雷電天氣下飛機(jī)的適航性

胡濤

隨著夏季的到來，各地雷雨天氣也越來越頻繁，嚴(yán)重影響了民航航班的起飛和降落。實(shí)際上，從事民航飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造和適航性技術(shù)相關(guān)工作的人員都知道，民航飛機(jī)一般都具有較好的抗雷擊能力，通常情況下，雷電不會(huì)對(duì)飛機(jī)造成較大損傷。

在美國國家運(yùn)輸安全局（NTSB）記錄的14余萬起飛行事故中，僅有24起同閃電有關(guān)，其中大部分是私人飛機(jī)或直升機(jī)，而且只有5起造成了人員傷亡。那么，民航飛機(jī)為什么會(huì)有如此好的防雷擊能力呢？筆者將從以下幾個(gè)方面簡要講解民航飛機(jī)是如何防雷擊的，如何具有雷電環(huán)境下的適航能力。

雷電是由空氣中或者更多是在云層中的電荷產(chǎn)生的，當(dāng)云層充電到足夠高的電壓時(shí)就會(huì)擊穿空氣絕緣體從而發(fā)生閃電。最常見引起閃電的是積雨云、雷雨云，而在沙塵暴、暴風(fēng)雪及火山噴發(fā)時(shí)，也會(huì)引起閃電。

最常見的雷電類型主要包括：云層和大地之間的，稱為云地間雷電;在同一云層內(nèi)電荷中心間的雷電稱為云層內(nèi)雷電;在不同云層間的雷電稱為云層內(nèi)雷電。云地間雷電和云層內(nèi)雷電是最常見的雷電類型。

雷電對(duì)飛機(jī)的影響

飛機(jī)結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)電材料制成的，由于閃電的發(fā)生是由云層到地面或其他云層，飛機(jī)結(jié)構(gòu)就提供了一個(gè)“短路”的路徑，飛機(jī)成了雷電路徑的一部分。巨大的閃電能量和電磁脈沖輻射場可能會(huì)對(duì)飛機(jī)飛行安全造成嚴(yán)重影響。雷電對(duì)飛機(jī)的影響可以分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。

雷電的直接效應(yīng)是指閃電通道的直接附著和/或設(shè)備產(chǎn)生的物理效應(yīng)。包括飛機(jī)或設(shè)備表面和結(jié)構(gòu)的絕緣擊穿、爆炸、彎曲、融化、燃燒和汽化。也包括直接注入到相關(guān)導(dǎo)線和管道以及其他導(dǎo)電部件的電壓和電流。直接效應(yīng)可能導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)破壞，特別是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損壞，嚴(yán)重的可造成機(jī)毀人亡。

對(duì)結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)。飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)，閃電會(huì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)外表面形成多個(gè)附著點(diǎn)，把整個(gè)飛機(jī)作為一個(gè)導(dǎo)體在附著點(diǎn)之間傳播瞬時(shí)大電流。因此，只有在電流通路上，結(jié)構(gòu)零件之間電搭接或接觸不好時(shí)，才容易出現(xiàn)物理損壞。另一方面，在電流匯合到進(jìn)或出點(diǎn)周圍，可能聚集很大的電磁力和阻性加熱，這些都可能帶來結(jié)構(gòu)的損壞。在這些雷擊點(diǎn)上的破壞，深入來講是由電弧通路帶來的巨大的熱量和巨大的作用力造成的。

對(duì)燃油系統(tǒng)的直接效應(yīng)。對(duì)飛機(jī)造成的最嚴(yán)重危害之一莫過于擊中燃油系統(tǒng)。一個(gè)只傳導(dǎo)1A電流的電弧就足夠點(diǎn)燃易燃的碳?xì)浠衔锶細(xì)?，而?shí)際上飛機(jī)內(nèi)射入的閃電電流高達(dá)幾千安培。有很多民用或軍用的飛機(jī)事故的起因是由閃電造成的燃油起火，經(jīng)調(diào)查最有可能的是在一些沒有專門設(shè)計(jì)成導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)接合處或電氣設(shè)備上產(chǎn)生的電弧或火花造成的，也有一些事故被認(rèn)為可能是閃電點(diǎn)燃了從通氣口排出的燃油蒸汽造成的。

對(duì)電氣系統(tǒng)的直接效應(yīng)。如果一個(gè)安裝在外部的設(shè)備，比如航行燈或天線，恰巧位于閃電附著點(diǎn)上，保護(hù)罩或整流罩可能會(huì)破碎，閃電電流就會(huì)直接進(jìn)入相關(guān)的電氣導(dǎo)線中，沿著導(dǎo)線流入電源分配系統(tǒng)。伴隨的浪涌電壓會(huì)擊穿絕緣層，或者導(dǎo)致其他使用同一電源的電氣設(shè)備的損壞。安裝在外部的電氣設(shè)備通常包括：航行燈、天線、風(fēng)擋加溫器、空速管加溫器、以及早期的用于短波無線電通訊的在尾梁上架設(shè)的長導(dǎo)線天線等。

