航天材料雷電直擊防護方法研究進展

狄瑋嵐　張秋爽　劉凱　何征　何相勇

摘要：航天系統一直受到雷電的威脅，其中雷電直接效應損傷是主要模式，對飛行器安全有著重大影響。分析航天系統常用的金屬與復合材料等在雷電作用下機械破壞、熱損傷、火花效應和電磁損傷等主要效應的基礎上，分別研究了金屬與復合材料的直接效應損傷機理，特別是有關附著方式、材料導電與導熱特性等因素的關系，比較了目前金屬結構搭接增強、表面弧根分散、多重結構防護、火焰噴涂鋁層、敷設銅網及其復合膜、導電薄膜/基體等主要防護方式的優缺點，展望了直擊雷損傷防護的發展方向。雷電直接效應損傷模式與防護方法的相關研究對航天結構設計有重要的意義。

關鍵詞：航天材料 復合材料 雷電防護 損傷

中圖分類號：V250????? 文獻標識碼：A

Research Progress on the Direct Lightning Stroke Protection Method for Aerospace Materials

DI Weilan ZHANG QiuShuang LIU Kai HE Zheng HE Xiangyong

（1.Xian Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd.， Xian， Shaanxi Province， 710077 China;2.Beijing Overall Design Department of Mechanical and Electrical Engineering ， Beijing， 100039 China）

Abstract：Aerospace systems have always been threatened by lightning， and the damage of direct lightning effects is the main mode， which has a significant impact on the safety of spacecrafts. Based on the analysis of the mechanical damage， thermal damage， spark effect， electromagnetic damage and other main effects of metal and composite materials used commonly in aerospace systems under the action of lighting， this paper studies ?the?? damage mechanism of the direct effects of metal and composite materials， ?especially the relationship of the attachment method， the ?electrical conductivity and thermal conductivity of materials and other factors， compares the advantages and disadvantages of the current main protection methods such as metal structure bonding reinforcement， surface arc root dispersion， multiple structure protection， flame spraying aluminum coating， the laying of copper meshes and their composite film and conductive film/matrices， and prospects the development direction of direct lightning stroke damage protection. Relevant research on the damage mode and protection method of direct lighting effects has important significance to the design of aerospace structure.

Key Words：Aerospace materials; Composite materials; Lightning protection; Damage

雷電是一種自然界常見的大氣放電現象，能在瞬時產生巨大的能量，容易造成生命財產、社會活動等方面的巨大破壞和影響。雷電威脅一直伴隨著航天以及導彈武器系統發射任務，多年來，盡管防雷技術取得了相當的進步，國內外依然發生過多起航天雷擊事件。特別隨著復合材料在航天系統中應用日益廣泛，直接或間接遭受雷擊都會導致航天系統出現電氣設備故障、箭體結構損壞，最終導致發射任務失敗或者延遲^[1]。最近的典型案例就是2022年8月29日，美國NASA登月火箭因發射臺遭雷擊被迫推遲發射。綜上，航天雷電防護特別是直接雷擊防護尤為重要，本文針對航天系統中常見的材料及其結構的直接雷擊損傷模式，分析了國內外主要的防護方法及其效果。

1 航天材料的直接雷擊破壞模式

雷擊的破壞效應根據雷擊過程的作用特性分為直接效應和間接效應，直接效應主要形式有雷電電弧附著在材料表面造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結構畸變，以及由大電流引起的高壓沖擊波和電磁力破壞^[2，3]，其損傷程度主要與雷電流大小、持續時間、作用積分、電荷傳遞量等因素有關^[4]。雷電直接效應損傷主要包括機械破壞、熱效應、火花效應與電磁力效應等常見模式。

