飛機復合材料結構機體沉積靜電防護

李林

摘要：復合材料導電性較低，對靜電沉積敏感。飛機復合材料結構機體靜電防護就是要使其表面與金屬材料表面保持大致相同的電位，為靜電泄放提供通路。同時，復合材料結構機體內的部件及系統(tǒng)管路符合電氣間距和搭接要求。

關鍵詞：靜電防護；電磁防護；泄放試驗

引言

靜電放電是兩個具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應引起的兩物體間靜電電荷的轉移。靜電對飛機造成的電氣干擾即沉積靜電。復合材料隔離外部電磁場的屏蔽效能和傳導電荷的能力低，靜電對復合材料結構的威脅是電暈或火花放電期間的電磁場，磁場穿過復合材料表面和開口便會發(fā)生與電子設備的耦合，使某些元器件損壞，對飛機效能產生直接影響。因此要對復合材料結構及內部設備作靜電防護設計并試驗驗證。

1 機體靜電防護設計

1.1 靜電產生的原因

飛機在大氣中飛行，機體與空氣等介質發(fā)生碰撞或摩擦及受空中電場感應產生靜電；燃油系統(tǒng)內燃油流動或晃動也會產生靜電。當電荷沉積在低電導率結構上時，由于這些表面全無或部分導電特性，使電荷運動受到限制。如果電位足夠高，在這樣的表面上就會發(fā)生流光放電。

1.2 靜電防護設計要求

根據(jù)靜電規(guī)律，靜電防護設計從兩方面考慮：一是如何減少靜電的產生；二是如何加快靜電的消散及中和。

1.3 靜電防護措施

1.3.1 防靜電設計方案

（一）根據(jù)靜電產生原因分析，兼顧可靠性和工藝可行性，采用由外及內的立體防護措施。其設計方案為：

1）碳纖維材料部件外部鋪放銅網，既傳導雷擊掃掠電荷也可擴散機身金屬結構傳來的電荷，避免電流擊穿復合材料件進入機體內部；

2）碳纖維材料與金屬材料接合面處鋪設玻璃纖維以切斷可能的電流傳導路徑；緊固件間隙配合并濕安裝，密封釘頭及螺母以防電流由外向內傳導并防止電荷尖端聚集打火花，如圖1；

3）整體油箱內壁等特殊部位涂抗靜電涂層，配置靜電放電器并與金屬結構電搭接；

4）機體內零部件尖端之間控制結構空隙，避免沉積電荷火花放電，如圖2；

a）金屬零件不相連

b）金屬零件相連

5）復合材料壁板長桁與金屬肋腹板間等拱橋式結構，這種結構型式最易形成電荷積聚出現(xiàn)放電火花產生危害。區(qū)域內的碳纖維材料的長桁、加強筋等棱角處要嚴格按表1和圖3、4進行細節(jié)設計并要刷涂樹脂保護，長度約510mm，可避免電荷邊緣積聚。

靜電的產生和消散是一個復雜的過程，對于一般結構很難給出定量計算結果，只能進行定性分析。減少靜電產生可以使用抗靜電劑、改善結構表面質量，避免結構有凸起部位；加快靜電消散也可在結構表面施加火焰噴涂鋁或鋪貼金屬網?？紤]工藝可行性及使用可靠性，在結構表面使用抗靜電涂層來加快靜電消散是最為可行的方法。

2 機體內系統(tǒng)設備的靜電防護設計

由于各種原因，機體內會沉積大量靜電荷，這些電荷與電子設備耦合，會損壞某些元器件，對飛機效能產生直接影響。同時，復合材料制成的機體結構降低了隔離外部電磁場的電磁屏蔽效能，雷電等外部比較強烈的高能量磁場能夠使得機體內部一些靈敏的系統(tǒng)部件失效，因此必須對機體內部的系統(tǒng)設備進行靜電及高頻電磁防護。

通過機體結構的靜電防護設計可以達到一定的電流傳導、屏蔽電磁干擾及對靜電荷的減少和消散，但為保障電子設備的安全、可靠及降低設備間的電磁影響，對機體內的系統(tǒng)管路和電子設備也要作出相應防護。

合理安排系統(tǒng)管路的行程和位置，保護方案為：

1）每個管路上至少安裝2個電荷絕緣器，其間距不大于3660mm，以控制靜電荷在管路上的聚集；

2）管路與結構之間的間距最小為6.4mm；

3）管路的間距嚴格按照適航要求；

4）支撐管路的夾子和卡箍采用具有一定傳導性的非金屬材料制成，安裝在金屬零件上使管路上的電荷以微弱電流形式傳導到金屬結構體上；

通過上述的隔離、搭接設計，可以有效的控制、傳導系統(tǒng)設備上的靜電荷，并免受強磁場干擾。

3 靜電防護驗證

方案設計不但要阻止靜電荷的產生、集聚，同時還要采取措施安全、可控的傳導、釋放電荷。靜電防護設計的合理性、有效性和可靠性必須經試驗驗證。

3.1靜電防護、泄放試驗

為考察復合材料機體結構在各種飛行狀態(tài)下產生靜電的情況及防護措施效果，對復合材料結構試樣要進行各種狀態(tài)下的電性能試驗。通過模擬試驗檢測靜電防護設計符合適航要求。

3.2 設計結果

檢測上述設計方案的復合材料機體結構可得：

1）結構整體電阻值近似為80mΩ；

2）相連金屬零件間電阻值小于2.5mΩ；

3）復合材料零件表面兩點間（敷設銅網）電阻值小于10mΩ；

4）復合材料零件表面兩點間（未敷設銅網）電阻值小于500mΩ；

5）金屬零件與復合材料零件（敷設銅網）結合處電阻值小于（10+5）mΩ。

通過試驗，上述設計方案的復合材料機體結構符合適航要求， 滿足沉積靜電防護。

4 結論

隨著復合材料使用部位和應用面積的不斷擴大，以及電氣、電子設備的不斷更新，復合材料電性能對飛機特性的影響也逐漸暴露出來，這些問題不解決，勢必對飛機的飛行安全構成嚴重威脅，也影響裝備效益。本文所述的飛機復合材料結構采用的靜電防護設計方案經實踐證明是安全可靠的。

參考文獻：

[1]中國航空研究院.復合材料結構設計手冊.北京：航空工業(yè)出版社，2004.9.

[2]涂冰，劉健.復合材料整體油箱防靜電設計研究.探索創(chuàng)新交流（第7集）—第七屆中國航空學會青年科技論壇文集