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飞机及军用装备雷电间接效应试验方法解析

赵涛宁


(苏州金沙棋牌js6666科技有限公司,江苏 苏州 215011)

 

摘要:雷电是影响飞机飞行安全的重要因素之一。飞机的雷电效应一般分为直接效应和间接效应,装有高精度、智能化飞控系统的现代飞机,在遭受雷击时更容易受到雷电间接效应的影响,导致功能异常或者失控。本文通过对雷电与飞机的作用耦合机理的深入研究和对各相关标准的分析,对飞机雷电间接效应的试验方法做了深入解析,指出了试验中的难点重点;基于标准试验要求,研制了一套用于雷电间接效应测试的模拟器,测试结果证明了输出波形和性能与标准的符合性。

关键词:雷电间接效应雷电防护瞬态感应试验方法

中图分类号: TM833文献标志码:A

 

飞机在强对流天气飞行时,容易遭受到雷击,一般将飞机雷电效应分为直接效应和间接效应两个部分。直接效应主要针对飞机外部可以直接遭受到雷击的结构部件,会导致机身材料溶蚀、击穿,造成结构损坏甚至引起飞机解体。间接效应是直接雷电大电流冲击机身,在飞机表面产生的瞬变脉冲电流在内部线缆束和设备端口感应出的瞬态浪涌信号,造成电子系统功能异常或飞机失控[1]

随着科技的发展,一方面高强度复合材料因其结构性能优良、重量轻等特点、已经逐步在替代金属材料应用于飞机机身的制作。另一方面高集成度、智能化的电子系统的应用,提高了飞机智能化程度、简化了飞机的控制操作程序。但是飞机在遭受雷击时,由于复合材料的导电和屏蔽性能差,雷电流流过表面会形成较高的结构IR电压、和在内部导线上会感应出较高的电流,而高集成度、高灵敏度的电子芯片更容易受到干扰,导致功能异常,甚至发生失控事故。因此,进行飞机遭受雷电间接效应的研究,对于飞行安全具有重要意义[2]

为了能准确模拟飞机遭受雷击时内部设备所承受的雷电间接效应的影响,本文通过对雷电与飞机作用机理的研究,和对国际、国内相关标准的解读分析,对雷电间接效应试验方法进行了深入分析,对试验关键点点进行了重点研究。

自然雷电特性分析

自然界的雷电现象是雷雨云之间或在云地之间形成,根据放电环境和放电电流通道可将雷电分为云地负闪、云地正闪和云间闪电三种类型[3]

1.1云地负闪

一般云地负闪发生的概率为云地闪的80%以上,经过预计穿、梯级先导后使空气形成等离子体放电通道,然后带电云团内的电荷大量向下转移形成首次回击、后续回击,典型的对地负闪波形如图1、表1所示,一般由1-11个脉冲组成,平均值为3个,最多可到26个。 总的持续时间在20ms 到1s 之间,平均值为0.2s, 回击间的时间间隔一般约60ms,首次回击的上升时间大约为2µs,衰减时间为40µs,峰值可达100kA,后续回击的幅值低,但其上升的速度反而会更快 ,回击之间会有100-400 A的“持续电流”。

1543799448(1).jpg

图1 典型的对地负闪波形


单位

95%

50%

5%

回击次数  


1-2

3-4

12

回击间的时间间隔  

ms

12

47

180

闪络持续时间  

ms

37

240

910

首次回击  

电流峰值  

kA

14

30

80

上升率峰值  

KA/µs

5.5

12

32

到达峰值的时间1

µs

1.8

5.5

18

冲击的时间2

µs

30

75

200

后续回击  

电流峰值  

kA

4.6

11

30

上升率峰值  

KA/µs

20

37

200

到达峰值的时间1

µs

0.20

0.90

3.2

雷击的时间2

µs

8.3

31

110

表1 对地负闪的主要参数

1.2云地正闪

云地正闪发生频率较云地负闪低,约占10%左右,主要发生在高山或者高塔等特殊环境,通常只有一个回击,云团内的能量一次泄放完成,具有电流峰值高、电荷转移量大等特点,如图2、表2所示,最大峰值可能会达到250kA以上,传递电荷量达到350C以上,但波形上升率低于对地负闪。

