雷电电磁脉冲效应与防护试验技术

本书从多角度展现雷电电磁脉冲的特征，总结雷击通道邻近区域的电磁环境规律，阐释防护标准中环境要求的来源；实验室模拟和人工引雷试验相结合，介绍雷电效应与防护效果的综合验证方法，探讨雷电防护的新技术；针对复合材料雷电防护，介绍相应的防护措施并对其进行分析和验证。

石立华，陆军工程大学教授，博士生导师。长期从事雷电及电磁脉冲效应与防护技术研究，在电磁脉冲耦合效应分析方法、试验技术及工程防护技术等方面进行了系统、深入的研究，在邻近雷击电磁环境效应、人工引雷新技术、装备雷电防护技术等方面取得了多项创新性成果。先后获国家科技进步二等奖 2 项，国家技术发明三等奖 1 项，军队科技进步一等奖 3 项、二等奖 4 项，国家教材建设奖优秀教材二等奖 1 项。

第1章雷电效应与防护技术概述11.1雷电效应与雷电防护11.1.1地闪放电过程11.1.2雷电效应与防护31.2雷电电磁环境效应与试验验证技术发展动态61.2.1邻近雷击电磁环境的测量与耦合效应分析61.2.2雷电防护试验验证技术7参考文献13第2章地闪回击电磁场及其预测模型162.1地闪过程及其电磁脉冲辐射162.1.1典型地闪的起始与发展162.1.2地闪回击的工程模型182.1.3回击通道基电流模型202.1.4回击速度及其时空变化212.2理想大地条件下的回击辐射场预测222.2.1任意方向线段电流的辐射电磁场232.2.2倾斜与曲折通道的回击辐射场预测262.2.3垂直通道的回击辐射场的预测282.2.4回击辐射场计算模型的验证302.2.5预测模型在变回击速度辐射场分析中的应用[13]332.3非理想大地条件下的回击辐射场预测342.3.1大地电参数的模型342.3.2时域有限差分方法382.3.3典型环境分析结果与讨论42参考文献47第3章雷电电磁脉冲对传输线的耦合效应503.1传输线耦合分析模型503.1.1 FDTD细导线模型503.1.2基于传输线理论的场-线耦合模型543.1.3考虑电涌保护器作用的耦合电压分析563.2屏蔽电缆耦合分析593.2.1屏蔽电缆转移阻抗593.2.2转移阻抗的时域建模方法603.2.3屏蔽线缆耦合的时域求解633.2.4典型耦合分析结果653.3基于人工引雷的长线耦合试验验证673.3.1试验设置与测量系统673.3.2人工诱发雷电通道附近的长线耦合效应683.3.3不同回击速度条件下的长线耦合特征讨论72参考文献78第4章雷电电磁脉冲的测量技术804.1雷电电磁脉冲场的测量804.1.1雷电电磁脉冲测量技术的发展804.1.2 LEMP电场的测量824.1.3 LEMP磁场的测量854.1.4 LEMP电磁场传感器的性能标定884.2光纤传输型电磁场传感器974.2.1三维电场传感器974.2.2偶极子微型电场传感器1024.2.3三维磁场传感器1054.3雷电流测量技术1124.3.1人工引雷通道基电流的测量1124.3.2高塔雷电流监测系统1154.3.3电流的光纤测量方案1234.4光纤供能测量技术1314.4.1光纤供能电场传感器的系统设计1314.4.2系统性能的测量134参考文献138第5章雷电间接效应试验技术1405.1雷电试验标准1405.1.1试验标准简介1405.1.2直接雷击引起的间接效应的波形要求1425.1.3邻近雷击电磁场环境的要求1445.2邻近雷击电场模拟1465.2.1高压源1495.2.2脉冲电场形成装置1525.2.3模拟电场环境的仿真与测量1585.3邻近雷击磁场模拟1655.3.1电流源1665.3.2脉冲磁场形成装置1695.3.3模拟磁场环境的测量1765.4直接雷击引起的间接效应试验1805.4.1电流注入试验系统设计1815.4.2试验验证方法188参考文献194第6章雷电直接效应试验技术1956.1雷电直接效应试验方法1956.1.1实验原理及装置1956.1.2雷电通道附着过程观测方法1966.1.3雷电大电流物理损伤测试方法1976.2雷电通道附着过程观测1996.2.1起晕及击穿阈值分析1996.2.2 