飛機雷電危害與防護設計分析

李勇軍 趙鵬飛 吳 濤 丁兆宇

（國營蕪湖機械廠，蕪湖 241007）

1 引言

雷電是大氣層中的一種自然現象，全球平均每天發生的雷電次數約為800萬次，其中200kA以上電流強度的雷電流占總數的0.5%左右。據統計，每架民航飛機平均每年要遭受約1次雷擊事故，而一架軍用戰斗機在其使用壽命內平均要遭受到2次雷擊事件，由雷擊所造成的安全問題和事故時有發生，有時甚至會造成災難性的后果。現代飛機由于大量采用了先進電子設備和復合材料，從而對雷電效應變得更加敏感。因此，為了將大氣雷電環境對飛機飛行安全的影響降至最小，飛機對雷電防護設計提出了更高的要求。

2 雷電對飛機的危害

雷電對飛機的危害總體來說可分為直接效應和間接效應，但是雷電造成的危害往往同時包括以上兩種效應，如對燃油系統的危害等。

2.1 雷電的直接效應危害

直接效應是飛機因雷電通道直接附著和電流傳導而產生的物理損壞效應，包括磁力效應、聲沖擊效應、熔穿和沖擊波效應、金屬導體升溫、起弧等。

如果雷電流擴散并流經雷電的進入點和雷電離去點之間的整個飛機機身，則雷電流在飛機大部分位置上的電流密度都較低，一般不會對飛機造成物理損壞。但是，若雷電流流經路徑上的結構部件之間有不良連接，則可能造成結構部件之間的起弧現象，從而引起飛機的物理損壞。此外，在進入點或離去點附近的電流路徑覆蓋區域內，電阻性加熱和磁力集中可能導致這些區域的物理損壞，加上來自雷電通道的爆破力和強熱的沖擊，破壞可能會更大。

如果雷電流通道在金屬表面的接觸時間足夠長，會造成接觸點表面的熔化，從而造成弧根燒蝕，使得飛機表面產生連續凹痕或燒出孔洞的現象。雷電通道除了可能在飛機后緣處駐留時間較長從而燒穿更厚的機身蒙皮外，一般情況下燒出孔的蒙皮厚度均小于1mm。金屬蒙皮或結構可能因雷電附著點附近的雷電強磁場力而變形，如果結構不夠堅固，可能會出現變形和斷裂，除了輕薄表面外，飛機可能被磁力損壞的部位包括集中電流通路上的搭接片，非金屬結構上的雷電分流條、天線、空速管等。

遭受雷電電流的導體會產生阻性加熱，若導體電阻率過高或截面積過小而不能充分傳導雷電流，會導致雷電流在導體中儲存相當大的能量，從而使導體溫度急驟上升。電阻性能量聚集與雷電電流的作用積分成正比，對于任何導體，均可導致其熔化或氣化爆炸，因小直徑導體的爆炸氣化會產生破壞性，當該爆炸的導體位于復合材料的封閉區域內時，損壞最為嚴重。圖1為小直徑線束氣化引起的雷達罩爆炸性損壞。

圖1 小直徑線束氣化引起的雷達罩爆炸性損壞示例

2.2 雷電的間接效應危害

間接效應是指飛機受到雷擊而造成機載電氣設備的損壞或故障，即使雷電沒有接觸到飛機的電氣線路，雷擊同樣可以在飛機電氣線路中產生感應電流浪涌和感應電壓，從而對機載電子設備產生破壞。例如，當飛機遭到雷擊時，間接效應可造成導航設備和駕駛艙儀表運行受到影響，產生計算機擾動、系統斷路器跳開等破壞。雷電間接效應與雷電電流注入機身的相關電磁場及其與電壓的升高程度有關，盡管飛機金屬蒙皮提供了較好的電磁屏蔽效果，但部分電磁場仍可穿透縫隙或窗戶，并在飛機電氣線路中感應出瞬態電流或電壓浪涌，飛機金屬結構接頭和非金屬結構電阻使飛機內設備之間產生浪涌電壓，浪涌電壓又反過來干擾或損壞飛機的電氣設備。

雷電間接效應危害的對象是飛機電路和設備，并可能出現在飛機內的任何地方，如遠離雷電附著點的設備處。表1為航空公司統計的214次雷擊后得出的雷擊間接效應影響飛機設備工作情況的統計表。

2.3 雷電對燃油系統的危害

飛機燃油系統通常分布在飛機機身各區域，占用飛機相當大的空間，其中包括飛機油箱、管路系統及相關控制裝置等。雷電對燃油系統造成的危害是影響飛行安全的關鍵因素之一，燃油系統具有引燃能量低、分布區域廣、引燃因素多及系統復雜等特點，只需要傳導1A電流強度的電弧就可以點燃碳氫化合物類的燃油蒸氣。雷電可以將上千安的電流注入飛機，并通過裝滿燃油蒸氣的油箱結構，在一些未經特殊設計的結構接頭或管路接口處很容易產生電弧或火花，導致飛機油箱起火燃燒或爆炸。

表1 雷擊間接效應影響飛機設備工作情況統計（214次雷擊）

3 飛機雷電防護設計

雷電會給飛機造成各類嚴重危害，因此為了保證飛機和機載設備的安全，必須進行嚴格的雷電防護設計工作。雷電防護設計只可能減少雷電的影響，而不能完全避免飛機遭受雷擊。雷電最初從一個點附著進入飛機并從另一個點離開，通常這些附著位置都是飛機的兩端，如機頭或翼尖。飛機上還有一些雷電不可能附著的區域，以及僅在整個雷電持續時間的一小部分時間內容易遭受附著的區域，因此在進行飛機設計時，需根據雷電預計分量及影響程度對飛機表面進行雷電分區，典型的飛機雷電附著分區情況如圖2所示。