1543799462(1).jpg

图2 典型的对地正闪波形


单位

95%

50%

5%

闪络持续时间

ms

14

85

500

总电荷量3

C

20

80

350

闪络持续时间

ms

14

85

500

电流峰值

KA

4.6

35

250

上升率峰值

KA/µS

0.2

2.4

3.2

到达峰值的时间

µS

3.5

22

200

雷击的时间1

µS

25

230

2000

脉冲电荷2

C

2

16

150

作用积分

A2s

2.5×104

6.5×105

1.5×107

表2 对地正闪波形参数

1.3云内闪电

云内闪电目前研究相对较少,美国和法国的一些研究机构利用飞机上安装的相关仪器进行了云内闪电的研究,主要是由云团内电荷的重新分配产生。如图3所示,一般幅值较小,只有20-30kA,但频次较高,脉冲的上升率较大。

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图3 典型的云闪波形

飞机雷电试验波形

飞机雷电试验的波形选取主要依据自然界各种雷电的特点发生的概率,SAEARP5412的标准中将雷电电流理想化为3种类型的标准波形:大电流的ABCD连续波、多次回击的D波、以及多脉冲群形式的H波。

2.1 大电流ABCD连续波

大电流的ABCD主要用来模拟对地正闪、对地负闪所产生的大电流,主要用来进行雷电大电流、高能量对被测物体造成的物理破坏效应,波形要求如图4 所示,其中:

A分量代表负闪首次回击和正闪的峰值电流,定义波形参数为:峰值200kA,作用积分2×106A2s,波形起始点到峰值的时间为6.4us,波形起始点到下降为一半的时间为69us。使用双指数形式标示为:

                                          1543816654(1).jpg  

其中,I0=218810A,α=11354s-1β=647265s-1,γ=5423540s-1t是时间(s)

B分量标示负闪中的中间电流,也可认为是A分量波形的延续,波形定义为:平均电流2kA,持续时间为5ms的指数波或者方波,对波形上升时间和下降时间无具体要求。双指数波形表达式同(式1),其中,I0=11300A,α=700s-1,β=2000s-1,γ=22 000.0s-1 ,t =time(s)

C分量标示负闪中回击直接较长的持续电流,定义波形参数为平均电流为200A-800A之间,持续时间0.25s-1s之间,电荷转移量为200C的单向波,可以是指数或者方波直流

D分量标示负闪中的一个后续回击,定义波形参数为:峰值100kA,作用积分0.25×106A2s,波形起始点到峰值的时间为3.2us,波形起始点到下降为一半的时间为34.5us。同样使用(式1)的双指数波表达,其中,

I0=109405 A,α=22 708s-1,β=1 294 530s-1,γ=10 847 100s-1,t=time(s)

需要注意的一点是,当仅用来进行直接效应试验时,A分量和D分量的波头上升时间要求可以降低,且不限定波形形式,可以是指数波也可以是振荡波,只需要幅值和作用积分达到即可。

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图4 ABCD连续波示意图

 

2.2 多次回击的D波

如图5所示,在对地负闪中,发现到多达14次随机的有间隔的回击,多次回击的D波就是用来模拟自然界中这种对地负闪的情况。定义首次回击峰值为100kA,后续13个回击的峰值为50kA,波形参数为D波,总的持续时间为1.5s,间隔时间在10-200ms之间,平均间隔时间为115ms。由于多次回击的能量小于ABCD连续波,因此多次回击主要用来评估系统在受到多重瞬态效应影响时系统内部设备的间接效应影响。

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图5 多次回击波形示意图

 

2.3多脉冲群的H波

多重脉冲群H波是根据空中飞行所获得的数据推导出来的,主要包括了云内闪电的高频次特性,也包含了云地闪初期梯级击穿过程中的放电特性,这些现象也可能在闪电过程中随机出现。

