張曾霞

摘 要：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能是各向異性的，相較金屬材料，其有效電導(dǎo)率要小得多，且電磁性能和對電磁危害的敏感度方面差異也很大。復(fù)合材料封閉體的屏蔽效能通常與封閉體形狀和內(nèi)部復(fù)雜程度等相關(guān)。因此，對金屬結(jié)構(gòu)的飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計原則重新進(jìn)行考核，以建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)飛機(jī)的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)；電磁防護(hù)；模擬試驗(yàn)

引言

現(xiàn)代飛機(jī)大量采用復(fù)合材料制造飛機(jī)蒙皮類機(jī)體結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料相較金屬材料導(dǎo)電性能差且各向異性，其制成大型飛機(jī)蒙皮后，將大大降低蒙皮隔離外部電磁場的電磁屏蔽效能和傳導(dǎo)電荷的能力。

雷電是飛機(jī)所遭遇的最嚴(yán)重的電磁危害。雷電不僅會干擾飛機(jī)電子設(shè)備的正常使用，還會擊傷復(fù)合材料零件，引發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)難事故。復(fù)合材料機(jī)翼整體油箱的雷電放電防護(hù)設(shè)計是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽防護(hù)設(shè)計的重要部分。

1結(jié)構(gòu)雷電防護(hù)設(shè)計

1.1 雷電防護(hù)設(shè)計要求

雷電損傷危及飛機(jī)安全，非金屬結(jié)構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)使雷擊后果減至最小，因此要采取有效措施把復(fù)合材料與雷電電流隔離開，既防止雷電電流附著在復(fù)合材料構(gòu)件上，又要阻止雷電電流在復(fù)合材料內(nèi)傳輸，同時使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件有低阻抗傳導(dǎo)雷電電流的通路。

1.2 雷電防護(hù)措施

1.2.1 防雷擊設(shè)計分析

機(jī)翼整體油箱位于中機(jī)身下部，受機(jī)腹整流罩和機(jī)身的保護(hù)其處于非直接雷擊區(qū)。碳纖維復(fù)合材料具有弱的導(dǎo)電性，因此復(fù)合材料整體油箱具有相對較大的電阻值，但又具有一定的電連續(xù)性，當(dāng)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(jīng)中央翼盒整體油箱，絕大部分電流直接傳導(dǎo)至機(jī)身金屬結(jié)構(gòu)。為確保整體油箱的安全性和可靠性，可采取電流傳導(dǎo)設(shè)計和隔離設(shè)計相結(jié)合的方式。

1.2.2 雷擊防護(hù)方案

（一）考慮整體油箱處于掃掠雷擊2A區(qū)，相關(guān)結(jié)構(gòu)雷擊防護(hù)的主要措施：

1）外翼必須與機(jī)身直接進(jìn)行電搭接（通過金屬零部件相連接）；

2）在復(fù)合材料件表面鋪敷金屬材料形成良好的電通路來傳導(dǎo)雷擊電流，并對特殊區(qū)域采取隔離。

（二）防雷擊設(shè)計

1）要作到直接電搭接，外翼要通過前、后梁的金屬對接接頭與復(fù)合材料整體油箱盒段相連，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(jī)身連接框傳至機(jī)身；

2）要在復(fù)合材料翼盒整體油箱表面形成電通路，可考慮在復(fù)材零件表面鋪放金屬箔條或金屬網(wǎng)。按相關(guān)適航條例要求，整體油箱是高風(fēng)險部位，必須保證外部電流不能擊穿復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或電流流經(jīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)致樹脂熔化、分層。若鋪放金屬箔條必須確保各箔條相互接觸且鋪放密度較大，這樣會加大結(jié)構(gòu)重量和制造工藝難度；若共固化鋪放整體銅網(wǎng)，可最大限度的保證零件表面電流通路。在復(fù)合材料整體油箱表面鋪放密度0.075 千克/米2（.015 lb/ft2）銅網(wǎng)。在銅網(wǎng)與碳纖維零件表面間鋪覆一層玻璃布并至少延展出銅網(wǎng)邊緣25毫米（1in）左右以防電化學(xué)腐蝕。濕安裝緊固件并密封兩端釘頭。對零件進(jìn)行界面、填角密封。通過上述設(shè)計對零件表面、緊固件、零件界面進(jìn)行三個層級的防護(hù)，如圖2。

