全碳纤维复合材料飞机雷电防护设计研究

引 言
　　飞机的防雷击设计包括全机防雷击系统和部件级防雷击系统两部分。而防雷击设计的首要环节是进行雷电区域的正确划分，从而根据不同的雷电区域采取不同的防护措施。本文主要提供一种全碳纤维复合材料飞机的全机防雷击系统设计，部件级防雷击系统的设计本文不做分析。
　　1 飞机雷击环境定义
　　1.1飞机的雷击环境
　　直接雷击——指开始接触到飞机表面的雷击。
　　扫掠雷击——指一旦飞机接触到直接雷击后，雷击持续放电的接触点不断出现顺气流方向沿飞机表面跳跃移动。
　　1.2飞机的雷电效应
　　雷电直接效应是由雷电电弧的附着及伴随着雷电流的高压冲击波和磁力所造成的燃烧、熔蚀、爆炸和结构畸形。
　　雷电间接效应是指在电子、电气设备和布线中雷电引起的过电压和过电流造成的设备损坏或干扰。
　　3 飞机雷电区域划分
　　3.1区域划分
　　按照不同的雷电附着特性或传递特性可把飞机表面划分成三个区域：
　　区域1：初始电击附着其上面（进口或出口）可能性很大的飞机表面。亦称初始附着区域。
　　区域2：电击放电被气流从区域1的初始附着点吹过来在其上面扫掠的可能性很大的飞机表面，亦称扫掠冲击区域。
　　区域3：除了区域1和区域2以外的所有飞机表面为区域3。在区域3，放电电弧直接附着的可能性很小，但它可能在某对初始雷电附着点或扫掠冲击附着之间传导很大的雷电流。
　　按照放电长时间悬停在飞机表面的可能性大小，区域1又进一步分为A区、B区和C区，区域2划分为A区和B区。A区是电弧在它上面长时间悬停可能性较小的区域。B区是电弧在它上面长时间悬停可能性较大的区域。
　　3.2区域的确定
　　飞机雷击区域的划分按照SAE ARP5414A-2005进行，采用推荐的或标准的经典规则确定。
　　3.2.1区域1的确定
　　首先，要确定可能的初始雷电附着点区域。一般传统布局的飞机，根据飞机的雷击经验，典型的雷电先导初始附着点位置为一些末端，如机头、机翼/尾翼翼尖、推进器和螺旋桨桨叶的末端、发动机舱以及其他明显的突出物。
　　其次，确定区域1A、1B、1C的位置，根据SAE ARP5414A-2005，在正常情况下，飞机将会往前飞行，当冲击和闪电从前端的附着点开始从头到尾的扫过，开始形成第一个回流冲击。这一时间飞机飞行距离决定了区域1A表面相对于初始附着点的延展部分，这个距离由飞行速度、飞机离地面的海拔高度（对于从云端到地面的冲击）以及先导速度决定。区域1A延展部分的起点应该是飞机初始附着区域的端点。
　　3.2.2区域2的确定
　　区域2：
　　1）从区域1的直接雷击接触点向后有扫掠雷击可能性的表面为区域2，在区域1的前、后边界侧向内大约0.5m范围内的表面；
　　2）区域1C之后机身表面为区域2A；
　　3）垂尾、平尾区域1以外的为区域2A；方向舵、升降舵为区域2B。
　　3.2.3区域1、2的横向扩张位置的确定
　　对于机翼和尾翼处，确定区域1的办法是确定突出的弧形部分的水平切线，然后沿着切线往里延伸大约0.5m，区域1往里延伸大约0.5m的表面区域应该放在区域2中考虑。
　　3.2.4区域3的确定
　　不属于区域1和2的表面，并且不可能有闪电附着的地方划分为区域3。
　　3.3飞机雷击区域划分示意图
　　飞机的雷击区域的位置都是由飞机的几何特性和飞机的飞行特性来确定的。飞机雷击区域的最终确定将由飞机雷击附着点试验得到。图1为某型号单发涡桨轻型公务机雷击区域的初步理论划分示意图。
　　4雷电防护设计
　　飞机结构的设计应该是在飞机遭遇雷击时能为雷电流提供低阻抗的通路。对于容易受到雷击放电损坏的飞机结构、系统和部件如飞机的机头、翼尖、螺旋桨、发动机、燃油箱、活动翼面、风挡、天线等部件，必须根据其自身重要性以及所在区域的要求采取必要的雷电防护措施，以尽可能避免或减小雷电对飞机及设备自身的损害。
　　4.1 全碳纤维复合材料机体的雷击防护