圖2 飛機的雷電附著分區情況

（1）1A區：首次雷擊區，一般為機頭、機翼、尾翼、尾錐及其他明顯的突出物。

（2）1B區：首次雷擊區，具有較長的懸停時間。

（3）1C區：首次雷擊的過渡區。

（4）2A區：掃掠通道區，位于1A后方的機身、機翼區域。

（5）2B區：掃掠通道區，并具有較長的懸停時間。

（6）3區：除去以上區域，都劃分為3區，3區是雷電附著概率最低的區域，但也可能會成為雷電傳導的通道。

不同飛機的各個區域劃分取決于飛機的幾何形狀和飛行特性，試驗人員可以在飛機的等比例模型上進行雷電附著點試驗。根據一般飛機的雷擊經驗，對不同區域的產品需開展不同要求的雷電防護設計工作。如在1A首次雷擊區的雷擊導電通道應具有傳輸200kA峰值電流、1～2s內傳輸200C電量的能力；在2區掃掠通道區內，導電通道應能夠傳輸100kA峰值電流，且不會造成高熱和著火現象。雷電電流流經的所有各處都應采取雷電防護措施，如雷達天線罩、航行燈、燃油加油口蓋、天線、座艙蓋、全靜壓管、翼尖和翼尾、油箱掛架、升降舵及襟副翼等。

3.1 雷電直接效應防護

3.1.1 對金屬結構直接效應的防護

針對雷電對飛機金屬結構造成的熔穿、阻性加熱、起弧等多種危害，應分別采取不同的防護措施。例如，為防止雷電對飛機金屬結構造成熔穿現象，最直接的方法是使用足夠厚的金屬薄板作為蒙皮，防止其不被完全熔穿，同時也可采用弧根分散和多層組合等方法進行防護；為避免阻性加熱，嚴格控制飛機結構間的電阻值，在雷電電流流經的各個端點都應具有良好的電氣連接性能，例如，翼尖到翼尖、水平安定面到機頭金屬部件之間的整體電阻值應小于5mΩ。

3.1.2 對不導電復合材料的防護

由于電場可以穿透樹脂、玻璃纖維等不導電復合材料的表面，流光和迎接先導可能從不導電蒙皮下的導電物體上發生，并可能在這些蒙皮上造成穿孔，并對周圍材料造成重大損壞，對此設計人員通常采用整體式和分段式的分流條進行保護。對于不要求電磁透波的地方，可將導電涂層應用于不導電表面，以便將雷電電流傳導至機身進行防護。

3.1.3 對導電復合材料的防護

雷擊可能導致碳纖維制成的導電復合材料中樹脂發生高溫熱解，由此產生的沖擊波效應也會造成層板的破裂損壞。為了防止該類情況的發生，設計人員需采用提高電導率與弧根分散的方法對機載的導電復合材料進行防護，如使用延展金屬箔、交互編織金屬絲等防護方式。

3.2 雷電間接效應防護

雷電間接效應形成的感應會對飛機電子電氣設備與系統造成干擾、故障或損壞，因此需要進行防護設計，控制飛機電纜中的雷電感應電壓和電流，提高電子電氣設備的耐受能力。間接效應防護的最低要求是間接效應不能造成機載電氣設備的物理損壞，不能對飛機和飛行人員有安全威脅的干擾，包括向機組人員傳遞對飛機安全構成威脅的各類誤導性信息。

對雷電間接效應的防護方法通常為利用飛機結構所能提供的屏蔽，避免將設備和線路布置在最易受雷電電磁場影響的區域內，對機上線路采用良好的屏蔽和接地措施，設計提高機載設備的防護性能，達到滿足安全裕度的要求。圖3為屏蔽層接地的若干形式。

圖3 屏蔽層接地的若干形式

3.3 飛機燃油系統防護

飛機燃油系統進行雷電防護的主要目標是在飛機受到雷擊時防止燃油點燃而損壞飛機，燃油系統防護包括油箱本身、油箱通氣管路、燃油排放管路、油箱檢修口、燃油輸送管路、電氣控制裝置與儀表等。

整體油箱的蒙皮結構使燃油直接與飛行器外蒙皮的內表面接觸。飛機掛架或翼尖所攜帶的外部燃油箱也屬于整體型油箱。如果整體油箱蒙皮位于雷電附著區，則須采取措施確保雷電不會熔穿油箱蒙皮，或防止蒙皮內表面受熱升溫至燃油蒸氣的燃點。典型的燃油箱加油口蓋改進設計如圖4所示，圖4（a）中給出了在沒有防護措施的加油口蓋內表面上發生打火的位置，圖4（b）表示了可成功阻止內部打火的加油口蓋設計形式。

圖4 燃油箱加油口蓋的設計

4 雷電防護設計的發展趨勢

我國對飛機的雷電防護設計研究起步較晚，以前對飛機的雷電防護要求主要集中于個別潛在危害區域，如燃油箱、天線及其它外部“進入點”，缺少整體系統性的雷電防護設計理念。近年來，隨著對飛機遭受雷電及其效應認識的增加，飛機雷電防護要求和相關的標準都發生了巨大的變化。中國民用航空局（CAAC）在跟蹤借鑒美國聯邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）關于雷電防護要求的基礎上，發布了完整的國內雷電防護適航管理條款，明確規定了對飛機機身、燃油系統、電子、導航系統及其他系統的防護要求。目前，我國新型軍民兩用飛機的設計制造均需開展嚴格的雷電防護合格審定，確定雷擊區域和雷電環境，制定防護準則，對飛機各個部分進行相關的雷電防護措施設計，以期將雷電對飛機的危害降到最低，保證機上機組人員與所有乘客的飛行安全。