民用飛機翼身整流罩雷電防護技術(shù)分析及應(yīng)用

王明慶

（中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

民用飛機翼身整流罩雷電防護技術(shù)分析及應(yīng)用

王明慶

（中國商用飛機有限責(zé)任公司上海飛機設(shè)計研究院，上海201210）

民用飛機翼身整流罩在飛機雷擊分區(qū)中屬于掃掠沖擊區(qū)域。現(xiàn)代民用飛機翼身整流罩面板大多使用復(fù)合材料層合板，如果在雷擊過程中遭遇掃掠電流，面板會產(chǎn)生大量熱量并最終導(dǎo)致?lián)p壞。介紹了飛機遭遇雷擊的過程及可能造成的損傷，并以某民用飛機機型為例，分析了翼身整流罩常用的一些雷電防護技術(shù)。

民用飛機；翼身整流罩；復(fù)合材料；雷電防護

當(dāng)代民用飛機越來越多地采用復(fù)合材料作為機體結(jié)構(gòu)的組成部分，尤其是翼身整流罩，其面板結(jié)構(gòu)一般是完全使用碳纖維復(fù)合材料。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料有著更高的比強度和比剛度，能夠顯著地降低飛機的重量。但其劣勢在于導(dǎo)電率遠遠低于金屬，一旦遭遇雷擊，將會對結(jié)構(gòu)造成嚴重的損傷[1-3]。因此，在民用飛機的設(shè)計過程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雷電防護設(shè)計尤為重要。

1 雷擊的過程及影響

雷電由飛機上的一個或多個附著點進入和離開飛機。所有突出的前端部位（如雷達罩、機翼前緣、短艙吊掛前緣等）都是可能的雷電進入附著點。由于飛機是運動的，當(dāng)雷電由附著點進入飛機后，雷電通路沿飛機表面向后掃掠，從而在飛機結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電流。民用飛機翼身整流罩一般位于機身中段下部，在典型飛機閃電環(huán)境分區(qū)中屬于掃掠沖擊區(qū)域[1，2]?，F(xiàn)代民用飛機翼身整流罩一般采用樹脂基碳纖維復(fù)合材料面板與鋁合金骨架相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方案，鋁合金是良好的導(dǎo)體，一般不需要特殊措施。但是當(dāng)樹脂基碳纖維面板遭遇雷擊電流時，由于碳纖維電阻極大，在電流的傳導(dǎo)過程中將產(chǎn)生大量的熱量，使得碳纖維快速升溫，當(dāng)升至某一臨界溫度以上時，樹脂基體開始熱分解，使纖維失去基體的支持，整個復(fù)合材料零件的強度和剛度大幅度下降，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。更為嚴重的是，樹脂燃燒或者高溫分解會釋放出氣體，如果氣體積聚在零件內(nèi)部，壓力不斷升高時，可能會導(dǎo)致爆炸，從而損傷機體結(jié)構(gòu)，危及飛行安全[3，4]。因此，必須為樹脂基碳纖維面板設(shè)立專用的雷電傳輸通道，以防止結(jié)構(gòu)遭到雷擊而失效。

2 閃電防護技術(shù)分析

翼身整流罩的閃電防護分為碳纖維復(fù)合材料面板和內(nèi)部金屬骨架兩部分，這是由于其材料屬性不同，因而防護措施也有所差異。對于金屬零件，由于其本身導(dǎo)電率良好，只需對其進行適當(dāng)?shù)碾姶罱右韵慵g隙或者零件涂層導(dǎo)致的接觸不良。對于復(fù)材面板，常見的防護技術(shù)主要有火焰噴涂、滾軋孔金屬網(wǎng)、編織金屬網(wǎng)、層間混雜復(fù)合材料、鋪貼金屬箔等?？紤]到穩(wěn)定性、施工難度、成本以及可修理性等因素，這些防護措施中又以鋪貼金屬網(wǎng)（滾軋或編織）最為常用[5]。