　　资料显示，对复合材料机体进行模拟雷击试验，在没有雷击防护层的情况下，在经受60～100kA峰值电流和1.9C电荷量放电后就产生严重损伤，说明应用复合材料的飞机必须进行雷击防护。
　　据了解，目前国内外多数复合材料的飞机均使用金属丝网作为雷击防护层，可用标准纺织工艺将金属丝织成布或针织品。全碳纤维复合材料飞机使用铜网作为雷击防护层。根据模拟雷击试验结果，具体防雷击方案为：
　　1）对于飞机雷击区域1，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.14mm；
　　2）对于飞机雷击区域2，可用铜丝网做复合材料的表面防护层。铜丝网的网眼数不小于20×40孔/in2，铜丝直径至少为0.1mm。
　　4.1.1位于雷击区域1的全碳纤维复合材料机体的雷击防护
　　用于雷击区域1的复合材料雷击防护层必须能经受200kA的高电流冲击和500C电荷量的传输。处于雷击区域1的全碳纤维复合材料结构的防雷击设计可在复合材料制件的外表面上铺一层铜丝网，一次固化成制件，或将铜丝网用胶粘剂粘到复合材料制件的外表面上。铜丝网规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.14mm。 　　4.1.2位于雷击区域2的全碳纤维复合材料机体的雷击防护
　　用于雷击区域2的复合材料雷击防护层必须能经受100kA的高电流冲击和传输200C的电荷量。处于扫掠雷击的复合材料结构雷击防护设计可采用在复合材料制件表面上粘一层铜丝网。铜丝网的规格为：网孔数不小于20×40孔/ in2，铜丝直径至少为0.1mm，若有天线安装的部位，为防止趋肤效应，铜丝直径至少为0.14mm。
　　4.2全碳纤维复合材料整体油箱的雷击防护
　　对于复合材料整体油箱，雷电防护设计是复合材料整体油箱设计中的关键技术之一。雷击过程中的高电压、大电流、大电量（持续高电流）对复合材料整体油箱危害极大。因此，在复合材料整体油箱设计之初，就应选择雷电防护系统。
　　4.2.1全碳纤维复合材料整体油箱防雷击设计的主要原则
　　1）复合材料整体油箱应布置在飞机遭受雷击概率较小的区域，如雷击区域2或3，尽量布置在3区。对机翼整体油箱来说，应布置在机翼的根部或中部；
　　2）在复合材料整体油箱的外表面应该为雷击电流构建通道，这些通道应与飞机的雷击电流传输通路有良好的电连接；
　　3）在油箱区，凡存在燃油、燃油蒸汽和空气混合气体的空间，不得因雷击产生放电火花。
　　4.2.2全碳纤维复合材料整体油箱外部的雷电防护设计
　　由于复合材料整体油箱的上、下壁板是飞机机体结构表面的一部分，因此其雷电防护的设计思路及外表面雷电防护方法与复合材料机体的雷电防护相同。
　　4.2.3全碳纤维复合材料整体油箱内部的雷电防护设计
　　1）金属紧固件尾部及连接细节雷电防护设计：当结构材料允许雷击电流通过结构骨架传导时，容易在紧固件尾部或紧固件与骨架连接处产生放电火花，为此需用密封胶覆盖、用专用防护帽的方法或其他可靠的方法保证不产生放电火花；
　　2）复合材料紧固件：在满足强度要求并能提供充足的紧固件品种规格和工艺保证的前提下使用。可避免将雷击电流导入油箱内部，从而避免火花的出现；
　　3）油箱内的金属构件：复合材料整体油箱内部应尽量避免有金属构件。对于不可避免的金属构件应通过搭接线与飞机金属结构保证良好搭接，并要防止内部导体电晕和流光。
　　4）油箱内部的部件和结构设计应做到：当雷击电流通过油箱时，不会在油箱内部产生任何可能点燃燃油蒸汽的火花。
　　4.3设备的雷电防护
　　对于设备，根据设备所执行的功能，要求设备厂商必须参照符合设备预期用途以及在飞机上安装要求的试验电平和波形对设备进行试验，具体要求根据RTCA /DO 160F 第22章进行。
　　对于安装在飞机外部的设备，还需要设备厂商进行雷电直接效应试验，用于确定外部安装设备耐受雷击直接效应的能力，施加于外部安装设备的试验类型和严酷等级取决于设备指定的类别。指定的设备试验类别应与设备安装位置所在的雷电放电区域相符合，具体要求根据RTCA /DO 160F 第23章进行。