當(dāng)飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)，即使閃電沒有直接擊中飛機(jī)的電氣導(dǎo)線，擊中飛機(jī)結(jié)構(gòu)也足以在這些導(dǎo)線上引起較大的感應(yīng)電壓和電流的浪涌。由這些感應(yīng)電壓和電流造成的對(duì)電氣設(shè)備的干擾或損壞定義為間接影響。間接效應(yīng)可能引起電氣/電子設(shè)備短暫或永久性功能喪失，影響航空器正常操作。

此外，閃電還可能引起飛行人員短暫失明（也即閃光致盲）或受到機(jī)體或操縱手柄的直接/間接產(chǎn)生的電流的電擊，也會(huì)對(duì)飛行安全產(chǎn)生隱患。

閃光致盲是指在夜間飛行時(shí)，如果風(fēng)擋前方出現(xiàn)閃電，那么它的閃光可能使飛行員短暫致盲，使飛行員難以或不能看到飛機(jī)儀表。閃光致盲可以持續(xù)一到兩分鐘。在不損失風(fēng)擋可視性的前提下，沒有任何辦法能避免閃光致盲。當(dāng)飛機(jī)上有兩名飛行員時(shí)，在可能發(fā)生閃電的情況下，保證一名飛行員始終觀察飛機(jī)儀表板，而不向風(fēng)擋看。駕駛艙內(nèi)的設(shè)備照明燈和顯示強(qiáng)度都應(yīng)調(diào)到最亮。

雷電防護(hù)適航性技術(shù)要求

為了保證民航飛機(jī)在雷電環(huán)境下仍能夠安全飛行，也即具有雷電環(huán)境下的適航能力，中國民航局（CAAC）和美國聯(lián)邦航空局（FAA）在其頒布的運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章（CCAR/FAR 25部）中明確要求運(yùn)輸類飛機(jī)必須滿足“閃電防護(hù)”相關(guān)以下適航規(guī)章條款要求。

CCAR/FAR 25.581 閃電防護(hù)

（a）飛機(jī)必須具有防止閃電引起災(zāi)難性后果的保護(hù)措施。

（b）對(duì)于金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：該組件合適地搭接到飛機(jī)機(jī)體上;該組件設(shè)計(jì)成不致因閃電而危及飛機(jī)。

（c）對(duì)非金屬組件可用下列措施之一表明符合本條（a）的要求：該組件的設(shè)計(jì)使閃電的后果減至最小;具有可接受的分流措施，將產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機(jī)。

（d）防止閃電和靜電的電搭接和保護(hù)措施必須符合下列要求：使靜電荷的積累減至最小;使采用了正常預(yù)防措施的機(jī)組成員、旅客、服務(wù)和維修人員遭到電擊的危險(xiǎn)減至最小;在正常和故障情況下，在具有接地的電氣系統(tǒng)的旋翼航空器上，都要設(shè)有電回流通道;使閃電和靜電對(duì)主要電氣和電子設(shè)備工作的影響減至可接受的水平。

CCAR/FAR 25.581“閃電防護(hù)”主要是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)的規(guī)定，它要求飛機(jī)必須具有防止閃電引起的災(zāi)難性后果的保護(hù)措施，也即必須要有足夠的防雷電措施。

CCAR/FAR 25.954 燃油系統(tǒng)的閃電防護(hù)

燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局，必須防止由于下列原因而點(diǎn)燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸氣：雷擊附著概率高的區(qū)域直接被閃擊;掃掠雷擊可能性高的區(qū)域被掃掠雷擊;燃油通氣口處的電暈放電和流光。

CCAR/FAR 25.954“燃油系統(tǒng)的閃電防護(hù)”主要是對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)防雷擊要求，規(guī)定燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和布局，必須防止由于閃電點(diǎn)燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸汽。

CCAR/FAR 25.1316 系統(tǒng)閃電防護(hù)

（a）對(duì)于其功能失效會(huì)影響或妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行和著陸的每種電氣、電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝，必須保證在飛機(jī)遭遇閃電環(huán)境時(shí)、執(zhí)行這些功能的系統(tǒng)的工作與工作能力不受不利影響。

（b）對(duì)于其功能失效會(huì)影響或造成降低飛機(jī)能力或飛行機(jī)組處理不利運(yùn)行條件能力的各種電氣和電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝，必須保證在飛機(jī)遭遇閃電環(huán)境之后能及時(shí)恢復(fù)這些功能。

（c）必須按照遭遇嚴(yán)重閃電環(huán)境來表明對(duì)于本條（a）和（b）的閃電防護(hù)準(zhǔn)則的符合性。申請人必須通過下列辦法來設(shè)計(jì)并驗(yàn)證飛機(jī)電氣/電子系統(tǒng)對(duì)閃電影響的防護(hù)能力：確定飛機(jī)的閃擊區(qū);建立閃擊區(qū)的外部閃電環(huán)境;建立內(nèi)部環(huán)境;判定必須滿足本條要求的所有電子電氣系統(tǒng)及其在飛機(jī)上或飛機(jī)內(nèi)的位置;確定系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部和外部閃電環(huán)境的敏感度;設(shè)計(jì)防護(hù)措施;驗(yàn)證防護(hù)措施的充分性。

