民用飛機電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

孫健宇

【摘 要】民用飛機上的任何電子電氣系統(tǒng)都需要通過導(dǎo)電性較好的結(jié)構(gòu)連接建立一條穩(wěn)定的低阻抗電通路網(wǎng)絡(luò)，以滿足接地、導(dǎo)電、基準(zhǔn)電壓、防電磁干擾和閃電防護等電氣性能。傳統(tǒng)金屬材料飛機自身形成了較好的結(jié)構(gòu)電通路；目前較先進的碳纖維復(fù)合材料飛機由于其自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性較差，便需要設(shè)計額外的電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（ESN）來實現(xiàn)上述的電氣性能。通過介紹目前主流飛機的電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方案，總結(jié)歸納出一種典型的民用飛機電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，對國內(nèi)民用飛機的研制具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（ESN）；接地；電搭接；ESN元件

【Abstract】An stable electrical network which has low resistances must be constituted of high conductive structures for any electrical and electronic equipments on civil aircraft， which provides electrical functions such as grounding、bonding、voltage reference、protection from electromagnetic interference and protection against lightning strike. A conventional metallic aircraft inherently provides electrical a high conductive network； at present the advanced composite aircraft requires additional electrical structure network（ESN） to provide electrical functions， due to poor electrical conductivity of composite structures compared to metal. the text introduces the electrical structure network designing for main models of the civil aircraft at present， and summarizes and concludes a general design method for the electrical structure network of civil aircraft， guiding the development of the civil aircraft in our country.

【Key words】Electrical structure network（ESN）； Grounding； Electrical bonding； ESN elements

0 引言

現(xiàn)代民用飛機上裝載有各種復(fù)雜的電子電氣系統(tǒng)，這些系統(tǒng)設(shè)備需要互相連接，建立一個穩(wěn)定的低阻抗電流通路，形成電源和信號的回路，滿足各種電氣性能[1]。這個電流通路一般利用飛機機體結(jié)構(gòu)件搭接而成，被稱為飛機的電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Electrical Structure Network 簡稱ESN）。電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱ESN）的建立可以避免系統(tǒng)設(shè)備之間產(chǎn)生電位差，降低設(shè)備機箱和殼體上的射頻感應(yīng)電勢，防止靜電積聚，抑制射頻干擾、保證系統(tǒng)電子和電氣性能的穩(wěn)定，同時有效防止雷電放電危害，保護系統(tǒng)和人身安全。ESN還為系統(tǒng)設(shè)備提供了良好的信號參考地。傳統(tǒng)金屬飛機和復(fù)合材料飛機的ESN設(shè)計有所不同，下面分別論述。

1 傳統(tǒng)金屬飛機的ESN設(shè)計

傳統(tǒng)金屬飛機一般采用鋁合金、鈦合金和少量鋼作為主要結(jié)構(gòu)材料[2]。這些金屬材料本身具有良好的導(dǎo)電性能，以其作為材料的零件如長桁、蒙皮、框、地板梁、立柱和地板滑軌等縱橫結(jié)構(gòu)件互相連接，不但形成一個可以承受各種載荷、滿足強度和剛度要求的傳力系統(tǒng)，同時也形成一個ESN網(wǎng)絡(luò)。每個結(jié)構(gòu)零件自身作為一個ESN元件，雖然已經(jīng)具備較好的導(dǎo)電性，但仍然需要定量地滿足一定電氣性能要求，一般是以截面尺寸、通過電流值和單位長度的電阻值這三個參數(shù)來測定。

原則上，飛機設(shè)計員在設(shè)計零件外形尺寸時不僅要考慮結(jié)構(gòu)傳力要求和制造工藝性，還要考慮滿足ESN設(shè)計要求，具體參數(shù)應(yīng)參考電氣專業(yè)的規(guī)范文件。ESN性能參數(shù)一般包括電流值、單位長度電阻值和最小截面積。但是目前一般鋁合金結(jié)構(gòu)零件在滿足了強度設(shè)計要求后，其截面尺寸一般也都能滿足ESN性能參數(shù)。

金屬結(jié)構(gòu)飛機的ESN設(shè)計除了需要保證結(jié)構(gòu)元件自身要滿足電氣性能要求之外，結(jié)構(gòu)元件之間的連接（即電搭接）也需要考慮。金屬結(jié)構(gòu)件之間的連接一般都是通過鉚釘、螺栓和高鎖緊固件等機械緊固件進行連接，其本身可以實現(xiàn)一般電搭接，如圖1。對于過盈配合的高鎖螺栓，電搭接路徑為：結(jié)構(gòu)件1螺栓桿→結(jié)構(gòu)件2。結(jié)構(gòu)件1和結(jié)構(gòu)件2雖然相互貼合，但是它們各自表面涂有化學(xué)膜層和漆層，一般認為相互絕緣。在某些電氣系統(tǒng)設(shè)備安裝位置，其對結(jié)構(gòu)連接處有比較高的電搭接要求，需要對緊固件周圍的零件貼合面進行退漆處理，增加導(dǎo)通截面。這些位置需要滿足規(guī)定的電導(dǎo)通設(shè)計參數(shù)并作相應(yīng)的電導(dǎo)通測試。