1.1 機械破壞效應

雷電的電壓高達上千伏，作用時間僅為幾毫秒，因此產生的沖擊力非常大，可能造成飛行器整流罩、機身蒙皮等結構的擊穿、開孔和撕裂^[5]。損傷如圖1所示。

1.2 熱效應損傷

電弧熱是雷電造成損傷的主要模式之一，電弧與金屬表面接觸造成金屬熔化的方式類似于與電弧焊接電極短暫附著于金屬表面^[6]。雷電通道電弧的溫度高達30000℃，但只有電弧根部與通道附著的表面接觸，航天系統中大量應用的復合材料的電導率非常低，由于復材結構無法有效地傳導雷擊產生的大電流，導致電荷在雷擊點附近大量聚集并轉化為熱能。瞬時匯集的熱能在雷電附著位置造成復合材料燃燒、熔融和結構畸形等，如圖2所示。熱效應是雷電典型的破壞形式，對裝備的安全威脅大^[7]，必須重點解決。

電弧加熱空氣導致的爆炸容易對金屬或者復合材料結構造成嚴重損傷^[8]。當雷電電弧被限制在一個小的區域（如整流罩內或者其他結構包裹物內）時，初步加熱導致區域內氣壓超過標準大氣壓力，當氣壓進一步升高時，維持電弧所需的電壓亦隨之增加，因此雷電電弧的功率會高于在標準大氣壓情況下的功率，釋放的能量也會相應增加，特別是封閉結構內由于雷電加熱效應會產生過壓會持續增加，直到整流罩或者包裹物破裂壓力才會停止，這經常會產生對結構的重大損傷。

1.3 火花效應

火花效應包括熱火花和電火花^[9]，熱火花指材料的燃燒時碎片從熱點噴出，電火花指介質因為電壓作用而被擊穿。由于雷電瞬間將能量釋放出來，雷電流峰值很高，如果某一點阻抗較大時，便容易產生火花效應。火花效應對燃料、火工品系統的威脅最大，可能造成燃料爆炸，如圖4所示。

1.4 電磁力效應

當電流流過同向或異向的導體時，會產生相互吸引或排斥的作用力。雷電電流很大，因此產生的電磁力很強，有可能造成桁架結構變形、線纜斷裂、蒙皮撕裂、彎曲等損傷，影響安全^[10]。圖5是鉸鏈結構在雷擊作用下，鉸鏈結構彎曲變形和縫隙錯位等損傷，同時出現表面熔蝕和電火花效應等多種混合損傷。

2 金屬結構雷電損傷防護方法

雷擊附著到金屬表面時，通常只產生很小的損傷，原因是只有相對較小的能量在附著點釋放，且附著點釋放的能量是雷電流與雷電通道末端（弧根）陰極或陽極電壓降的乘積^[11]。壓降通常為幾十伏，假如陰極（或陽極）壓降為30V，400A的持續電流釋放，其功率為12kW。如果通道快速掃掠過未經強化處理的鋁金屬表面，損傷可能只包含較小的金屬外表面的蝕損點^[12]。熔穿效應也取決于金屬的類型和厚度，電弧附著點時，電荷傳遞量（Q）與金屬熔化量（即穿孔量）之間存在近似線性的關系^[13]。根據前述損傷機理，金屬結構雷電損傷的防護方法主要有增加厚度、弧根分散、搭接和多層防護等方法。

2.1 增加金屬厚度

防止熔穿最直接的方法就是用足夠厚度的金屬板以承受雷電附著效應，實現這個目標需要的厚度取決于雷電電弧的駐留時間。以金屬鋁殼體（磨光或者陽極化）為例，如果是在駐留時間不超過5ms的區域，只需要承受電流分量B，需要的鋁表面厚度為1.5mm。對于雷電其他附著區域，如區域1A，1C及2A區的鋁合金殼體，駐留時間應假定為20ms，典型殼體厚度在2.0～3.0mm之間。

2.2 通過弧根擴散來防護

弧根擴散是對外表面進行導電化、“粗糙”化處理帶來的一種防護性優點，凸起使臨近表面的電場不均勻，從而導致弧根分散到多個路徑，而不是持續集中在一個位置^[14]。細金屬絲防護層和填充了碎末金屬纖維的底漆在實驗室試驗中是有效的，不過，金屬填充的底漆需要額外的維護，因此目前并未廣泛使用。當前，部分試驗已經確認當進行促進弧根擴散的處理時，對于金屬蒙皮的熱損傷與沖擊波損傷可以大大降低。

