[发明专利]雷电脉冲下碳纤维材料飞行目标内的电磁分布预估方法

说明书

技术领域

本发明属于快速计算雷电脉冲下碳纤维材料飞行目标内一定频带内的电磁散射特性的仿真计算技术，特别是高介电参数、有耗的碳纤维材料构成的目标电磁散射特性的仿真计算技术。

背景技术

碳纤维是由有机母体纤维(粘胶丝、聚丙烯腈或沥青等)采用高温分解法1000～3000℃高温的惰性气体下碳化制成的，具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，是一种力学性能优异的材料。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。它是由有机母体纤维(粘胶、沥青、聚丙烯腈等含碳量较高、在热处理过程中不熔融的化学纤维)经预氧化、碳化、石墨化等工艺制成。其主要用途是与树脂、金属、陶瓷、水泥等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)为典型代表，其比强度、比模量等性能是现有结构材料中最高的。

随着飞机逐渐向轻型化发展，飞机的部分外壳采用碳纤维等复合材料。但碳纤维材料的电磁屏蔽效能不如金属，这使机体内的精密电子设备更容易受到外部电磁环境的影响，所以飞机飞行过程中的电磁环境安全性分析已经成为重要的研究课题。而雷电作为一种常见的自然现象，在放电过程中会产生上升时间极快，持续时间极短的初始大电流脉冲。因此雷电在放电过程中会产生很强的瞬态电磁场，这种峰值极高的电磁场和电流脉冲会对处于飞行中的飞机电子设备造成极大危害。研究雷电脉冲下碳纤维材料飞行目标内的电磁分布对实际的设计工作有重要的现实意义。

目前，在航空航天领域应用中，碳纤维材料作为一次构造材料，利用碳纤维的耐高温、比强度高和比模量高等力学特性作为航空、航天、飞机、飞船等的结构材料使用。如飞机的一次构造材料：主翼、尾翼和机体等；二次构造材料：副翼、方向盘、升降舵、内装材料、地板材、刹车片及直升机的叶片等；火箭的排气锥体、发动机(盖、壳体、燃烧室、喷管、喉衬、扩散段)、助推器壳体等；较大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,可以起到明显的减重作用。碳纤维复合材料广泛应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。碳纤维由于其质量小,所以动力消耗少,可节约大量燃料。人造卫星的承力结构、热防护系统、太阳能电池基板、复杂曲面天线、连接架等；宇宙飞船的翼面板和支撑构件等。太空站和天地往返运输系统上的一些关键部件也往往采用RR45RR碳纤维复合材料为主要材料。目前，碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已占70%～80%，在军用飞机上占30%～40%，在大型客机上占15%～50%。

传统的时域方法如FDTD精度受到很大的限制，不能满足日益增加的对高精度的需要。而频域的方法每个频点的阻抗矩阵不同，计算一点频带的电磁特性必须扫频，而频域进行扫频非常费时，脱离实际的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维材料飞行目标散射特性的数值方法，从而实现快速得到宽频带内电磁散射特性参数的方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种雷电脉冲下碳纤维材料飞行目标内的电磁分布预估方法，步骤如下：

第一步，时域时间步进电场体积分方程的建立，基于目标体内总场为入射电场与散射电场之和。入射电场为时域平面波，调制高斯脉冲通常被用来作为入射电场，散射电场可以用待求的未知极化体电流来表示。

第二步，将未知量由极化体电流转换为电通量密度，并给出有耗媒质中极化体电流的时域表达形式。电通量密度用空间基函数和时间基函数展开，这里使用定义在四面体对上的SWG和二阶拉格朗日时间基函数。并在空间域上进行伽辽金测试，时间域上进行点匹配得到时域矩阵方程。

第三步，时域阻抗矩阵计算，时域平面波算法PWTD结合等效电偶极子模型法提高传统MOT阻抗矩阵填充的速度，高效计算得到时域矩阵。应用PWTD算法实现瞬态远场高效计算，减少需要填充的MOT阻抗矩阵元素的数量，提高MOT算法的效率。本发明将被PWTD算法中需要填充的MOT阻抗矩阵元素区别对待，相距3个时间步内的场源基函数形成的阻抗矩阵元素采用传统MOT填充，其它相距大于3个时间步的元素应用等效电偶极子模型法近似计算，进一步提高MOT效率。

第四步，时域矩阵方程求解以及计算目标体内的电磁分布情况。