CCAR/FAR 25.1316“系統(tǒng)的閃電防護(hù)”主要是對(duì)飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備雷電防護(hù)的規(guī)定，它要求飛機(jī)重要的電子電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝，必須保證在飛機(jī)遭遇閃電環(huán)境之后，這些系統(tǒng)的工作與工作能力不受不利影響或能及時(shí)恢復(fù)其功能。

雷電防護(hù)適航性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

運(yùn)輸類飛機(jī)適航規(guī)章（CCAR/FAR 25部）是各種民用運(yùn)輸類飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造和適航取證必須要滿足的適航性技術(shù)要求，其中的“閃電防護(hù)”相關(guān)要求也不例外。

為了滿足上述“閃電防護(hù)”適航性要求，保證飛機(jī)在閃電環(huán)境下的適航性，大多數(shù)民航飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造時(shí)會(huì)采取了以下措施以確保飛機(jī)在遭受雷電后的安全：

（1）飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成良好的導(dǎo)通性（低電阻值），避免遭遇閃電時(shí)產(chǎn)生過熱。

（2）所有關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)或蓋板進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，保證在遭遇閃電后不會(huì)熔化或擊穿。

（3）在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中加入避雷條，如雷達(dá)罩上裝有放電條。

（4）對(duì)于閃電產(chǎn)生的電磁干擾等間接效應(yīng)：金屬的飛機(jī)外殼為內(nèi)部設(shè)備提供屏蔽保護(hù)，使電荷分布在飛機(jī)外部。對(duì)于最為關(guān)鍵的設(shè)備提供高等級(jí)的保護(hù)，如飛機(jī)電子儀器的電線包括電源通訊及控制線都加裝有接地金屬網(wǎng)保護(hù)。采取冗余技術(shù)（多套設(shè)備互為備份）。

（5）安裝密封性佳、防止火花引爆的結(jié)構(gòu)油箱和燃油管路，或在燃油箱中充入氮?dú)獾榷栊詺怏w。

為了保證飛機(jī)閃電防護(hù)措施的充分性以及對(duì)CCAR/FAR 25部“閃電防護(hù)”適航性要求的符合性，在飛機(jī)閃電防護(hù)適航性合格審查時(shí)通過下述六個(gè)步驟進(jìn)行保證：

（1）確定閃電分區(qū)

每種飛機(jī)的具體分區(qū)都不一樣，分區(qū)與飛機(jī)的幾何形狀、材料、操作等因素有關(guān)，因此對(duì)每種飛機(jī)應(yīng)該建立各自的閃電分區(qū)。

（2）建立與分區(qū)有關(guān)的閃電環(huán)境

外部閃電環(huán)境是閃電與飛機(jī)外部相互作用的結(jié)果。用一組飛機(jī)表面的電流分量和電壓波形表示。電壓波形代表與閃電附著前階段有關(guān)的電場效應(yīng)，電流分量是必須予以防范的電流。不同的閃電分區(qū)，閃電環(huán)境不一樣，遭受的電流分量和電壓波形也就不一樣。

（3）進(jìn)行閃電危害評(píng)估

所有飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的閃電效應(yīng)必須被評(píng)估，以確定任何閃電損害可能的安全后果。這個(gè)評(píng)估必須確定哪些飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件，因雷擊造成的失效或故障會(huì)有助于或?qū)е铝⒓椿蛏院蟮臑?zāi)難性后果。

（4）進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)可依據(jù)以前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)指南，或者以前的認(rèn)證手冊數(shù)據(jù)。對(duì)于新的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行試驗(yàn)以證明其性能。

（5）符合性驗(yàn)證

通過證明結(jié)構(gòu)件、系統(tǒng)和部件可以安全地承受可能遇到的閃電環(huán)境來驗(yàn)證符合性。驗(yàn)證可以通過與類比、試驗(yàn)、分析計(jì)算，或者三者結(jié)合來進(jìn)行。分析計(jì)算和試驗(yàn)方法的嚴(yán)格程度取決于前面所述的安全性分類。

2014年5月1日，德國漢莎航空公司一架A321-200客機(jī)從法蘭克福飛往雅典途中遭遇閃電擊中，幸運(yùn)的是飛機(jī)最后返航并安全著陸，機(jī)上212名乘客和機(jī)組人員也安然無恙。這也正是因?yàn)樵撔惋w機(jī)進(jìn)行了上述的防雷擊適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，從而保證了其具有雷電環(huán)境下的適航性。

雖然飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面已經(jīng)做好了防雷擊的措施，但畢竟雷電的威力大、具有不確定性，再好的防雷擊措施都有可能出現(xiàn)問題，要想真正避免雷擊事件發(fā)生，還需要嚴(yán)格執(zhí)行繞飛雷雨區(qū)域等相關(guān)規(guī)定，采用氣象雷達(dá)預(yù)先探測雷雨區(qū)域，提前執(zhí)行繞飛程序才是安全飛行的基本保障。所以，我們在乘坐航班出行時(shí)由于雷雨天氣導(dǎo)致的航班推遲起飛、備降其他機(jī)場等航班延誤情況也都是出于安全考慮而不得不采取的措施。