2.3 電氣搭接

如前所述，飛行器整體在雷電流作用下，由于局部的高阻抗，出現許多非預期電流通路，出現間隙放電（火花效應）、局部電磁力導致的機械損傷。電氣搭接就是通過使用螺栓、鉚釘或短導線等結構將金屬部件（包括復合材料結構也適用）機械連接在一起，通過這些結構連接建立一條穩定的低阻抗電氣通路，從而防止在雷擊作用下結構體各個部分之間產生過大的電勢差以避免損傷的發生^[15]。

2.4 用多層材料進行防護

用非導電膠（絕大多數結構膠都是非導電的）粘接一個薄的金屬防護層^[16]。實驗室試驗表明熔化通常限制在外部金屬層，內層則保持完好無損。外層熔化掉但電弧仍附著到外層熔化孔洞的邊緣，不會重新附著到暴露的內層，從效果上來看，外層金屬被犧牲掉以保護內層。例如：一個0.5mm的外層鋁粘接到0.75mm的內層鋁上，可以承受與2mm單層鋁板相同強度的直接雷擊。

3 ?復材結構雷電損傷防護方法

3.1 復合材料雷擊損傷特性

與金屬材料相比，復合材料直接雷擊損傷模式主要是熱損傷和機械損傷，一旦受損將極大降低其強度和剛度。如前所述，復合材料蒙皮/殼體等位置極易形成刺穿、燒蝕、起皺和剝落等損傷，這種現象在薄層復合材料如蒙皮結構上尤為嚴重^[17]。復合材料直接效應損傷有以下幾種情況。

（1）材料表面的燒蝕和纖維分層。典型形式包括材料燒蝕、纖維分層、纖維斷裂等，導致最終結構失去機械強度。

（2）阻性升溫。雷電流在復合材料結構內部傳導時，復合材料電阻非常大，傳導電流的橫截面積相對不足，都會造成復合材料結構的損傷。

（3）連接點和緊固件的損傷。復合材料在應用過程中需要進行組裝和連接，不可避免地引入搭接連接件，這些連接位置在傳導雷電流過程中便會出現嚴重的機械和熱損傷。因此這些連接位置都會成為雷擊薄弱點，如圖6所示。

3.2? 復合材料雷電損傷防護方法

復合材料雷電損傷防護思路主要是提升復合材料結構導電與導熱性，表面改性抗燒蝕等，方法包括采用火焰噴涂、敷設金屬網/復合膜、表面導電化（導電薄膜、基體）等方法^[18-25]。

3.2.1 火焰噴涂方法

火焰噴涂技術是利用火焰為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態，在高速氣流的推動下形成霧流，噴射到基體上。火焰噴涂在飛機復合材料設計中一種常見的防護手段^[19]，一般噴涂厚度為0.1～0.2mm，常用的金屬是鋁。火焰噴涂可以覆蓋難以用金屬網覆蓋的復雜形狀，但缺點是成本高，重量大。

3.2.2 防雷金屬網

對于復合材料，目前多采用在表面鋪設金屬網進行雷電防護。防雷金屬網應采用非編織形式的金屬網，不能使用金屬箔片或編織金屬網，如圖7所示。

雷電防護金屬網是目前使用較多的一種雷電防護措施，最常見的為金屬鋁網和銅網^[20-24]。金屬網由金屬板或金屬箔經沖剪、拉伸而成，這種金屬網眼一體化連接，梗絲均勻，沒有斷梗和斷絲，電流傳導截面均勻，導電性能均勻性好。圖8為某款常用的雷電防護金屬網。