　　4.4雷电间接效应防护
　　飞机内电子电气系统和部件（全机用电设备，包括发动机电气、操纵系统等），可能会因为雷击引起过电压和过电流造成损坏或干扰的，要进行雷电间接效应防护。由于全碳纤维复合材料飞机的屏蔽能力比金属飞机差，所以雷电间接效应的防护更加重要。
　　雷电间接效应通常以两种形式出现：
　　1）雷电通过天线、空速管加温线、航行灯导线、金属操纵线系及各种金属管路等，将雷电电流直接引入飞机，可能出现浪涌电压；
　　2）沿着机体流动的雷电电流在飞机线路中、金属操纵线系、各种金属管路中产生的感应电压和电流。
　　4.4.1明确设备防护的要求
　　关于电子电气设备的雷电间接效应防护要求：
　　1）不得造成物理损坏；
　　2）不得产生立即危及飞机及其机组人员安全的干扰，或产生严重妨碍飞机任务完成的干扰。
　　系统和部件的雷电关键类别取决于其自身对飞机的重要性、所在的雷电分区以及雷电的敏感性。根据飞机的机体结构、蒙皮材料、电磁“窗口”大小（如外部非金属区）设备的安装部位、导线的布置、设备接口进行分析，确定瞬态控制等级（TCL）和设备瞬态设计等级（ETDL）。关键设备、分系统根据RTCA /DO 160F 第22章进行试验。RTCA /DO 160F 第22章试验波形等同SAE ARP5412A-2005的相关试验波形。
　　4.4.2选择设备的最佳安装位置
　　设计过程中，尽量将电子设备布置在雷电产生的电磁场最弱的区域，采取的主要措施有：
　　1）电子设备尽量远离门、窗、口盖等开口处。对于安装在驾驶舱、起落架舱、机翼前后缘、尾段等相对敞开区域的设备，采用金属机箱屏蔽，对于含有数字电路和模拟电路的设备如靠近挡风板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的铝合金做成电磁屏蔽盒；
　　2）尽可能将电子设备布置为朝向飞机结构的中心，而不布置在飞机外蒙皮；
　　3）设备安装的设备架上能为电子设备提供接地面且与飞机接地网有良好的搭接；
　　4）金属线系和管路应有良好的搭接。
　　4.4.3选择线路的最佳位置
　　电线、电缆应进行分类布设。
　　电缆敷设远离门、窗、口盖等开口处和曲率较小的结构或蒙皮。
　　线束尽可能靠近接地平面或结构件敷设，可利用成形的结构件作电缆槽，提供屏蔽。
　　尽可能使导体位于磁场强度较弱的结构角落，如避开突出的结构件顶部，尽可能敷设在“U”型件的内部。
　　当有机外未屏蔽或屏蔽效能不高区域的电线和电缆进入机身内部时，将机外所有电缆进行屏蔽保护，屏蔽层接地线应尽量短，并良好搭接，以避免遭受雷击或外部强电磁辐射时电线和电缆上的感应电压和电流损坏电线和电缆以及与电线和电缆连接的机内设备。
　　不要使燃油传感器导线的走向与通气管、导油管导向走向一致或平行。导线可以贴着蒙皮走，但应避免与雷击电流流向一致。
　　在非金属机翼蒙皮下的电缆，应根据导线的布设方向，用铝箔材料或良导体金属导线管，保护电缆导线。铝箔材料或金属导线管应和全机的接地网搭接，形成良好的电气通路。
　　雷电流通过低导电率材料的蒙皮（如钛、碳纤维）区域会产生电磁干扰，应远离这些区域布设电缆。由于空间有限，可采用电气隔离的方法：
　　1）可采用扭绞线作为电源线；
　　2）采用屏蔽电缆或屏蔽扭绞线，并将它们的两端均搭接到全机的接地网上；
　　3）用瞬态抑制器，以保护电网的安全；
　　4）电气设备和线束的安装应满足要求。
　　4.4.4选择良好的接地
　　设备应根据要求选择良好的搭接，并进行搭接电阻的检查。
　　对全碳纤维复合材料飞机，全机设备进行良好的搭接显得尤为重要，为方便设备的搭接，全机应构建统一的搭接网络。
　　5结论
　　雷电对飞机的飞行安全影响较大，全碳纤维材料飞机的雷击防护在飞机的研制过程中是非常重要的，对机体结构采用敷设铜网作为雷击防护层是可行的。