2.1 金屬零件的閃電防護

金屬零件本身是良好的導(dǎo)體，不需要做特殊的閃電防護措施。但是由于飛機上的零件表面涂有漆層，且相鄰零件之間往往留有間隙，使得電流的傳導(dǎo)會在這些位置受阻。為了避免這類問題，相鄰金屬零件之間的電接觸需要滿足一定的規(guī)范，例如：

（1）接頭與框或長桁之間至少需要兩處電搭接點，其中一處位于腹板上，一處位于緣條上。

（2）相鄰的長桁或框之間的距離大于800 mm時，應(yīng)在兩者之間增加一處額外的電搭接點。

2.2 復(fù)合材料的閃電防護

前面提到目前有多種方式對復(fù)合材料進行閃電防護，其中以鋪貼金屬網(wǎng)最為常用。這種防護方式的主要原理是將復(fù)材面板表面的掃掠電流通過金屬網(wǎng)傳遞到機身金屬結(jié)構(gòu)并最終進入到機身的導(dǎo)電通路。由于復(fù)材面板的面積普遍較大，為了提高電流的導(dǎo)通性，可以在面板上的每個緊固件連接處使用金屬凹陷墊圈，利用墊圈與金屬網(wǎng)之間的接觸以及墊圈與緊固件之間的接觸將金屬網(wǎng)與內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電通路連接起來，如圖1所示。需要注意的是，導(dǎo)電通路上的各個接觸部位應(yīng)去除漆層及其他可能會影響電流傳導(dǎo)的表面涂層，并注意相鄰的金屬結(jié)構(gòu)之間不要有空隙，以保持良好的接觸。

圖1 某機型復(fù)合材料面板閃電防護典型案例

3 結(jié)束語

翼身整流罩的防雷擊設(shè)計是飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重要部分。本文以某民用飛機機型為例，分析了翼身整流罩閃電防護的關(guān)鍵要點。整流罩內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)導(dǎo)電性較好，不需要采取特殊措施，但應(yīng)注意相鄰的電搭接點之間應(yīng)小于某一特定距離以盡量減小導(dǎo)電通路中的電阻。對于復(fù)材面板，通常采用鋪貼金屬網(wǎng)的方式對其進行閃電防護，為了增加其電流導(dǎo)通性，可以在每個緊固件連接處使用金屬凹陷墊圈來增加金屬網(wǎng)與整流罩內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)之間的連接點。

[1]常海洋.飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)閃電防護技術(shù)研究[J].飛機設(shè)計，2014，34（5）：11-14.

[2]熊秀.飛機雷電直接效應(yīng)綜述[J].飛機設(shè)計，2001，31（4）：64-68.

[3]劉志強.不同防護形式復(fù)合材料板雷擊損傷分區(qū)特性[J].復(fù)合材料學(xué)報，2015，32（1）：284-294.

[4]溫浩.飛機模型雷擊附著點試驗研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（7）：90-92.

[5]王天順.飛機雷電防護[J].飛機設(shè)計，2001（4）：48-52.

Analysis and Application of Protection Technology of Civil Aircraft Wing Body Fairing Lightning

WANG Ming-qing
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China，Shanghai 201210，China）

The wing-body（WF）fairing of civil aircraft belongs to the sweep area in the aircraft lightning partition. Modern commercial aircraft wing-body fairing panels are often composed of composite laminate.The panel will generate a lot of heat and eventually cause damage under the sweep current during the lightning hit.This article describes the process of the lightning strikes and damages may be caused，and uses a civilian aircraft model，for example，to analyze some lightning protection technology for the wing-body fairing.

civil aircraft；wing-body fairing；composite material；lightning protection

V25

B

1672-545X（2016）11-0196-02

2016-08-15

王明慶（1985-），男，上海人，碩士研究生，工程師，主要從事飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。