CFRP油箱模型起晕测试设置2006.2.3直流高压起晕及击穿过程观测结果2016.2.4脉冲高压起晕及击穿过程观测结果2026.3雷击声冲击效应测量2086.3.1声冲击效应信号分析2086.3.2声冲击效应信号测量方法2106.3.3声冲击效应信号测量实验及结果分析2146.4雷击过程结构表面瞬时温度测量2166.4.1瞬时温度测量原理2166.4.2瞬时高温测量系统2186.4.3瞬时温度测量结果及分析2196.5雷击过程结构表面电流测量2206.5.1表面电流测量原理2206.5.2表面电流测量实验设置2226.5.3表面电流测量结果分析223参考文献225第7章火箭引雷试验技术2277.1火箭引雷主要过程与装置2277.1.1火箭引雷的主要过程2277.1.2引雷火箭与发射装置2297.1.3引雷火箭点火装置2327.2火箭引雷试验设施与观测系统2387.2.1设施布局及配置2387.2.2分布式数据采集装置2477.2.3短基线甚高频辐射源定位系统2507.2.4先导-回击过程的光学观测2537.3火箭引雷过程的观测结果2557.3.1天气过程2557.3.2快慢电场2577.3.3上行先导与回击过程2577.3.4下行先导-回击过程的联合观测2647.4通道近区场及其耦合毁伤效应2687.4.1场分布模型2687.4.2邻近电磁场2707.4.3线缆耦合2727.4.4理论分析与试验的对比2757.5基于人工引雷的系统级雷电效应试验2777.5.1总体情况2777.5.2民用建筑的雷电耦合2777.5.3弹药库的雷电耦合278参考文献278第8章复合材料结构雷电防护技术2808.1雷击环境下碳纤维复合材料的电导率2808.1.1 CFRP电导率-频率特性测量及分析2808.1.2环境加热情况下CFRP电导率-温度特性2858.1.3焦耳热效应下CFRP电导率-温度特性2928.2复合材料结构的屏蔽效能及其设计评估2978.2.1 CFRP试验腔体的脉冲场屏蔽效能2978.2.2交叉铺层复合材料的屏蔽效能设计评估3008.2.3 CFRP的屏蔽效能设计评估3048.3雷击电热耦合致损效应评估3068.3.1 CFRP电热耦合仿真分析3068.3.2仿真有效性的实验验证3108.3.3不同峰值雷电流作用下CFRP温度变化规律分析3158.3.4不同波形雷电流的损伤评估3178.4 CFRP雷击防护方法及效果评估3208.4.1不同导电层CFRP试件的雷电损伤防护效果实测比较3218.4.2火焰喷铝层雷电防护效果的定量评价3248.4.3喷铝涂层效能综合分析3288.5雷击附着点定位技术3328.5.1雷击附着点VTR高精度定位原理3338.5.2雷击附着点定位实验结果及分析3368.6雷击损伤成像监测技术3378.6.1基于Lamb波的雷击损伤延迟叠加成像原理3388.6.2 Lamb波在CFRP结构中的群速度测量3398.6.3 CFRP雷击致损实验及结果分析3428.6.4基于Lamb波的雷击损伤探测及成像结果343参考文献346第9章雷电防护效果的评估3509.1雷电防护效果评估流程3509.1.1评估的原则3509.1.2建模分析的要求3539.1.3测试评估的重要事项3549.2雷电电磁脉冲环境效应试验方法3569.2.1直接雷击引起的间接效应试验方法3579.2.2脉冲电磁场效应试验方法3609.3计算机的雷电电磁脉冲效应实验3629.3.1实验方案3629.3.2实验流程3659.3.3实验现象及数据3669.3.4实验总结370参考文献371第10章新技术应用展望37210.1激光诱导放电与雷电防护应用37210.1.1激光诱导放电技术与激光引雷37210.1.2激光引雷技术的应用前景37410.1.3激光引雷技术面临的挑战37510.1.4激光引雷技术的研究展望37710.2雷电试验中的效应监测技术37810.2.1雷击恶劣环境下的光纤传感技术37810.2.2雷击过程在线监测与破坏效应诊断38010.3雷电邻近电磁环境的等效模拟技术38310.3.1邻近雷击频域环境的连续波等效38310.3.2电场变化率与磁场变化率的同步等效384参考文献385