大型民機復合材料整體油箱雷電、靜電防護設計

李 林 /

(沈陽飛機工業(集團)有限公司，沈陽 110850)

0 引言

選用復合材料設計的整體油箱能更有效地減輕飛機的結構質量，使結構得到充分利用。復合材料整體郵箱作為飛機的中央翼盒主傳力結構，它必須滿足總體強度、剛度和耐久性等要求。作為油箱結構，它必須同時滿足抗雷擊、抗靜電等要求，且具有保護油箱內的系統設備免于電磁干擾的能力。與金屬整體油箱相比，復合材料整體油箱在設計中的突出問題是雷電防護設計和靜電防護設計、電磁屏蔽設計及相關試驗驗證問題。

目前，國內針對整體油箱某一方面防護理論分析的相關資料較多，但較少有油箱整體防護工程設計方面的研究。某型飛機是新一代110-130座級的支線客機，其中央翼盒整體油箱由碳纖維的上、下壁板，前、后梁及金屬材料的支撐肋和相關金屬連接件組成。本文通過研究民用飛機復合材料整體油箱設計、使用要求，解析上述民機復合材料整體油箱的設計，闡述現代大型民用飛機復合材料整體油箱在雷電、靜電安全方面的防護設計方案和細節設計。

1 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將雷擊后果減至最小，并應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

如圖1所示，本文研究的民機中央翼盒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，屬于雷擊2A區。碳纖維復合材料具有弱導電性，因此中央翼盒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。

(a)飛機雷擊分區

(b)整體油箱雷擊電流路徑

圖1整體油箱雷擊電流掃掠示意圖

1.2.2 雷擊防護方案

1)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。

2)防雷擊設計

(1)本文提及的復合材料整體油箱，外翼通過前、后梁的鈦合金對接接頭與中央翼盒相連，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，則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，可最大限度地保證零件表面電流通路。在復合材料翼盒整體油箱表面鋪放密度0.075 kg/m2(0.015 lb/ft2)銅網，可考慮為防電流通過緊固件向油箱內傳導，可在緊固件區添加鋪放密度0.300 kg/m2的銅網。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 mm(1 in)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所示。

注：濕安裝緊固件，密封釘頭、釘套、界面、填角。圖2 復合材料整體油箱防雷擊設計示意圖

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、剛度大幅降低，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。導電防護系統是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 靜電防護設計

飛機在加油和飛行過程中，油箱內的燃油始終處于晃動狀態，尤其是機動飛行時，燃油對油箱內部結構有劇烈摩擦、撞擊和濺潑現象，燃油本身也有攪動，這些動作都易產生靜電和靜電荷的積聚。靜電產生的同時也會隨導體泄漏、釋放。但若不采取抗靜電措施，航空煤油和復合材料本身導電性很差，靜電泄漏很慢，當靜電積累到一定程度，油箱內油氣達到可燃狀態時，就可能在油箱內產生靜電放電火花，造成爆炸或火災事故。為防止飛機因靜電引起的災難事故，復合材料整體油箱必須進行靜電防護設計，并通過試驗加以驗證。

2.1 靜電防護設計要求

根據靜電規律，靜電防護設計從兩方面考慮，一是如何減少靜電的產生，二是如何加快靜電的消散及中和。

2.2 靜電防護措施

2.2.1 防靜電設計分析

靜電荷可由飛機加油時從外部帶入、外部結構傳導至油箱內及飛行時燃油與油箱內壁沖撞產生。本文研究的民用飛機整體油箱由碳纖維的上下壁板、前后梁及金屬支撐肋和連接附件組成。復合材料和燃油電導率低，靜電荷向外部傳導慢，容易積聚在油箱內部尖角處而產生放電火花。根據該機整體油箱結構特點，可考慮防止外部電荷傳入的隔離設計和采用避免電荷積聚產生火花的結構設計及使內部電荷形成不構成危害的微弱電流向外傳導設計。

