復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路設(shè)計研究

鐘 濤，譚小輝，譚一鳴

（中航飛機(jī)股份有限公司漢中飛機(jī)分公司，陜西?漢中?723000）

飛機(jī)設(shè)計的發(fā)展變革是一代代新材料的發(fā)展變革推進(jìn)的，可以說“一代材料，一代飛機(jī)”。從初期的布、木材等材料發(fā)展到鋁合金材料一直到現(xiàn)在的復(fù)合材料，飛機(jī)的每一次重大設(shè)計技術(shù)變革都是隨著材料的發(fā)展進(jìn)行的。目前，復(fù)合材料在飛機(jī)上大量應(yīng)用，復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個重要衡量指標(biāo)。但隨著復(fù)合材料的大量應(yīng)用，之前一些在金屬機(jī)體結(jié)構(gòu)上使用的設(shè)計方法、設(shè)計思路已經(jīng)無法適用，一些在金屬機(jī)體結(jié)構(gòu)上不考慮的問題需要在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上重點考慮，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電通路設(shè)計就是這類問題。

目前，國際上大量的先進(jìn)復(fù)合材料是碳纖維/環(huán)氧類復(fù)合材料。環(huán)氧樹脂是絕緣體，碳纖維雖然是導(dǎo)體，但是無法實現(xiàn)搭接并且電阻較大，所以整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是電的不良導(dǎo)體，無法達(dá)到形成導(dǎo)電通路的條件。現(xiàn)在，國際上先進(jìn)的飛機(jī)大量使用復(fù)合材料，采用各類方式建立導(dǎo)電通路，保證機(jī)體結(jié)構(gòu)電完整性。比如空中客車公司最新的客機(jī)A350XWB，在機(jī)身上大量使用復(fù)合材料壁板的條件下，仍然保留了鋁合金框架。除了工藝、成本等方面的考慮外，很大程度上是由于建立使用復(fù)合材料壁板的條件下建立導(dǎo)電通路的原因。

以某飛機(jī)復(fù)合材料尾翼設(shè)計為例，對復(fù)合材料導(dǎo)電通路設(shè)計進(jìn)行研究。

1??復(fù)合材料尾翼的功能和結(jié)構(gòu)特點

尾翼是安裝在飛機(jī)尾部的一種裝置，一般由安定面和舵面組成。安定面主要用于增加飛機(jī)飛行的俯仰和方向穩(wěn)定性，尾翼舵面可以用來控制飛機(jī)俯仰、偏航和傾斜以改變飛機(jī)的飛行姿態(tài)。

復(fù)合材料尾翼是單垂尾、低平尾布局。垂平尾均采用雙梁式多肋結(jié)構(gòu)，與機(jī)身使用接頭連接，接頭與尾翼大梁連接。舵面位于尾翼后部，采用多支臂方式懸掛于尾翼后部，垂尾和平尾相互對立，無直接連接關(guān)系。

2??復(fù)合材料尾翼的導(dǎo)電通路要求

復(fù)合材料尾翼的導(dǎo)電通路要求主要有以下幾點：

（1）保證尾翼與金屬機(jī)身為等勢體，電氣上是一個整體；

（2）機(jī)身和尾翼之間建立靜電通路，保證在靜電放電器上釋放靜電；

（3）在雷擊條件下保證尾翼結(jié)構(gòu)無損傷；

（4）防止內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞；

（5）保證外部安裝設(shè)備的電搭接。

依據(jù)以上復(fù)合材料尾翼的導(dǎo)電通路設(shè)計要求，對部件表面、內(nèi)部骨架和電搭接進(jìn)行專門設(shè)計，保證飛行安全和設(shè)備安全。

3??復(fù)合材料尾翼導(dǎo)電通路設(shè)計

復(fù)合材料尾翼導(dǎo)電通路設(shè)計采用3種方式進(jìn)行，具體如下：

（1）表面金屬化的方式，主要目的是使復(fù)合材料表面和金屬機(jī)身表面消除電位差，實現(xiàn)靜電放電器與蒙皮的搭接電阻最低。

表面金屬化的方法主要有3種：一是表面噴涂金屬；二是表面鋪貼金屬網(wǎng)；三是表面復(fù)合金屬網(wǎng)膠膜。表面噴涂金屬需要對制件表面進(jìn)行粗糙化處理，且需要大型的設(shè)備，成本較高，同時噴涂的是海綿化的金屬，如果封邊被破壞，很容易吸水脫落，近些年新型飛機(jī)使用越來越少；表面鋪貼金屬網(wǎng)需要在鋪放完畢后在表面增加一層復(fù)合材料保護(hù)層，工藝復(fù)雜，效率較低，不推薦使用；一般來講，復(fù)合材料尾翼采用的是表面復(fù)合金屬網(wǎng)膠膜的方法進(jìn)行表面金屬化處理。

