飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體沉積靜電防護(hù)

李林

摘要：復(fù)合材料導(dǎo)電性較低，對(duì)靜電沉積敏感。飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體靜電防護(hù)就是要使其表面與金屬材料表面保持大致相同的電位，為靜電泄放提供通路。同時(shí)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體內(nèi)的部件及系統(tǒng)管路符合電氣間距和搭接要求。

關(guān)鍵詞：靜電防護(hù)；電磁防護(hù)；泄放試驗(yàn)

引言

靜電放電是兩個(gè)具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場(chǎng)感應(yīng)引起的兩物體間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。靜電對(duì)飛機(jī)造成的電氣干擾即沉積靜電。復(fù)合材料隔離外部電磁場(chǎng)的屏蔽效能和傳導(dǎo)電荷的能力低，靜電對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的威脅是電暈或火花放電期間的電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)復(fù)合材料表面和開(kāi)口便會(huì)發(fā)生與電子設(shè)備的耦合，使某些元器件損壞，對(duì)飛機(jī)效能產(chǎn)生直接影響。因此要對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備作靜電防護(hù)設(shè)計(jì)并試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 機(jī)體靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 靜電產(chǎn)生的原因

飛機(jī)在大氣中飛行，機(jī)體與空氣等介質(zhì)發(fā)生碰撞或摩擦及受空中電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生靜電；燃油系統(tǒng)內(nèi)燃油流動(dòng)或晃動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生靜電。當(dāng)電荷沉積在低電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)上時(shí)，由于這些表面全無(wú)或部分導(dǎo)電特性，使電荷運(yùn)動(dòng)受到限制。如果電位足夠高，在這樣的表面上就會(huì)發(fā)生流光放電。

1.2 靜電防護(hù)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)靜電規(guī)律，靜電防護(hù)設(shè)計(jì)從兩方面考慮：一是如何減少靜電的產(chǎn)生；二是如何加快靜電的消散及中和。

1.3 靜電防護(hù)措施

1.3.1 防靜電設(shè)計(jì)方案

（一）根據(jù)靜電產(chǎn)生原因分析，兼顧可靠性和工藝可行性，采用由外及內(nèi)的立體防護(hù)措施。其設(shè)計(jì)方案為：

1）碳纖維材料部件外部鋪放銅網(wǎng)，既傳導(dǎo)雷擊掃掠電荷也可擴(kuò)散機(jī)身金屬結(jié)構(gòu)傳來(lái)的電荷，避免電流擊穿復(fù)合材料件進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部；

2）碳纖維材料與金屬材料接合面處鋪設(shè)玻璃纖維以切斷可能的電流傳導(dǎo)路徑；緊固件間隙配合并濕安裝，密封釘頭及螺母以防電流由外向內(nèi)傳導(dǎo)并防止電荷尖端聚集打火花，如圖1；

3）整體油箱內(nèi)壁等特殊部位涂抗靜電涂層，配置靜電放電器并與金屬結(jié)構(gòu)電搭接；

4）機(jī)體內(nèi)零部件尖端之間控制結(jié)構(gòu)空隙，避免沉積電荷火花放電，如圖2；

a）金屬零件不相連

b）金屬零件相連

5）復(fù)合材料壁板長(zhǎng)桁與金屬肋腹板間等拱橋式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)型式最易形成電荷積聚出現(xiàn)放電火花產(chǎn)生危害。區(qū)域內(nèi)的碳纖維材料的長(zhǎng)桁、加強(qiáng)筋等棱角處要嚴(yán)格按表1和圖3、4進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)并要刷涂樹(shù)脂保護(hù)，長(zhǎng)度約510mm，可避免電荷邊緣積聚。

靜電的產(chǎn)生和消散是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)很難給出定量計(jì)算結(jié)果，只能進(jìn)行定性分析。減少靜電產(chǎn)生可以使用抗靜電劑、改善結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量，避免結(jié)構(gòu)有凸起部位；加快靜電消散也可在結(jié)構(gòu)表面施加火焰噴涂鋁或鋪貼金屬網(wǎng)。考慮工藝可行性及使用可靠性，在結(jié)構(gòu)表面使用抗靜電涂層來(lái)加快靜電消散是最為可行的方法。

