飞行器雷击过程的数值仿真方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31899

流体力学与飞行力学

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飞行器雷击过程的数值仿真方法

邱宜成¹^,², 苑朝凯¹^,²(), 韩桂来¹^,²

^1.中国科学院力学研究所空天飞行高温气动全国重点实验室，北京 100190
^2.中国科学院大学工程科学学院，北京 100049

收稿日期:2025-02-26 修回日期:2025-04-18 接受日期:2025-05-08 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-05-19
通讯作者: 苑朝凯 E-mail:yuanck@imech.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12272385)

Numerical simulation methods for aircraft exposed to lightning strikes

Yicheng QIU¹^,², Chaokai YUAN¹^,²(), Guilai HAN¹^,²

^1.State Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics，Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.School of Engineering Science，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2025-02-26 Revised:2025-04-18 Accepted:2025-05-08 Online:2025-09-25 Published:2025-05-19
Contact: Chaokai YUAN E-mail:yuanck@imech.ac.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12272385)

摘要/Abstract

摘要：

针对高超声速飞行器雷电涂层设计需求，发展了雷击过程数值仿真方法，在局部热力学平衡条件下，采用自由能最小化法计算空气的热力学性质和输运性质，并考虑了焦耳加热、韧致辐射、短波长热辐射以及洛伦兹力对雷电通道的磁约束效应，研究了雷电通道的发展过程、通道热力学参数的变化以及激波发展过程。结果表明：该方法计算得到的激波发展过程与试验测量一致，激波波速衰减速率和激波超压衰减速率与理论预测结果一致，强、弱转换拐点前后的激波衰减特征分明。同时，基于该方法研究了热辐射效应、磁约束效应、雷电放电功率和放电时间对雷击过程的影响。

关键词: 雷电, 防雷涂层, 激波, 高超声速, 热辐射

Abstract:

To meet the design requirements for lightning protection coatings on hypersonic vehicles， a numerical simulation method for lightning strike processes was developed. Under local thermodynamic equilibrium conditions， the thermodynamic and transport properties of air were calculated using the free energy minimization method. The effects of Joule heating， viscous radiation， short-wavelength thermal radiation， and the Lorentz force on the magnetic confinement of the lightning channel were considered. The development of the lightning channel， variations in the thermodynamic parameters of the channel， and the shock wave development process were investigated. The results show that the shock wave development process obtained from the numerical method aligns with experimental measurements. The shock wave velocity decay rate and overpressure decay rate match the theoretical predictions， with clear distinctions in shock wave attenuation characteristics before and after the transition point between strong and weak shocks. Additionally， this method is used to analyze the effects of thermal radiation， magnetic confinement， lightning discharge power， and discharge time on the lightning strike process.

Key words: lightning, lightning protection coating, shock wave, hypersonic, thermal radiation

中图分类号:

V411.3

邱宜成, 苑朝凯, 韩桂来. 飞行器雷击过程的数值仿真方法[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 131899.

Yicheng QIU, Chaokai YUAN, Guilai HAN. Numerical simulation methods for aircraft exposed to lightning strikes[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(18): 131899.

图/表 17

表 1

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图 2

表 2

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
气体常数R/（J·K^-1·kg^-1）	2.880 946×10²
比解离能E₀/（J·kg^-1）	2.930 557×10⁷
一次电离比能E₁/（J·kg^-1）	9.591 766×10⁷
二次电离比能E₂/（J·kg^-1）	2.0620 56×10⁸
解离常数C₀/（m³·K^1.5kg^-1）	4.817 588×10^-4
一次电离常数C₁/（m³·K^1.5kg^-1）	11 014.16
二次电离常数C₂/（m³·K^1.5kg^-1）	10 339.65
振动温度T_v/K	3 150.0
标准空气密度ρ₀/（kg·m^-3）	1.172 358
标准温度T₀/K	300.0
标准压强p₀/Pa	101 325

序号	I₀/kA	t_m/μs	k_n/μs	对比试验
1	7	1.5	8	Orville等^［42］
2	20	5	50	Plooster^［17］
3	0.5	0.25	15	Higham， Meek^［43］
4	10	4	12	Norinder， Karsten^［44］
5	2	2	2	Liao等^［23］

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