表面復(fù)合金屬網(wǎng)膠膜與產(chǎn)品一同成型固化，無需多余工藝和材料。但需要注意，一般按照雷擊分區(qū)在1區(qū)和2區(qū)、靜電放電器連接區(qū)，以及安裝設(shè)備需要電搭接的部位，要選擇高密度小網(wǎng)眼的復(fù)合金屬網(wǎng)膠膜，其他雷擊分區(qū)在3區(qū)的選擇低密度大網(wǎng)眼的復(fù)合金屬網(wǎng)膠膜以降低結(jié)構(gòu)重量。

飛機(jī)尾翼翼尖部位及其后緣容易大面積積聚靜電荷。在這些部位需要設(shè)置靜電放電器，主要用于降低機(jī)體表面電暈門限電壓，以低噪聲方式相對平穩(wěn)地釋放機(jī)體上的靜電荷，要求在靜電放電器與機(jī)體表面之間建立導(dǎo)電通路，搭接電阻應(yīng)小于0.1～0.5Ω，使電荷不從機(jī)體表面釋放而全部由靜電放電器釋放。需要注意的是，在復(fù)合材料表面一般采用高阻放電器，而不采用低阻放電器。

（2）建立內(nèi)部導(dǎo)電框架的方式，采用金屬梁、肋骨架或者金屬帶板搭接方式，主要目的是使內(nèi)部形成完整的導(dǎo)電通道，將內(nèi)部可能產(chǎn)生的靜電、雷電通過框架導(dǎo)通到金屬機(jī)身上，避免產(chǎn)生內(nèi)部破壞。

由于重量、功能等方面的限制，飛機(jī)尾翼大梁和肋均采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，需要另外專門設(shè)計導(dǎo)電通路。尾翼安定面和舵面的上下端肋由于傳力要求采用鋁合金肋，同時在復(fù)合材料前緣在大梁處與蒙皮對接部位設(shè)置鋁合金對接帶板并且與上下端肋充分搭接，從而形成一個導(dǎo)電回路，同時下端肋通過翼身對接接頭與機(jī)體導(dǎo)通。

如有必要，在復(fù)合材料肋、梁與蒙皮連接面設(shè)計金屬箔與導(dǎo)電回路搭接，形成對復(fù)合材料梁、肋的保護(hù)。同時舵面懸掛接頭與梁連接時應(yīng)通過連接件或其他方式與安定面上的金屬部分導(dǎo)通，形成穩(wěn)定通路。

（3）采用搭鐵線的方式，在接頭、活動鉸鏈的部位設(shè)置搭鐵線，保證各安定面、舵面與機(jī)身是電連續(xù)的，同時保證雷擊大電流不通過活動部件，以免造成損壞，影響飛機(jī)操縱。

作為傳遞雷電流的搭鐵線雷電流不直接附著的情況下，銅線截面積不小于20mm2，鋁線截面沖擊載流能力與銅線相當(dāng)，搭鐵線要求連接牢固，不影響舵面活動；舵面與安定面之間的搭接電阻不大于5000μΩ[1]。

同時，為了滿足靜電放電要求，安定面頂部整流罩應(yīng)采用金屬結(jié)構(gòu)，保證其與導(dǎo)電通路之間的搭接電阻同樣不大于5000μΩ[1]。

按照以上的設(shè)計，整個垂尾、平尾分別形成完整的導(dǎo)電通路與金屬機(jī)身導(dǎo)通，保證靜電、雷電等有合理的通道釋放，保護(hù)結(jié)構(gòu)本體不出現(xiàn)損壞，設(shè)計完成后需要對復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路效果進(jìn)行驗證。

4??復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路驗證

復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路效果目前主要通過表面電阻測試實驗和雷擊實驗進(jìn)行考核。

4.1??表面電阻測試實驗

復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)靜電通路可以通過表面電阻測試進(jìn)行考核，按照表面電阻測試一般要求，用歐姆表測試單位面積內(nèi)取樣點之間的電阻率。目前，國內(nèi)沒有明確的飛機(jī)表面電阻測試標(biāo)準(zhǔn)，采用各飛機(jī)各編制的測試要求，測試結(jié)果不高于相同測試條件下相同飛機(jī)的金屬機(jī)體表面電阻，即認(rèn)為符合要求。