2 機(jī)體內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

由于各種原因，機(jī)體內(nèi)會(huì)沉積大量靜電荷，這些電荷與電子設(shè)備耦合，會(huì)損壞某些元器件，對(duì)飛機(jī)效能產(chǎn)生直接影響。同時(shí)，復(fù)合材料制成的機(jī)體結(jié)構(gòu)降低了隔離外部電磁場(chǎng)的電磁屏蔽效能，雷電等外部比較強(qiáng)烈的高能量磁場(chǎng)能夠使得機(jī)體內(nèi)部一些靈敏的系統(tǒng)部件失效，因此必須對(duì)機(jī)體內(nèi)部的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行靜電及高頻電磁防護(hù)。

通過(guò)機(jī)體結(jié)構(gòu)的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)可以達(dá)到一定的電流傳導(dǎo)、屏蔽電磁干擾及對(duì)靜電荷的減少和消散，但為保障電子設(shè)備的安全、可靠及降低設(shè)備間的電磁影響，對(duì)機(jī)體內(nèi)的系統(tǒng)管路和電子設(shè)備也要作出相應(yīng)防護(hù)。

合理安排系統(tǒng)管路的行程和位置，保護(hù)方案為：

1）每個(gè)管路上至少安裝2個(gè)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(jié)構(gòu)之間的間距最小為6.4mm；

3）管路的間距嚴(yán)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(dǎo)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(dǎo)到金屬結(jié)構(gòu)體上；

通過(guò)上述的隔離、搭接設(shè)計(jì)，可以有效的控制、傳導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)備上的靜電荷，并免受強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。

3 靜電防護(hù)驗(yàn)證

方案設(shè)計(jì)不但要阻止靜電荷的產(chǎn)生、集聚，同時(shí)還要采取措施安全、可控的傳導(dǎo)、釋放電荷。靜電防護(hù)設(shè)計(jì)的合理性、有效性和可靠性必須經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1靜電防護(hù)、泄放試驗(yàn)

為考察復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)在各種飛行狀態(tài)下產(chǎn)生靜電的情況及防護(hù)措施效果，對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣要進(jìn)行各種狀態(tài)下的電性能試驗(yàn)。通過(guò)模擬試驗(yàn)檢測(cè)靜電防護(hù)設(shè)計(jì)符合適航要求。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

檢測(cè)上述設(shè)計(jì)方案的復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)可得：

1）結(jié)構(gòu)整體電阻值近似為80mΩ；

2）相連金屬零件間電阻值小于2.5mΩ；

3）復(fù)合材料零件表面兩點(diǎn)間（敷設(shè)銅網(wǎng)）電阻值小于10mΩ；

4）復(fù)合材料零件表面兩點(diǎn)間（未敷設(shè)銅網(wǎng)）電阻值小于500mΩ；

5）金屬零件與復(fù)合材料零件（敷設(shè)銅網(wǎng)）結(jié)合處電阻值小于（10+5）mΩ。

通過(guò)試驗(yàn)，上述設(shè)計(jì)方案的復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)符合適航要求， 滿足沉積靜電防護(hù)。

4 結(jié)論

隨著復(fù)合材料使用部位和應(yīng)用面積的不斷擴(kuò)大，以及電氣、電子設(shè)備的不斷更新，復(fù)合材料電性能對(duì)飛機(jī)特性的影響也逐漸暴露出來(lái)，這些問(wèn)題不解決，勢(shì)必對(duì)飛機(jī)的飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也影響裝備效益。本文所述的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用的靜電防護(hù)設(shè)計(jì)方案經(jīng)實(shí)踐證明是安全可靠的。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：航空工業(yè)出版社，2004.9.

[2]涂冰，劉健.復(fù)合材料整體油箱防靜電設(shè)計(jì)研究.探索創(chuàng)新交流（第7集）—第七屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集