力。在国防建设的重要时期，应高度重视航天系统的防雷工作，应大力发展防雷技术，对于提高我国航天系统对于复杂电磁环境的适应性，确保发射任务成功意义重大。