如图6所示,H波定义为幅值为10kA,波形起始到峰值的上升时间为0.245us,波形起始到下降至一半峰值的时间为4us,可使用式1的双指数函数标示,其中,I0=10572 A,α=187 191s-1,β=19 105 100s-1,γ=153 306 000s-1,t=time(s)。

一个脉冲群包含3个脉冲组,组之间间隔为30-300ms,每一个脉冲组有20个脉冲,间隔为50-1000us。

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图6 多脉冲群测试的H波形示意图

 

3雷电与飞机的相互作用

雷电在与飞机相互作用过程中,雷电直接附着在飞机表面,对飞机表面材料和结构造成直接效应影响,导致表面溶蚀、穿孔、结构变形等物理现象,且在此过程中,瞬态变化的强大雷电流会造成飞机内部机载设备及其连接线缆上感应出强烈的脉冲电压和电流信号,如果机载设备未设计相应的防护措施,就有可能造成设备器件烧毁、功能异常等故障,严重的可能引起飞控系统故障,造成机毁人亡的重大飞行事故。

高幅值和高变化率的A、D和H分量会在飞机的线路中诱导出大部分的暂态波形,而分量B和C不会造成重要影响。雷电间接效应的影响主要有2种途径:结构IR电压和孔缝耦合。

3.1 结构IR电压

雷电流流过机体表面是由于机体时,机体的结构阻抗会在两台机载设备之间形成电压差,造成设备的过电压击穿,这种现象主要出现在复合材料的机身上。一般常见的结构IR电压波形为电流波形分量A(波形4),在结构IR电压的扩散耦合过程中,会耦合出持续时间较长、但幅度不大的波形,如果是结构阻抗较高产生的波形具有更长的持续时间和更大的幅值,一般规定为2种波形40/120μs(波形5A)和50/500μs(波形5B)。

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图7 结构IR耦合电气等效图

3.2 线缆耦合效应

雷电流流过机体表面是,强烈变化的电磁场穿过孔缝在内部导线和屏蔽上将诱导电流和电压,在电线和屏蔽层等低阻抗结构上会诱导出与电流分量A成正比的电流波形6.4/69μs(波形1),穿过小孔的电场和磁场会在电缆上产生共振,振荡的频率取决于孔缝大小和结构长度,通常规定为阻尼正弦波,频率为1MHz和10MHz。

fjdc.jpg    

图8瞬变电磁场孔缝耦合效应示意图

实验室雷电试验方法浅析

雷电具有上亿伏的电压和数百千安的电流,按照典型的对地负闪计算,若定义首次闪电电流2×105A,电压1×108V,可理论计算出瞬时峰值功率为:

P=U*I=2×1013W   (式2)

按照A波形计算放电能量:

      1543816963(1).jpg

若以电容器储能放电形式完成本次放电,需要储能电容电压1亿伏,电容量为0.3uF,

电容器储能能量为:

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按照一分钟放电一次,依据电荷守恒定律,可计算出需要充电电源功率:

1543817063(1).jpg

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从以上(式6)计算可以看出,若想在实验室中完全模拟自然界雷电需要供电电源达到500MW,基本是不可能实现的,若考虑发生器的体积,1亿伏的电压需要试验大厅的高度400米以上,堪比世界级摩天大楼。因此,根据雷电对不同试验部件的影响将飞机的雷电试验分为雷电直接效应和雷电间接效应两类。

4.1雷电直接效应试验

雷电直接效应主要的受试对象是机身外部材料、结构、安装在外部的电气部件。目的在于测试被试件在强大的雷电流流过时,表面是否会出现溶蚀、损伤或者结构变形,是否存在影响飞行安全的因素。可通过高电压试验对试验件进行脉冲电场下的放电试验,找到雷电可能注入的位置和雷电在飞机表面的扫略路径,然后对可能遭受雷击的入点和出点进行大电流注入,测试在大电流下机身材料的物理特性。由于云间闪电能量小,对于结构材料的破坏能力远小于对地正闪和对地负闪,因此直接效应测试只考虑云地正闪和负闪,且测试时可不用过多考虑di/dt对试验件的影响,主要考核电流峰值和作用积分的能量是否达到即可。