2.2.2 防靜電設計方案

1)根據靜電防護設計分析，兼顧可靠性和工藝可行性，本文研究的整體油箱采用由外及內的立體防護措施。其設計方案為：

(1)碳纖維材料部件外部鋪設銅網，既傳導雷擊掃掠電荷也可擴散機身金屬結構傳來的電荷，從而避免電壓擊穿復合材料件進入油箱內部；

(2)碳纖維材料與金屬材料接合面處鋪設玻璃纖維以切斷可能的電流傳導路徑，緊固件濕安裝，并密封釘頭及螺母以防電流由外向內傳導并防止緊固件尖端電荷聚集打火花，如圖3所示；

圖3 碳纖維與緊固件間防護

(3)油箱內壁涂抗靜電涂層，并在金屬根肋處安裝電刷對外進行電搭接，使翼盒油箱內電荷能通過機翼和機身框以微弱電流進行釋放；

(4)油箱內系統部件進行電搭接，使電荷中和、傳導，避免積聚；

(5)內部零部件尖端之間控制結構空隙，避免沉積電荷火花放電，如圖4所示；

(6)拱橋式結構間隙較小處，為避免靜電放電，可考慮碳纖維材料的長桁、加強筋等棱角處刷涂樹脂保護。

2)靜電防護設計

根據設計方案，對復合材料整體油箱內部典型結構作下述設計：

(1)碳纖維零件與緊固件。間隙配合，密封緊固件兩端避免出現尖端，如圖3所示。

(2)碳纖維零件與金屬零件。復合材料與金屬相連，緊固件間隙配合，金屬與金屬相連，緊固件干涉配合，如圖4所示。

(a) 金屬零件不相連

(b) 金屬零件相連圖4 碳纖維與金屬零件間防護

(3)復合材料壁板長桁與金屬肋腹板間拱橋式結構。這種結構型式最易形成電荷積聚出現放電火花產生危害，這種結構要嚴格按表1和圖5、圖6進行細節設計。

表1 整體油箱拱橋式結構靜電防護要求

圖5 拱橋式結構防護要求

圖6 棱邊刷涂樹脂防護

刷涂樹脂長度約510 mm(20 in),既可避免電荷邊緣積聚，也能防止燃油浸入結構纖維內部。

靜電的產生和消散是一個復雜的過程，對于一般結構很難給出定量計算結果，只能進行定性分析。減少靜電產生可以使用抗靜電劑、改善油箱內壁表面質量，避免結構有凸起部位；加快靜電消散也可在內壁表面施加火焰噴涂鋁或鋪貼金屬網。考慮工藝可行性及使用可靠性，在油箱內壁使用抗靜電涂層來加快靜電消散是最為可行的方法。

3 雷電、靜電防護驗證

雷電防護與靜電防護相互關聯。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。雷電、靜電防護設計的合理性、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情況，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設計參數。

3.2 靜電防護試驗

為考察復合材料整體油箱在各種飛行狀態下產生靜電的情況及防護措施效果，對油箱試樣要進行靜電驗證試驗，及對油箱復合材料在各種狀態下的電性能試驗。通過模擬試驗測出油箱最大靜電火花能量符合要求證明油箱靜電防護設計合格。

3.3 設計結果

通過檢測上述民機復合材料整體油箱可得：

1)整體油箱電阻值近似為80 mΩ；

2)相連金屬零件間電阻值小于2.5 mΩ；

3)復合材料零件表面兩點間(鋪設銅網)電阻值小于10 mΩ；

4)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。

通過試驗，上述設計方案的復合材料整體油箱雷電、靜電防護設計滿足要求。

4 油箱內系統設備的靜電及電磁防護設計

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中央翼盒內部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。

通過整體油箱的雷電、靜電防護設計可以達到一定的雷電電流傳導、屏蔽電磁干擾及減少和消散靜電荷，為保障電子設備的安全、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。

合理布置管路，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3 660 mm(144 in)，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6.4 mm(0.25 in)；

3)管路的設計、安裝嚴格按照相應規范；

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，可有效控制、傳導系統設備上的靜電荷，并免受強磁場干擾。

5 結論

隨著復合材料在飛機上的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，這些問題不解決，勢必對飛機的飛行安全構成嚴重威脅，也影響裝備效益。復合材料的整體油箱相比金屬整體油箱，雷電、靜電防護和電磁屏蔽設計尤其重要。本文所述的民用飛機復合材料整體油箱采用的雷電、靜電防護設計方案經試驗證明是安全可靠的。