金屬結(jié)構(gòu)飛機的ESN建立之后，最后一步就是飛機上各系統(tǒng)設(shè)備與ESN的電搭接，實現(xiàn)ESN的最終目的。機載系統(tǒng)電搭接按功能分類主要有天線搭接、電流回路搭接、易燃易爆區(qū)搭接、防射頻干擾搭接、防雷擊搭接、靜電防護搭接和閃電防護搭接七類。應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的不同要求設(shè)計搭接種類，如電子電氣元件必須考慮防射頻干擾，其搭接電阻要求很高，一般要求小于2-2.5mΩ，非電子電氣類元件搭接要求較低，可按系統(tǒng)管路的搭接要求設(shè)計。具體方式就是系統(tǒng)與其安裝支架或結(jié)構(gòu)進行連接，主要采用面面搭接，如圖2，與系統(tǒng)安裝腳搭接的結(jié)構(gòu)表面應(yīng)去除化學(xué)膜層和漆層。但有的系統(tǒng)如電動馬達與支架之間有阻尼墊板，無法實現(xiàn)面面搭接，則可以采用搭接線搭接。

2 復(fù)合材料飛機的ESN設(shè)計

目前國內(nèi)外先進的民用客機如波音787、空客A350XWB等均開始大面積采用碳纖維復(fù)合材料機身結(jié)構(gòu)，大大改善了飛機的強度、壽命、重量和經(jīng)濟性[3]，但是由于碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電性能較差，其自身結(jié)構(gòu)不能用作電流回路，無法形成電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（ESN），故需要增加額外的金屬導(dǎo)電構(gòu)件來實現(xiàn)。

復(fù)合材料飛機的ESN主要由機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)以及其它連接元件三部分組成。復(fù)合材料飛機盡管大部分結(jié)構(gòu)件如蒙皮、長桁、框和地板梁等都采用碳纖維復(fù)合材料，但是仍然有部分結(jié)構(gòu)件采用鋁合金、鈦合金等金屬材料，如地板的座椅滑軌、貨艙的導(dǎo)軌和地板橫梁（各個型號飛機的設(shè)計有所不同）。在構(gòu)建ESN網(wǎng)絡(luò)時，處于減重目的，復(fù)合材料飛機應(yīng)該盡量利用自身已有的金屬結(jié)構(gòu)件作為機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

一般來說機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是貫穿全機的結(jié)構(gòu)件，且分布在縱橫方向上?？v向是客艙地板滑軌或貨艙地板滑軌，橫向是地板橫梁或類似的橫向構(gòu)件。機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的ESN設(shè)計要求和第1節(jié)介紹的金屬材料飛機相同，主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件自身以及結(jié)構(gòu)件之間連接的電導(dǎo)通系能參數(shù)也完全相同。

輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)是指安裝在機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的條帶、線纜和搭接片等ESN元件。例如機身隔框和地板梁是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這就要在這兩者上增加ESN條帶，以便和縱向的主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)聯(lián)接成ESN。ESN條帶需要沿著機身框和地板梁的走向進行安裝。對于機身框，ESN條帶可以通過鋁合金支架安裝在框腹板上，鋁合金支架與復(fù)合材料框腹板之間通過鈦鉚釘濕安裝連接，兩者之間要通過玻璃布隔離；鋁合金支架與鋁合金ESN條帶自身通過螺釘連接。對于地板橫梁，ESN條帶可以直接鋪設(shè)在橫梁緣條上，與座椅滑軌的緊固件共螺，條帶和復(fù)合材料橫梁之間也要安裝玻璃布進行異電位防腐隔離。無論是機身框上的ESN條帶還是地板橫梁上的ESN條帶，都不能設(shè)計為一個整體構(gòu)件，而要根據(jù)工藝要求進行分段。綜合考慮重量和導(dǎo)電性能，ESN條帶一般仍采用鋁合金，截面積不小于40mm2，單個ESN條帶的最大長度不超過250mm-300mm。相對而言，輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的電通路要求比機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)低的多。

輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)如ESN條帶與機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的連接可以通過螺栓或鉚釘之間連接，也可以通過中間搭接片連接，如機身框上ESN條帶在與鋁合金地板橫梁（主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)）的連接處，兩者通過一個鋁合金搭接片實現(xiàn)電搭接。

機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間雖然不需要進行電搭接，但是也并非完全隔離，其目的是盡量減少兩者之間的電勢差，避免短路電流和雷擊對復(fù)合材材料造成損害。但是其需要滿足的ESN電性能參數(shù)要求很低，只要通過金屬零件和復(fù)合材料零件之間的緊固件濕安裝連接就可以實現(xiàn)[4]。

機體主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)、輔助導(dǎo)電結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)備之間的電搭接要求與傳統(tǒng)金屬飛機類似，可以參考第1節(jié)的內(nèi)容。復(fù)合材料飛機ESN網(wǎng)絡(luò)中各元素之間的連接設(shè)計要求如圖3所示。

3 結(jié)束語

飛機電通路結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的四個要點就是ESN布置、ESN元件設(shè)計、ESN元件之間的連接和系統(tǒng)電搭接。對于傳統(tǒng)金屬飛機，前三個要素已經(jīng)包含在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中了；對于復(fù)合材料飛機，前三者是需要進行重點研究的，并綜合考慮電性能參數(shù)和重量、工藝等因素完成ESN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。本文所介紹的ESN方案對國內(nèi)先進民用飛機的研制具有重要的意義。

【參考文獻】

[1]王昂，毛德華，高占民，等.飛機設(shè)計手冊第17冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：141-142.

[2]王昂，毛德華，高占民，等.飛機設(shè)計手冊第10冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：133-134.

[3]牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)工程設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008：620-621.

[4]牛春勻.實用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：246-247.

[責(zé)任編輯：湯靜]