飛機復合材料結構機體雷電屏蔽設計

張曾霞

摘 要：復合材料結構性能是各向異性的，相較金屬材料，其有效電導率要小得多，且電磁性能和對電磁危害的敏感度方面差異也很大。復合材料封閉體的屏蔽效能通常與封閉體形狀和內部復雜程度等相關。因此，對金屬結構的飛機雷電防護設計原則重新進行考核，以建立復合材料結構飛機的設計方法。

關鍵詞：雷電防護；電磁防護；模擬試驗

引言

現代飛機大量采用復合材料制造飛機蒙皮類機體結構。復合材料相較金屬材料導電性能差且各向異性，其制成大型飛機蒙皮后，將大大降低蒙皮隔離外部電磁場的電磁屏蔽效能和傳導電荷的能力。

雷電是飛機所遭遇的最嚴重的電磁危害。雷電不僅會干擾飛機電子設備的正常使用，還會擊傷復合材料零件，引發嚴重的災難事故。復合材料機翼整體油箱的雷電放電防護設計是飛機機體結構電磁屏蔽防護設計的重要部分。

1結構雷電防護設計

1.1 雷電防護設計要求

雷電損傷危及飛機安全，非金屬結構件的設計應使雷擊后果減至最小，因此要采取有效措施把復合材料與雷電電流隔離開，既防止雷電電流附著在復合材料構件上，又要阻止雷電電流在復合材料內傳輸，同時使復合材料結構件有低阻抗傳導雷電電流的通路。

1.2 雷電防護措施

1.2.1 防雷擊設計分析

機翼整體油箱位于中機身下部，受機腹整流罩和機身的保護其處于非直接雷擊區。碳纖維復合材料具有弱的導電性，因此復合材料整體油箱具有相對較大的電阻值，但又具有一定的電連續性，當外翼的閃電電流傳至中央翼盒與外翼的接合處時，僅有弱小的電流流經中央翼盒整體油箱，絕大部分電流直接傳導至機身金屬結構。為確保整體油箱的安全性和可靠性，可采取電流傳導設計和隔離設計相結合的方式。

1.2.2 雷擊防護方案

（一）考慮整體油箱處于掃掠雷擊2A區，相關結構雷擊防護的主要措施：

1）外翼必須與機身直接進行電搭接（通過金屬零部件相連接）；

2）在復合材料件表面鋪敷金屬材料形成良好的電通路來傳導雷擊電流，并對特殊區域采取隔離。

（二）防雷擊設計

1）要作到直接電搭接，外翼要通過前、后梁的金屬對接接頭與復合材料整體油箱盒段相連，這樣外翼傳來的雷擊電流通過對接接頭和翼盒金屬根肋及機身連接框傳至機身；

2）要在復合材料翼盒整體油箱表面形成電通路，可考慮在復材零件表面鋪放金屬箔條或金屬網。按相關適航條例要求，整體油箱是高風險部位，必須保證外部電流不能擊穿復合材料結構或電流流經結構內部導致樹脂熔化、分層。若鋪放金屬箔條必須確保各箔條相互接觸且鋪放密度較大，這樣會加大結構重量和制造工藝難度；若共固化鋪放整體銅網，可最大限度的保證零件表面電流通路。在復合材料整體油箱表面鋪放密度0.075 千克/米2（.015 lb/ft2）銅網。在銅網與碳纖維零件表面間鋪覆一層玻璃布并至少延展出銅網邊緣25毫米（1in）左右以防電化學腐蝕。濕安裝緊固件并密封兩端釘頭。對零件進行界面、填角密封。通過上述設計對零件表面、緊固件、零件界面進行三個層級的防護，如圖2。

復合材料飛機蒙皮結構若不進行有效的雷電防護處理，在直接遭受雷擊時會產生嚴重的損傷（纖維分層斷裂），使強度、剛度下降較大，不能保證整體油箱安全。復合材料結構的防護系統從原理上可分為兩類：一類是提供雷電電流通道的導電層防護系統；另一類是使防護對象與雷電電流通道隔離的絕緣防護系統。導電防護系統可在復合材料表面加金屬網、金屬分流條、火焰噴涂鋁等。絕緣防護系統是在復合材料表面覆蓋薄膜或涂層形式的高介電強度材料。防護方式的選用，不但要考慮防護效果情況，還要綜合考慮結構重量、經濟成本及生產可行性，同時還要兼顧特殊部位的細節設計要求，如緊固件的絕緣、鋪墊玻璃布、填角密封等。采用的雷電防護系統，要經試驗驗證復合材料整體油箱內部不產生電暈和流光。

2油箱內系統設備的電磁防護設計

由于各種原因，油箱內會沉積大量靜電荷，這些電荷與電子設備耦合，產生沉積靜電，會損壞某些元器件，對飛機效能產生直接影響。同時，復合材料制成的整體油箱壁板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復合材料整體油箱內部的靜電發生電磁感應，導致一些靈敏的系統部件失效，因此必須對油箱內部的系統設備進行靜電及高頻電磁防護。

整體油箱的雷電防護設計可以達到一定的雷電電流傳導、屏蔽電磁干擾及對靜電荷的減少和消散，為確保電子設備的安全、可靠及降低設備間的電磁影響，對油箱內的系統管路和電子設備也要作出相應防護。

合理的安排系統管路的行程和位置，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）管路的間距安裝嚴格按照適航要求；

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、傳導系統設備上的靜電荷，免受強磁場干擾。

3雷電防護驗證

雷電放電防護及電磁屏蔽防護相互關聯。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。防護設計的合理性、有效性和可靠性必須經試驗驗證。

3.1 雷電模擬試驗

為了驗證復合材料整體油箱和細節設計結果，要按相應的適航要求對油箱進行燃油蒸氣點火及電暈和流光的直接效應試驗，并根據試驗結果調整防護設計參數。

3.2 設計結果

通過檢測，復合材料整體油箱按上述防護要求設計可得：

1）整體油箱電阻值近似為80mΩ；

2）相連金屬零件之間電阻值小于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。

通過模擬試驗，上述設計方案的復合材料整體油箱雷電放電及電磁屏蔽防護設計滿足要求。

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。結構機體的電磁屏蔽設計就是通過采用一些技術措施來提高復合材料結構機體的電磁屏蔽效能，滿足飛機的電磁屏蔽要求。

參考文獻：

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[2] 白曉秋，歐霞，楊霍燕. 復合材料整體油箱雷電防護試驗研究. 航空科學技術，2016 Vol. 27 No.06 62-66.

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