復(fù)合材料飛機(jī)沉積靜電防護(hù)研究

袁海環(huán)

摘 要：早期的飛機(jī)主要由金屬材料構(gòu)成，因?yàn)榻饘倬哂辛己玫膶?dǎo)電效果，可以將在空中產(chǎn)生的沉積靜電快速的傳到位于機(jī)翼和安定面后緣等位置的靜電放電器上釋放到機(jī)外，不至于造成災(zāi)難性的損傷。但是現(xiàn)代飛機(jī)采用復(fù)合材料的比重越來越高，復(fù)合材料雖然具有優(yōu)異的性能但是更容易產(chǎn)生靜電放電，但是對(duì)飛機(jī)靜電防護(hù)也提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：靜電防護(hù) 復(fù)合材料 沉積靜電 民航飛機(jī)

中圖分類號(hào)：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0009-04

Abstract： the early aircraft was mainly composed of metal materials. Due to the good conductive effect of metal， the deposition static electricity generated in the air can be quickly transmitted to the electrostatic discharger located on the wings and the rear edge of the stabilizer plane and so on， so as to avoid catastrophic damage.However， the proportion of composite material used in modern aircraft is higher and higher. Although composite material has excellent performance， it is easier to generate electrostatic discharge， but it also puts forward higher requirements for aircraft electrostatic protection.

Key Words： Electrostatic protection； Composites； Deposition of static electricity； The civil aviation aircraft

1 沉積靜產(chǎn)生機(jī)理及危害

任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離就會(huì)產(chǎn)生靜電。飛機(jī)飛行過程中會(huì)因?yàn)椴粩嗟暮涂諝庵械念w粒碰撞、摩擦?xí)鄯e大量的靜電荷 ，尤其是起降爬升階段，空氣中含有大量的雨滴、雪、塵埃、煙霧等顆粒會(huì)使得飛機(jī)表面快速產(chǎn)生大量的沉積靜電；另外云層之間的相互摩擦、空氣流動(dòng)以及重力因素使得云層帶有不同程度的靜電荷。正電荷聚集在云層的頂部，負(fù)電荷聚集在云層下方，此外，云層最下方可能存在少量的正電荷。如圖1所示顯示的是典型積雨云中電荷分布示意圖。飛機(jī)通過帶電云層時(shí)在飛機(jī)中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，也是沉積靜電的重要來源，國外研究表明通過帶電云層時(shí)可以瞬時(shí)產(chǎn)生數(shù)千安培的感應(yīng)電流。隨著沉積靜電荷的累積，當(dāng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)上某處尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一閾值后會(huì)擊穿周圍的大氣，而發(fā)生靜放電，因?yàn)榉烹娒}沖非常短，所形成的寬頻電磁場(chǎng)是造成飛機(jī)通訊、導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)噪聲的主要根源之一。進(jìn)而導(dǎo)致通信、導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)控制的失靈，甚至導(dǎo)致飛機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞或事故。有研究表明，產(chǎn)生的寬頻噪聲頻譜從直流到高達(dá)1000 MHz[1]，如圖2所示。這種噪聲干擾在惡劣天氣時(shí)最為嚴(yán)重，而這恰恰是飛行員最依賴通信與導(dǎo)航設(shè)備的時(shí)刻，所以對(duì)沉積靜電的控制非常重要。飛機(jī)上通常會(huì)設(shè)置靜電放電器來消除這種危險(xiǎn)。

2 復(fù)合材料沉積靜電放電的特點(diǎn)

沉積靜電的累積與飛機(jī)所處的環(huán)境和飛機(jī)材料的電阻率有關(guān)。復(fù)合材料電阻率比一般金屬大的多，導(dǎo)電能力較弱，玻璃纖維甚至不具備導(dǎo)電性能。所以和金屬材料相比，復(fù)合材料在同等條件下積累的電量比金屬材料要大的多，所積累的電荷達(dá)到靜放電所需閾值電壓所需的的時(shí)間更短。具有放電周期短，頻次高、峰值電流更大的特點(diǎn)。這對(duì)飛行安全來說是非常不利的。所以需要把積累的靜電荷轉(zhuǎn)移到放靜電放電器放置的位置，以電暈放電的形式釋放出去，保證飛行安全。飛機(jī)在空中所產(chǎn)生的靜電荷在飛機(jī)表面的累積可視為沉積靜電充電，充電電流Ip與氣象條件密切相關(guān)，工程上通常用如下方法計(jì)算：

綜上所述在飛機(jī)氣象條件相同的情況下，可以通過增大放電器尖端的表面粗糙度，減小放電器尖端的半徑r來降低飛機(jī)電暈放電的電壓閾值Uc，使靜電放電器在積累較少的電荷時(shí)就可以使電壓值達(dá)到放電閾值電壓Uc，開始放電，增強(qiáng)靜電放電器的電荷泄放效能，有效地減少電荷累積。此外，通過在飛行器上合理安裝多個(gè)靜電放電器，也可以成倍增大電暈放電電流。

