民用飛機翼身整流罩雷電防護技術(shù)分析及應用

王明慶

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

民用飛機翼身整流罩雷電防護技術(shù)分析及應用

王明慶

（中國商用飛機有限責任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

民用飛機翼身整流罩在飛機雷擊分區(qū)中屬于掃掠沖擊區(qū)域。現(xiàn)代民用飛機翼身整流罩面板大多使用復合材料層合板，如果在雷擊過程中遭遇掃掠電流，面板會產(chǎn)生大量熱量并最終導致?lián)p壞。介紹了飛機遭遇雷擊的過程及可能造成的損傷，并以某民用飛機機型為例，分析了翼身整流罩常用的一些雷電防護技術(shù)。

民用飛機；翼身整流罩；復合材料；雷電防護

當代民用飛機越來越多地采用復合材料作為機體結(jié)構(gòu)的組成部分，尤其是翼身整流罩，其面板結(jié)構(gòu)一般是完全使用碳纖維復合材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復合材料有著更高的比強度和比剛度，能夠顯著地降低飛機的重量。但其劣勢在于導電率遠遠低于金屬，一旦遭遇雷擊，將會對結(jié)構(gòu)造成嚴重的損傷[1-3]。因此，在民用飛機的設(shè)計過程中，復合材料結(jié)構(gòu)的雷電防護設(shè)計尤為重要。

1 雷擊的過程及影響

雷電由飛機上的一個或多個附著點進入和離開飛機。所有突出的前端部位（如雷達罩、機翼前緣、短艙吊掛前緣等）都是可能的雷電進入附著點。由于飛機是運動的，當雷電由附著點進入飛機后，雷電通路沿飛機表面向后掃掠，從而在飛機結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電流。民用飛機翼身整流罩一般位于機身中段下部，在典型飛機閃電環(huán)境分區(qū)中屬于掃掠沖擊區(qū)域[1，2]。現(xiàn)代民用飛機翼身整流罩一般采用樹脂基碳纖維復合材料面板與鋁合金骨架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，鋁合金是良好的導體，一般不需要特殊措施。但是當樹脂基碳纖維面板遭遇雷擊電流時，由于碳纖維電阻極大，在電流的傳導過程中將產(chǎn)生大量的熱量，使得碳纖維快速升溫，當升至某一臨界溫度以上時，樹脂基體開始熱分解，使纖維失去基體的支持，整個復合材料零件的強度和剛度大幅度下降，最終導致結(jié)構(gòu)破壞。更為嚴重的是，樹脂燃燒或者高溫分解會釋放出氣體，如果氣體積聚在零件內(nèi)部，壓力不斷升高時，可能會導致爆炸，從而損傷機體結(jié)構(gòu)，危及飛行安全[3，4]。因此，必須為樹脂基碳纖維面板設(shè)立專用的雷電傳輸通道，以防止結(jié)構(gòu)遭到雷擊而失效。

2 閃電防護技術(shù)分析

翼身整流罩的閃電防護分為碳纖維復合材料面板和內(nèi)部金屬骨架兩部分，這是由于其材料屬性不同，因而防護措施也有所差異。對于金屬零件，由于其本身導電率良好，只需對其進行適當?shù)碾姶罱右韵慵g隙或者零件涂層導致的接觸不良。對于復材面板，常見的防護技術(shù)主要有火焰噴涂、滾軋孔金屬網(wǎng)、編織金屬網(wǎng)、層間混雜復合材料、鋪貼金屬箔等。考慮到穩(wěn)定性、施工難度、成本以及可修理性等因素，這些防護措施中又以鋪貼金屬網(wǎng)（滾軋或編織）最為常用[5]。

2.1 金屬零件的閃電防護

金屬零件本身是良好的導體，不需要做特殊的閃電防護措施。但是由于飛機上的零件表面涂有漆層，且相鄰零件之間往往留有間隙，使得電流的傳導會在這些位置受阻。為了避免這類問題，相鄰金屬零件之間的電接觸需要滿足一定的規(guī)范，例如：

（1）接頭與框或長桁之間至少需要兩處電搭接點，其中一處位于腹板上，一處位于緣條上。

（2）相鄰的長桁或框之間的距離大于800 mm時，應在兩者之間增加一處額外的電搭接點。

2.2 復合材料的閃電防護

前面提到目前有多種方式對復合材料進行閃電防護，其中以鋪貼金屬網(wǎng)最為常用。這種防護方式的主要原理是將復材面板表面的掃掠電流通過金屬網(wǎng)傳遞到機身金屬結(jié)構(gòu)并最終進入到機身的導電通路。由于復材面板的面積普遍較大，為了提高電流的導通性，可以在面板上的每個緊固件連接處使用金屬凹陷墊圈，利用墊圈與金屬網(wǎng)之間的接觸以及墊圈與緊固件之間的接觸將金屬網(wǎng)與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的導電通路連接起來，如圖1所示。需要注意的是，導電通路上的各個接觸部位應去除漆層及其他可能會影響電流傳導的表面涂層，并注意相鄰的金屬結(jié)構(gòu)之間不要有空隙，以保持良好的接觸。

圖1 某機型復合材料面板閃電防護典型案例

3 結(jié)束語

翼身整流罩的防雷擊設(shè)計是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要部分。本文以某民用飛機機型為例，分析了翼身整流罩閃電防護的關(guān)鍵要點。整流罩內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)導電性較好，不需要采取特殊措施，但應注意相鄰的電搭接點之間應小于某一特定距離以盡量減小導電通路中的電阻。對于復材面板，通常采用鋪貼金屬網(wǎng)的方式對其進行閃電防護，為了增加其電流導通性，可以在每個緊固件連接處使用金屬凹陷墊圈來增加金屬網(wǎng)與整流罩內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)之間的連接點。

[1]常海洋.飛機復合材料結(jié)構(gòu)閃電防護技術(shù)研究[J].飛機設(shè)計，2014，34（5）：11-14.

[2]熊秀.飛機雷電直接效應綜述[J].飛機設(shè)計，2001，31（4）：64-68.

[3]劉志強.不同防護形式復合材料板雷擊損傷分區(qū)特性[J].復合材料學報，2015，32（1）：284-294.

[4]溫浩.飛機模型雷擊附著點試驗研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（7）：90-92.

[5]王天順.飛機雷電防護[J].飛機設(shè)計，2001（4）：48-52.

Analysis and Application of Protection Technology of Civil Aircraft Wing Body Fairing Lightning

WANG Ming-qing
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China，Shanghai 201210，China）

The wing-body（WF）fairing of civil aircraft belongs to the sweep area in the aircraft lightning partition. Modern commercial aircraft wing-body fairing panels are often composed of composite laminate.The panel will generate a lot of heat and eventually cause damage under the sweep current during the lightning hit.This article describes the process of the lightning strikes and damages may be caused，and uses a civilian aircraft model，for example，to analyze some lightning protection technology for the wing-body fairing.

civil aircraft；wing-body fairing；composite material；lightning protection

V25

B

1672-545X（2016）11-0196-02

2016-08-15

王明慶（1985-），男，上海人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。