復(fù)合材料飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)若不進(jìn)行有效的雷電防護(hù)處理，在直接遭受雷擊時會產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷（纖維分層斷裂），使強(qiáng)度、剛度下降較大，不能保證整體油箱安全。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防護(hù)系統(tǒng)從原理上可分為兩類：一類是提供雷電電流通道的導(dǎo)電層防護(hù)系統(tǒng)；另一類是使防護(hù)對象與雷電電流通道隔離的絕緣防護(hù)系統(tǒng)。導(dǎo)電防護(hù)系統(tǒng)可在復(fù)合材料表面加金屬網(wǎng)、金屬分流條、火焰噴涂鋁等。絕緣防護(hù)系統(tǒng)是在復(fù)合材料表面覆蓋薄膜或涂層形式的高介電強(qiáng)度材料。防護(hù)方式的選用，不但要考慮防護(hù)效果情況，還要綜合考慮結(jié)構(gòu)重量、經(jīng)濟(jì)成本及生產(chǎn)可行性，同時還要兼顧特殊部位的細(xì)節(jié)設(shè)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(hù)系統(tǒng)，要經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部不產(chǎn)生電暈和流光。

2油箱內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備的電磁防護(hù)設(shè)計

由于各種原因，油箱內(nèi)會沉積大量靜電荷，這些電荷與電子設(shè)備耦合，產(chǎn)生沉積靜電，會損壞某些元器件，對飛機(jī)效能產(chǎn)生直接影響。同時，復(fù)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(qiáng)烈的高能量磁場能夠使得復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部的靜電發(fā)生電磁感應(yīng)，導(dǎo)致一些靈敏的系統(tǒng)部件失效，因此必須對油箱內(nèi)部的系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行靜電及高頻電磁防護(hù)。

整體油箱的雷電防護(hù)設(shè)計可以達(dá)到一定的雷電電流傳導(dǎo)、屏蔽電磁干擾及對靜電荷的減少和消散，為確保電子設(shè)備的安全、可靠及降低設(shè)備間的電磁影響，對油箱內(nèi)的系統(tǒng)管路和電子設(shè)備也要作出相應(yīng)防護(hù)。

合理的安排系統(tǒng)管路的行程和位置，保護(hù)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）管路的間距安裝嚴(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；

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

3雷電防護(hù)驗(yàn)證

雷電放電防護(hù)及電磁屏蔽防護(hù)相互關(guān)聯(lián)。方案設(shè)計不但要阻止靜電荷的產(chǎn)生、集聚，同時還要采取措施安全、可控的傳導(dǎo)、釋放電荷。防護(hù)設(shè)計的合理性、有效性和可靠性必須經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 雷電模擬試驗(yàn)

為了驗(yàn)證復(fù)合材料整體油箱和細(xì)節(jié)設(shè)計結(jié)果，要按相應(yīng)的適航要求對油箱進(jìn)行燃油蒸氣點(diǎn)火及電暈和流光的直接效應(yīng)試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整防護(hù)設(shè)計參數(shù)。

3.2 設(shè)計結(jié)果

通過檢測，復(fù)合材料整體油箱按上述防護(hù)要求設(shè)計可得：

1）整體油箱電阻值近似為80mΩ；

2）相連金屬零件之間電阻值小于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。

通過模擬試驗(yàn)，上述設(shè)計方案的復(fù)合材料整體油箱雷電放電及電磁屏蔽防護(hù)設(shè)計滿足要求。

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)合材料電性能對飛機(jī)特性的影響也逐漸暴露出來。結(jié)構(gòu)機(jī)體的電磁屏蔽設(shè)計就是通過采用一些技術(shù)措施來提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)機(jī)體的電磁屏蔽效能，滿足飛機(jī)的電磁屏蔽要求。

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[3] 涂冰，劉健.復(fù)合材料整體油箱防靜電設(shè)計研究. 探索 創(chuàng)新 交流（第7集）—第七屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集