淺談民機(jī)復(fù)材機(jī)身的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)

胡杰

【摘 要】復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，已被廣泛用于機(jī)身結(jié)構(gòu)上。由于復(fù)材導(dǎo)電性能較差，閃電會(huì)擊穿復(fù)材結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)燒蝕，使結(jié)構(gòu)喪失傳載能力。因此，需對(duì)位于機(jī)身外表面的復(fù)材結(jié)構(gòu)提供有效的防護(hù)措施。本文主要討論民機(jī)常用的閃電防護(hù)措施，簡(jiǎn)要對(duì)比了火焰噴涂鋁和銅網(wǎng)的防護(hù)效果，可供民機(jī)設(shè)計(jì)工程師參考。

【關(guān)鍵詞】閃電防護(hù);閃電分區(qū);飛機(jī)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： V214.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0025-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.010

【Abstract】Composite materials have higher strength and stiffness，they are widely used on aircraft fuselage to gain a lighter weight.However，composite has a low conductivity and more sensitive to lightning defects.Thus，lightning protection should be considered.In this article，common lighting protections are discussed，comparison between flame spraying aluminum and copper foil film are studied，which can be a guidance to fuselage design engineers.

【Key words】Lightning protection;Lightning zoning;Aircraft design

飛機(jī)穿越不同極性空間時(shí)極易遭遇雷擊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每架飛機(jī)每年要遭一次雷擊。為了獲得更輕的飛機(jī)和更好的續(xù)航能力，復(fù)合材料已大量使用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。復(fù)合材料導(dǎo)電性能差，其對(duì)雷擊損傷也更為敏感。雷擊過(guò)程中的高電流會(huì)使復(fù)材基體產(chǎn)生燒蝕和蒸發(fā)。當(dāng)纖維失去基體支持，將喪失強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)性能下降，甚至失去承載能力。為保證飛機(jī)飛行安全，必須為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供有效的防護(hù)措施。運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的最低要求，民機(jī)結(jié)構(gòu)的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相應(yīng)條款要求。

1 閃電分區(qū)

根據(jù)閃電對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生作用的方式不同，可將機(jī)體分為1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)。

a）1區(qū)：直接雷擊附著區(qū)，最先接觸雷擊的飛機(jī)表面。主要包括機(jī)頭雷達(dá)罩、翼梢小翼、翼尖等飛機(jī)尖端部位。防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要防止雷電電流附著在復(fù)材構(gòu)件上，又要阻止電流在復(fù)材件內(nèi)部傳遞。因此需提供雷電附著點(diǎn)和電流的傳遞通路。常采用雷電分流條（如雷達(dá)罩的金屬輻條），或用金屬網(wǎng)、表面噴涂鋁等方式傳遞電流。

b）2區(qū)：掃掠區(qū)。由于飛機(jī)相對(duì)雷電有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電弧會(huì)沿著飛機(jī)飛行相反方向沖刷飛機(jī)表面，雷擊掃過(guò)的飛機(jī)表面為掃掠區(qū)。常采用導(dǎo)電性能好的材料覆蓋該區(qū)域結(jié)構(gòu)表面，傳導(dǎo)性能和材料的鋪覆厚度有關(guān)。如表面噴涂鋁、金屬網(wǎng)、金屬箔等。

c）3區(qū)：傳導(dǎo)區(qū)。閃電電弧不會(huì)附著在該區(qū)域，但要傳導(dǎo)附著點(diǎn)之間的閃電電流。1區(qū)和2區(qū)以外的飛機(jī)表面都是3區(qū)，如機(jī)翼表面、平尾表面等。

不同分區(qū)遭受雷擊環(huán)境的嚴(yán)酷程度不同，其中1區(qū)受雷擊影響最嚴(yán)重，2區(qū)次之，應(yīng)針對(duì)分區(qū)采用不同的防護(hù)措施以保證結(jié)構(gòu)安全。

2 閃電防護(hù)措施

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的閃電防護(hù)手段有：

a）火焰噴涂鋁：用火焰將金屬鋁熔融、氣化后，沉積到固化后復(fù)材零件表面。鋁層厚度一般為0.1～0.2mm。

b）鋪金屬網(wǎng)：將金屬網(wǎng)（銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)）一次固化在復(fù)材零件表面。

c）鋪金屬箔：將金屬箔或金屬薄片鋪設(shè)在固化后的復(fù)材零件表面。金屬箔可以不必完全覆蓋零件表面，鋪設(shè)在緊固件連接區(qū)域。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用何種防護(hù)措施，主 要考慮防護(hù)要求和工藝。雷達(dá)罩通常采用金屬輻條來(lái)傳導(dǎo)雷擊電流;碳纖機(jī)身蒙皮采用銅網(wǎng)，有些機(jī)型的翼身整流罩和小翼采用火焰噴涂鋁。

3 防護(hù)效果對(duì)比

火焰噴涂鋁是利用氣體燃燒火焰的高溫將鋁絲熔化，用壓縮空氣流將它噴射到工件表面上形成涂層。該工藝復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高，而且空氣中會(huì)有大量活潑鋁顆粒，需有相應(yīng)的防爆措施以保證作業(yè)安全。銅網(wǎng)，是從銅箔切割下來(lái)，與膠膜一起制成薄膜。不同于噴涂鋁，銅網(wǎng)是直接鋪貼在工件外表面，與工件一起進(jìn)罐固化。較早的飛機(jī)上常使用火焰噴涂鋁工藝，隨著銅網(wǎng)膠膜制造技術(shù)革新，銅網(wǎng)的使用也越來(lái)越廣泛。火焰噴涂鋁和銅網(wǎng)的防護(hù)原理都是降低復(fù)材零件表面電阻，為電流提供傳遞通路，但較少有研究來(lái)對(duì)比兩者的防護(hù)效果。本文簡(jiǎn)單估算一下銅網(wǎng)和噴涂鋁的電阻。

導(dǎo)體電阻可由下式算出：R=ρ*L/S，（ρ：電阻率，L導(dǎo)體長(zhǎng)度，S導(dǎo)體截面積）。假設(shè)鋁層和銅網(wǎng)鋪覆范圍是相同的，即覆蓋長(zhǎng)度L和寬度d相同。那么：

其中截面積S=d*t

某工藝規(guī)范規(guī)定，噴涂鋁的鋁層厚度tAl為0.1375mm。銅網(wǎng)的等效厚度tcu可由面密度除以體密度得出，漢高公司某型銅網(wǎng)等效厚度tcu=107g/m^2/8.96g/cm^3 =0.012mm。銅和鋁的電阻率為ρcu=1.75*10-8 Ω·m，ρAl=2.83*10-8Ω·m。將數(shù)據(jù)代入公式，可得：

即：銅網(wǎng)電阻是噴涂鋁的7倍。這個(gè)結(jié)果是可以預(yù)見(jiàn)的，電阻與導(dǎo)體截面積成反比。銅網(wǎng)是菱形的絲網(wǎng)，有效截面積小，電阻大。噴涂鋁是在寬度范圍內(nèi)噴涂整層，有效截面積大，電阻小。王明廣等人[1]通過(guò)電流試驗(yàn)研究了噴涂鋁和銅網(wǎng)對(duì)碳纖層壓板的防護(hù)能力，他們也發(fā)現(xiàn)火焰噴涂鋁比銅網(wǎng)具有更好的防護(hù)能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王明廣等.飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料層壓板雷電損傷特性研究，碩士論文，2017.03.作者簡(jiǎn)介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設(shè)計(jì)。