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图9 雷电直接效应对于ABCD连续波的波形参数要求示意图

4.2雷电间接效应试验

雷电间接效应的受试对象主要为机身内部安装的机载设备、互联电缆、仪器仪表等雷电不会直接作用于其表面的部件。目的在于测试雷电流过飞机表面时,在内部安装的设备、仪器是否会出现功能异常或者损坏,是否会引起误动作等故障。

由于机载设备等安装在飞机内部,测试的复杂程度远大于直接效应所测试的外部结构件,为了实现机载设备的雷电间接效应试验目的,原理上可通过两种方案实现:

一种方案是在飞机外部直接注入满足标准要求的雷电电流波形,检测内部设备是否工作正常。这种方案的好处是可以最真实的模拟飞机在雷电环境下的运行可靠性,但是执行困难。首先,飞机内部系统复杂,设备多样,整机完成组装时已处于研制后期,此时如果测试出现问题将会严重影响项目进度;另外,整机要进行额定的雷电间接效应试验,对测试设备的要求也非常高,间接效应不像直接效应的试验只需要对缩比模型和部件的大电流注入即可,波形也只需要满足幅值和能量,对波形前沿无特殊要求,但是间接效应的试验就不同了,主要是模拟雷电放电的感应效应,对雷电波形的电流变化率更为敏感,因此,间接效应试验不只要幅值和能量达到要求,更重要的是对于波形的波头时间和波形的重复频率等有了更高的要求,这也就对试验的设备提出更高要求,理论计算若要达到模拟云地闪的大电流试验设备,成本造价最少需要上亿元人民币,如果要实现多次回击的试验设备同样需要上亿元人民币的投入,而要想实现模拟云间闪电的H波脉冲群发生器,发生器的设计电压需要达到3000kV以上,是我们平时使用的脉冲群发生器(一般4-6kV)的近1000倍,而成本与电压的平方成正比,那也意味着花费将是天文数字。综合考虑,这样的试验方案基本上不可行。

另一种方案是小电流外推方法[4][5],也是SAE标准所推荐的试验方法,具体操作思路是对飞机注入一个幅值远小于额定值的电流波形,通过飞机内置传感器测量不同部位、不同设备上所感应出的电流值,然后在所测量电流值乘以一个比例系数得到对应的设备需要进行的试验幅值,再使用信号发生器对机载设备进行直接注入或者耦合注入即可。此方法的优点是操作简单,设备投入成本低,可将整体的试验化整为零,分解到各设备厂家进行。典型的测试电流一般以1000A的电流注入飞机外部,内部加装电流检测线圈,采用示波器采集感应信号,采集到的信号再乘以200倍的比例因子得到该部位安装的设备所需要进行测试的电流/电压值,详细的试验方法可参加SAE ARP5415标准。

在进行小电流外推试验时需注意以下几点:

A.         使用A波、D波、和H波三种波形进行测试,由于只是进行感应幅度的测量,可以不用多次回击和多脉冲群的形式进行试验,只进行单波测试即可。

B.         注入的电流幅值应以不损坏飞机内的仪器为前提,典型的试验幅值可选取500A-1000A

C.         比例因子=额定值÷试验值。额定值参加表2,即A分量为200kA,D分量为100kA,H分量为10kA。

D.        由于感应信号小,一般为几安培至几十安培的脉冲信号,可能会受到环境的干扰,应考虑信号在传输过程中的损耗,提高抗干扰措施,建议采用光纤采集系统。

E.         理论上测试到的感应电平并非线性的,而是随着电流的增加感应幅值增幅会降低,实际按照比例因子外推的试验电平已超过实际感应电平。

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图10 小电流外推试验回路搭建

 