4.2??雷擊實驗

復(fù)合材料尾翼末端位置同時存在雷電1區(qū)和2區(qū)，雷擊條件復(fù)雜，無法通過仿真模擬進(jìn)行考核驗證，必須通過1∶1模型雷擊實驗進(jìn)行驗證，必要時進(jìn)行雷擊后損傷部件剩余強(qiáng)度實驗，以考核導(dǎo)電通路的設(shè)計合理性和防雷擊措施的有效性。雷擊實驗按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)RTCA/DO-160《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》[2]、HB6167.25《雷電直接效應(yīng)實驗》[3]和GJB3567A《軍用飛機(jī)雷電防護(hù)鑒定實驗方法》[4]，實驗方法成熟，考核依據(jù)明確。

實驗時尾翼安定面和舵面應(yīng)該組合進(jìn)行并按實際情況連接搭鐵線，以測試?yán)纂娏魇欠裢耆纱铊F線導(dǎo)走和驗證雷電流對軸承、懸掛接頭等的實際破壞情況。

5??未來復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路設(shè)計展望

未來，復(fù)合材料導(dǎo)電性主要通過導(dǎo)電纖維和導(dǎo)電樹脂兩方面的研究進(jìn)行發(fā)展。

5.1??導(dǎo)電纖維

導(dǎo)電纖維是指在聚合物中混入導(dǎo)電介質(zhì)所紡制成的化學(xué)纖維或金屬纖維、碳纖維等，具有優(yōu)異的消除和防止靜電的性能，且比電阻值持久不變并基本上不受濕度影響。目前按導(dǎo)電成分劃分，導(dǎo)電纖維主要有4種：金屬纖維、炭黑系纖維、導(dǎo)電型金屬化合物纖維和導(dǎo)電高分子型纖維。

但是，目前使用的導(dǎo)電纖維導(dǎo)電填料的用量過大，分散性與取向性較低，比重大；纖維的力學(xué)性能相對較差；制備與加工成本高；成型工藝較差，技術(shù)實用化低，無法大規(guī)模應(yīng)用。

導(dǎo)電纖維在改善以上問題后，可以在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上使用。同時更先進(jìn)的碳納米管/聚合物復(fù)合材料正在迅速發(fā)展，該類材料在機(jī)械性能和其他性能優(yōu)異的條件下大幅提高結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能，甚至可以接近金屬材料，在不改變結(jié)構(gòu)構(gòu)型的條件下，可以做到結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路與金屬相同。

5.2??導(dǎo)電樹脂

由于樹脂屬于有機(jī)高分子化合物，本身的導(dǎo)電性極差，可以視為絕緣體。導(dǎo)電樹脂就是一種導(dǎo)電高分子材料，導(dǎo)電高分子材料分為結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電和復(fù)合型導(dǎo)電兩大類。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料（或稱本征高分子導(dǎo)電材料）是指分子結(jié)構(gòu)本身能導(dǎo)電或經(jīng)過摻雜處理之后具有導(dǎo)電功能的共軛聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是指以聚合物為基體，通過加入各種導(dǎo)電性填料（如炭黑、金屬粉末、金屬片、碳纖維等），并采用物理化學(xué)方法復(fù)合制得的，既具有一定導(dǎo)電功能又具有良好力學(xué)性能的多相復(fù)合材料。

目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用主要是復(fù)合型高分子材料，其制備方法、加工成型與一般高分子材料基本相同或類似，制備方便，有較強(qiáng)的實用性，故已較為廣泛應(yīng)用。但是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上，該類材料由于有其他材料摻入，所以機(jī)械性能相對下降，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，不宜使用。

未來導(dǎo)電高分子材料樹脂應(yīng)該向結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料發(fā)展，該類材料在保持自身機(jī)械性能的條件下提高了導(dǎo)電性能，作為結(jié)構(gòu)件的機(jī)體材料具有廣闊的發(fā)展空間。目前，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料由于結(jié)構(gòu)的特殊性與制備及提純的困難，大多還處于實驗室研究階段，獲得實際應(yīng)用的較少，而且多數(shù)為半導(dǎo)體材料。但是隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，該類高分子材料為機(jī)體的復(fù)合材料能夠成為一個前沿發(fā)展方向。

6??結(jié)束語

復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路設(shè)計，目的在于充分考慮結(jié)構(gòu)在電氣方面的要求，通過合理布置、選材、表面處理和電搭接等方式，使結(jié)構(gòu)之間保持穩(wěn)定的低阻抗通路，防止靜電、雷電等對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞。畢竟，飛機(jī)尾翼導(dǎo)電通路的設(shè)計優(yōu)劣直接影響飛行性能和安全。