3 復(fù)合材料靜電防護(hù)措施

3.1 靜電放電器的布置

飛行中飛機(jī)內(nèi)部電氣隔離金屬組件、非導(dǎo)體表面（如雷達(dá)罩、風(fēng)擋、玻璃纖維板）等都可以通過電搭接或者表面噴涂導(dǎo)電漆等措施允許所產(chǎn)生的靜電荷自由移動(dòng)，不會(huì)局限在某一區(qū)域積累，但是這些自由移動(dòng)的靜電荷最終需要排放出去，由于尖端放電效應(yīng)，自由電荷最終會(huì)聚集在飛機(jī)上尖端和曲率較大的位置，比如飛機(jī)的機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼翼尖及后緣均是電荷分布密度最大、電場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域，所以在這些位置上安裝靜電放電器是最合理的。如圖3所示，目前主流飛機(jī)的靜電放電器均依據(jù)這一原則布置。

3.2 復(fù)材表面靜電器的連接

復(fù)合材料的表面特性和力學(xué)性能與金屬材料不同。為了減輕結(jié)構(gòu)重量，復(fù)合材料多采用蜂窩結(jié)構(gòu)。但蜂窩結(jié)構(gòu)本身的抗壓能力不好，如果鉚接或螺接則必須灌封或做鑲嵌件，設(shè)計(jì)和工藝都較復(fù)雜，制造也存在困難。所以粘接是最適合復(fù)合材料表面安裝靜電放電器的方式。

碳纖維或石墨是飛機(jī)上常用的具有導(dǎo)靜電特性的復(fù)合材料。在非閃電防護(hù)區(qū)，靜電放電器可以直接安裝其上，對(duì)純碳纖維復(fù)合材料表面打磨至去除70%的光澤即可。因?yàn)殪o電放電器布置的位置也常是閃電防護(hù)區(qū)，在易受雷擊的區(qū)域需要在復(fù)材表面噴鋁或附著銅網(wǎng)來增加其導(dǎo)電能力，導(dǎo)電漆電阻率較大無法替代以上防雷電措施。對(duì)鋪設(shè)銅網(wǎng)的復(fù)合材料表面，小心打磨至露出銅網(wǎng)；對(duì)噴鋁的復(fù)合材料表面，小心打磨至露出噴鋁即可[7]。

芳香聚酰胺纖維或玻璃纖維也是飛機(jī)上常用的復(fù)合材料，因其成本低、易于成型，常用在垂尾整流罩、翼尖整流罩等外形比較復(fù)雜的區(qū)域。其本身是不具備導(dǎo)電性的材料，若處于飛機(jī)外表面，則不論是否處于閃電防護(hù)區(qū)，都必須通過增加金屬涂層、金屬絲或碳基涂層才能達(dá)到飛機(jī)外表面的導(dǎo)電要求（若處于閃電防護(hù)區(qū)的則不可使用碳基涂層）。

3.3 全復(fù)材靜電放電器器

目前航空制造商在選擇靜電放電器時(shí)，底座通常選用金屬材質(zhì)，放電器桿選用高阻材質(zhì)，安裝方式為鉚接或螺接。此種安裝方式較為成熟。但是隨著復(fù)合材料的使用比例越來越高，采用的是全復(fù)合材料高阻靜電放電器，安裝方式為粘接。某國產(chǎn)新支線飛機(jī)就采用全復(fù)合材料靜電放電器的設(shè)計(jì)理念在國際上是領(lǐng)先的。

靜電放電器安裝的位置通常處于閃電危害區(qū)。目前，全金屬的放電器已很少見，但對(duì)于底座接合區(qū)是金屬的放電器，因?yàn)樵摬糠滞钩鲈谕?，仍存在吸引雷電掛接其上的可能。一旦雷電掛接到放電器，大電流就?huì)通過底座流向飛機(jī)結(jié)構(gòu)，如果底座的搭接電阻不足夠小，就會(huì)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成更大的損傷，例如搭接部位的融化或燃燒。因此，對(duì)于可能被雷電擊中的靜電放電器，其底座需能承受雷電大電流，與機(jī)體的搭接電阻值必須足夠小。一旦放電器的底座接合區(qū)使用了金屬材料，底座的材料也就隨之而定，只能是金屬。對(duì)于機(jī)體表面是復(fù)合材料的情況，全復(fù)合材料放電器是一種較好的選擇。全復(fù)合材料的放電器和底座均由先進(jìn)的熱塑性塑料材料制成，放電器端頭綜合為阻性桿的一部分，端頭為具有低電暈初始電壓細(xì)小的尖端。在連續(xù)放電狀態(tài)下該尖端有極高的融化溫度，故具有特別長的壽命[8]。該種放電器不會(huì)成為雷電的附著點(diǎn)，放電效果也不遜于含金屬的放電器。

4 結(jié)論

（1）飛機(jī)大量使用復(fù)合材料是大勢(shì)所趨，但復(fù)合材料自身結(jié)構(gòu)和電阻率大的特點(diǎn)，對(duì)靜電防護(hù)提出了更高的要求。

（2）復(fù)合材料電阻率較金屬材料大，同等條件下積累的靜電荷比金屬材料要大，更快容易發(fā)生靜放電，具有放電周期短，頻次高、峰值電流更大的特點(diǎn)。

（3）可以通過增大靜電放電器尖端的表面粗糙度，減小放電器尖端的半徑r來降低飛機(jī)電暈放電的電壓閾值Uc，增強(qiáng)靜電放電器的電荷泄放效能，有效地減少電荷累積。

（4）對(duì)于機(jī)體表面是復(fù)合材料的情況，可以選用全復(fù)材的靜電放電器和底座，通過與機(jī)體粘接的方式連接在不破壞機(jī)體結(jié)構(gòu)的情況下可以達(dá)到較好的靜電防護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)

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