復合材料所處的飛行器部位即雷電分區不同，使用的金屬網規格也不同，目前國內外在金屬網的選型上，已經形成了較為成熟的體系。常見的規格有73g、107g、142g和195g，對于特殊結構或尺寸較小的部件，可以考慮使用更重的220g金屬網。ABEMM防雷金屬銅網經過了充分了雷電試驗驗證，防護效果優異。如圖9為ABEMM雷電防護銅網復材板電弧引入試驗，可以看出ABEMM金屬網復合材料板電弧注入位置銅網局部被燒蝕，但復合材料板未分層、起毛，表面ABEMM防雷金屬網能對復合材料基體起到良好的雷電直接效應防護作用。

3.2.3 金屬網復合膜

雷電防護金屬網復合膜是一種新型雷電防護產品，可以和纖維預浸料在熱壓罐中一體固化，避免了金屬網單獨注膠工藝，因此在飛機和航天器復合材料結構部件的雷擊防護中具有重要的應用，同時雷電防護金屬網復合膜使用方便，因此在金屬網的鋪貼和換網修復中也有著非常廣泛的應用^[24]。雷電防護金屬網復合膜的結構如圖10所示。

如圖11為鋪設金屬網復合膜的復合材料板件電弧引入試驗結果，經目視檢查與X光檢查可見碳纖維板材在雷擊后結構完好，除表面銅網損傷外，未出現穿孔、纖維斷裂、分層、燒蝕等現象，由此表明在表面敷設金屬網復合膜和金屬網一樣，可以起到良好的防護效果。

3.2.4 導電薄膜/導電基體材料

增加復合材料結構的導電性是提升抗雷性能的主要途徑之一，例如將導電納米顆粒增加到纖維結構、基體材料中，以提升復合材料雷電防護能力^{[21， 22]}，其中典型結構就是導電薄膜與導電基體材料。導電薄膜的工作原理與金屬網復合膜結構類似，只是此時起導電作用的是納米導電材料，如碳納米管、石墨烯等^[23]。

近年來，另一個復合材料雷擊防護研究的熱點是在樹脂基體中增加導電填料，提升復合材料導電性，最終提高復合材料的抗雷擊性能。國內外多家機構取得了一些成果^[20]：例如采用多壁碳納米管（MWNT）和短碳纖維（SCF）作為增強材料，環氧樹脂作為基體，制備了用于飛機防雷的導電納米復合材料；添加導電粒子以改善復合材料的雷電防護性能，日本研究機構將石墨添加到環氧樹脂中制備石墨/環氧復合材料，歐洲一些研究機構將石墨烯作為抗雷擊添加劑，制作無人機機翼。

3.2.5 導電基體改性

使用導電高分子作為復合材料基體以改善航天用復合材料的電導率也是一種重要防護方法，目前有報道的方法主要是日本的研究機構使用聚苯胺替代環氧樹脂^[25]，制備新型碳纖維/聚苯胺的抗雷擊復合材料。該研究比較了聚苯胺/環氧樹脂結構在100kA的雷擊損傷結果，試驗結果如圖12所示，試驗結果表明碳纖維/聚苯胺板材顯示出優異的防雷特性。

4 結語

本文針對常見航天金屬與復合材料雷電直接效應損傷及其防護的主要方法進行了研究。在實際設計過程中，雷電作用機制復雜導致防護設計關聯多；多種效應損傷于一身，相關設計參數耦合深；雷電防護設計與重量、載荷等問題平衡要求多，需要綜合考量；彈上空間狹小，設計難度高。雷電防護設計及其試驗工作又是一個涉及多學科、專業性和實踐性強的系統工程，需要技術和經驗的雙重累積。雷電綜合防護必須從頂層規劃開始，總體確定雷電環境；分析雷電對航天系統的作用機理、損傷模式；通過理論分析、數值仿真和實物/縮比試驗，逐系統、逐設備、逐材料地確定雷電防護要求、防護設計方法、防護驗證方法；通過反復設計—仿真—試驗迭代，提升雷電防護能力。

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