5机载设备的雷电间接效应试验

根据3.2方法可以方便测量到飞机在遭受雷击时,不同部位的设备因雷电间接效应可能会感应到的脉冲电平,可依此对安装于此处的机载设备提出需要承受的浪涌波形和电平。事实上,小电流外推方法也只是在评估阶段用于研究,实际操作可能会因测量等问题受限导致不准确,现代飞机经过多年的实践经验主要通过飞机的雷电分区以及仿真分析等手段按照设备安装于飞机内部的具体位置和用途提出雷电试验等级和要求[6],一般会使用一组字母与数字组成的字符串表示该设备需要进行的雷电试验波形和试验等级,比如B3G4L3,表示需要对该设备引脚进行波形3和波形5A的等级3试验,对电缆束进行单次回击和多次回击波形2和波形3的等级4试验,及进行多脉冲群波形3的等级3试验,具体详细字母及数字对应参数可见RTCA-DO160G标准[7][8]

5.1波形参数及其意义

在SAE ARP5412和RTCA DO160中一般将雷电间接效应引起的瞬态感应试验波形规定为6个波形,其主要的波形参数及代表的意义见下表

波形

参数

实际意义

测试方法

W1

电流波

T1=6.4μs,T2=69μs

表示由外部波形分量A通过孔缝耦合到低阻抗的导体和屏蔽终端

屏蔽电缆的电缆束单次回击、多次回击

W2

电压波

T1=0.1μs,T2=6.4μs

表示由外部波形分量A在回路电缆和高阻抗的结构上感应出的电压波形

非屏蔽电缆的电缆束单次回击、多次回击

W3

电流及电压波

1MHz和10MHz衰减振荡波

(阻尼正弦波)

穿过小孔的电场和磁场在导线上产生的共振,从而产生振荡电流和振荡电压

测试屏蔽电缆、非屏蔽电缆的针脚注入、电缆束单次回击、多次回击、及脉冲群测试

W4

电压波

T1=6.4μs,T2=69μs

由外部电流分量A因结构IR电压和扩散耦合在高阻抗结构中产生,主要出现在电缆两端

对非屏蔽电缆进行针脚注入、电缆束单次回击、多次回击

W5

电压及电流波

W5A:T1=40μs,T2=120μs

W5B:T1-50μs,T2-500μs

由外部电流A因结构IR电压和扩散耦合在低阻抗电缆中产生,一般电流持续时间长,但幅度不大

对屏蔽电缆进行针脚注入、电缆束单次回击、多次回击

W6

电流波

T1=0.25μs,T2=4μs

由外部波形H感应产生,主要以脉冲群形式存在

对屏蔽电缆进行多脉冲群的测试

表3 机载设备的雷电间接效应试验波形参数

5.2 试验方法

针对机载设备的雷电间接效应包含了2种类型的试验:针脚注入试验和电缆束试验。针脚注入试验主要用来测试设备的损毁容忍度,而电缆束试验主要是进行设备的功能失效容忍度。

1)针脚注入试验

针脚注入试验主要试验波形为波形3(1MHz)、波形4和波形5A,均对这些波形的开路电压和短路电流波形有要求,同时对发生器的输出阻抗有要求,详细可查阅RTCA-DO160G标准表22-2,在此不做详细描述。

测试中需要注意的是,当被试品不接入电源时,可以直接使用发生器连接至被试品端口进行试验,如果被试品需要带电进行在线试验,可以通过在电源端加入浪涌去耦单元,和在发生器输出端增加电源耦合单元,以确保浪涌不对供电电源造成影响,同样的电源也不是浪涌发生器损坏。同时,为了避免电源对发生器的损坏,可以采用耦合变压器进行对针脚的注入,但需要注意耦合变压器输出的开路电压和短路电流波形必须满足针脚注入的试验要求。

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图11 针脚注入试验回路连接框图-直接注入方式

2) 电缆束测试

电缆束耦合测试包含了波形1-波形6的所有波形,和针脚注入试验不同的地方是,无需测试的电压和电流波形同时达到标准要求,只需It或者Vt达到测试值即可,且无输出阻抗要求,在输出波形形式上有单次回击、多次回击和多脉冲群。单次回击标示的是自然界单一的雷击现象,多次回击模拟的是对地负闪时的多次回击现象,而多脉冲群主要模拟云闪的高频次闪击现象,波形6只有多脉冲群的测试,无单次回击及多次回击。

在进行电缆束测试时,可通过耦合变压器进行耦合测试和对地注入两种方式完成,标准推荐在进行波形1、波形2、波形3和波形6时建议使用耦合变压器进行试验,如果是波形4和5建议使用对地注入进行试验,当然在耦合变压器能满足波形4和波形5的前提下,也可以使用耦合变压器进行试验。

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图12 电缆束耦合试验框图

试验设备的开发

为了实现机载设备的雷电间接效应,本次开发了保护波形1-波形6的波形发生器,可满足针脚注及电缆束感应的所有测试波形的等级1-等级5测试。同时在此基础上开发了满足试验要求的各种耦合变压器及耦合去耦装置,方便测试回路的搭建。

由于波形众多,采用分类模块化设计的方案,共使用2套设备完成所有波形输出,将波形1、波形4、波形5三类波形宽度长、能量大的波形采用一套发生器完成,波形2、波形3、波形6三种波形宽度短、能量较小、但要求输出脉冲群的波形使用一套发生器完成。系统原理框图见下图

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图13 雷电效应模拟器原理框图

主回路设计主要以分组模块化设计理念,如下图所示,根据不同的波形所需的电容量不同,将电容组分为3组(C1、C2、C3),所有波形共用放电开关KD,选择的波形和测试模式可通过开关K4-K9进行切换,为达到最大利用率,使用不同的调波回路进行波形的调节,比如波形4,在进行针脚注入模式时使用L1、R1和并联电阻R10进行波形输出,此时R10约为1Ω,电容器充电10kV时可输出2500V的5Ω或者1Ω阻抗,当进行电缆束测试时,此时对电流波形无要求,可通过调整调波回路电阻,使用L2、R2和并联电阻R11实现更高电压的输出,此时电容充电10kV,可输出电压波形最高达4kV以上,其他波形按照同样的思路,可以实现电缆束测试时更高的电压或者电流幅值输出。

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图14 雷电模拟器主回路原理图

   

图 发生器输出波形

   

图15模拟器输出的多次回击和多脉冲群波形

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图16雷电效应模拟器成品展示

7  MIL-STD-461G CS117的差异化要求

国内军用分系统和设备进行电磁兼容测试主要依据GJB151B,其对标美军标MIL-STD-461F,但是现在美军标已经于2015年发布了新版的标准MIL-STD-461G版[9],新增了CS117部分-电缆、电源线的雷电瞬态感应敏感度测试,主要引用了SAE ARP 5412、5414、5415、5416以及RTCA DO-160,但与这些标准不同的是这些标准都是针对飞机装备的雷电感应效应测试,而CS117部分目的是通用所有军用设备,不止包含飞机,还包含了舰船、陆装车辆、以及雷达等武器系统。因此在测试方式和对波形的要求上有了些许差异。

1)CS117中删除了针脚注入测试,只进行电缆束的试验

2) 取消了电缆束的单次回击,只进行多次回击和多脉冲群测试

3) 取消5个等级,测试等级上只有内部设备和外部设备之分,内部一般对应的DO160标准的等级3,外部设备一般对应DO160的等级4

4) 取消了对地注入模式,只能使用耦合变压器进行电缆束感应方式测试

5) 波形2波头时间由小于100ns改为小于340ns

8结束语

由于雷电间接效应的测试要求及复杂程度远高于雷电直接效应,很多人仍会纠结于庞大的飞机系统间接效应的测试方法,本文通过对雷电间接效应的耦合机理分析和对各类雷电相关的标准解析,从宏观面上分析了雷电间接效应试验实现的方法和思路,并通过实际经验对雷电间接效应试验过程中所碰到的问题和注意事项予以说明,同时对各标准的试验方法差异进行了对比和分析,希望在以后的测试过程中能对实验室人员对试验的理解有所帮助。

另外,雷电效应的研究在我国尚处于初期阶段,测试设备依靠进口,针对雷电间接效应的瞬态试验,开发设计了一整套的试验装备,经实际测试其输出波形和测试方法满足相关标准要求,希望在将来国内有更多的人关注雷电效应,提升我国飞机及军用设备的可靠性