復(fù)合材料雷擊防護(hù)方法研究

單澤眾 趙淼 曾瓊芝

摘要：目前，復(fù)合材料在民航客機(jī)上已得到的大量使用，但由于其具有極低的導(dǎo)電性，遭受雷擊附著過程中，易造成較大面積損傷區(qū)域，嚴(yán)重情況下，直接威脅飛機(jī)運(yùn)行安全?；诖?，總結(jié)并分析復(fù)合材料常見的4種防護(hù)措施，分別是網(wǎng)箔防護(hù)法、表面層防護(hù)法、鋁涂層防護(hù)法、成套電路防護(hù)法，可為學(xué)者對于復(fù)合材料雷擊防護(hù)研究提供參考價值。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；民機(jī)；損傷；運(yùn)行安全；防護(hù)措施

飛機(jī)在起飛和降落過程中，很容易發(fā)生雷擊事件，在高空穿越雷暴區(qū)也可能會遭受雷擊，平均每年都會遭受一次雷擊，所以飛機(jī)雷擊事件也常常見諸報端，有些還造成了嚴(yán)重的事故。2009年，一架法國航空的A330失聯(lián)事故，機(jī)上人員已無生存希望，據(jù)官方推測是受到雷暴襲擊。2010年，哥倫比亞一架波音737發(fā)生嚴(yán)重雷擊事故，一人死亡，上百人受傷。2015年我國一架飛往武漢的客機(jī)遭到雷擊，所幸沒有造成傷亡事故。

目前，由于為了減輕重量實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益，制造商已經(jīng)將復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于新一代商用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。波音787飛機(jī)于2009年正式進(jìn)入航空公司服役，在結(jié)構(gòu)重量方面，擁有大約50%左右的碳纖維復(fù)合材料（CFRP）。

由于復(fù)合材料具有極低的導(dǎo)電性，而雷擊電流可在短時間內(nèi)釋放大量的能量，因此，復(fù)合材料很容易產(chǎn)生遭遇雷擊電流附著很容易造成大面積損傷，極大的威脅民機(jī)的運(yùn)行安全。目前，雷擊防護(hù)的具體措施是首先進(jìn)行雷擊區(qū)域劃分，其次，根據(jù)不同區(qū)域及復(fù)合材料的形狀特點制定防護(hù)措施。

1 雷擊區(qū)域劃分

在民機(jī)的雷擊防護(hù)中，必須依據(jù)雷擊在民機(jī)上的附著點情況做出相應(yīng)的設(shè)計。通過民用飛機(jī)的雷擊區(qū)域劃分，一方面可以指導(dǎo)飛機(jī)系統(tǒng)及子系統(tǒng)的整體布局設(shè)計；另一方面通過評估不同區(qū)域的雷擊損傷危害，在雷擊附著概率比較高的區(qū)域做好分流，并改善此處易受雷擊影響的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的防護(hù)設(shè)計。確定民機(jī)的雷擊區(qū)域劃分如圖1所示，分為三個部分[1]：

區(qū)域1：雷擊開始最易出現(xiàn)的民機(jī)上的區(qū)域，稱為初始附著區(qū)。根據(jù)持續(xù)時間，分為持續(xù)較短的1A區(qū)和較長的1B區(qū)。1C區(qū)則是首次雷擊閃電回?fù)艨赡苄宰畲蟮膮^(qū)域。

區(qū)域2：雷擊所掃過的民機(jī)上的區(qū)域，稱為掃掠區(qū)。根據(jù)持續(xù)時間長短分為持續(xù)較短的2A區(qū)和較長的2B區(qū)。

區(qū)域3：民機(jī)上除區(qū)域1和2的剩余區(qū)域，遭受雷擊的概率很小，但會流過大量電流。

2 雷擊防護(hù)方法分析

目前，國內(nèi)外民機(jī)制造單位為降低復(fù)合材料雷擊燒蝕破壞，主要采用增加復(fù)合材料導(dǎo)電性的防護(hù)措施，主要雷擊防護(hù)方法有以下4種[2]。

（1）網(wǎng)箔防護(hù)法

該方法是通過貼在復(fù)合材料表面或者最外層下面的銅制或者鋁制編織或者未編織金屬網(wǎng)，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。其中，編制金屬網(wǎng)由機(jī)器編織制造，但此種方法由于絲線易松開、不易噴涂、電鍍、層壓，已經(jīng)逐漸被通過金屬箔打孔方法制造出來的未編織金屬網(wǎng)所替代[3～4]。

（2）表面層防護(hù)法

該方法是通過民機(jī)復(fù)合材料外表涂層中添加導(dǎo)電材料的方法，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能[4]。具體措施如：噴涂材料添加金屬粒子；漆層表面添加導(dǎo)電金屬條等措施。

（3）鋁涂層防護(hù)法

該方法是通過轉(zhuǎn)移法在復(fù)合材料表面火焰噴涂一層鋁防護(hù)層，即轉(zhuǎn)移膜法，或者通過等離子電鍍法制備鋁防護(hù)層，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。其中，由波音公司生產(chǎn)的B787飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中采用了網(wǎng)箔保護(hù)法、鋁涂層防護(hù)法[5]。

（4）成套電路防護(hù)法

該方法是通過電子系統(tǒng)中的匯流條將雷擊電流傳遞到民機(jī)中相關(guān)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，使雷擊電流通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)釋放出去，其中該方法應(yīng)至少包括兩套完整的電路系統(tǒng)[6]。

3 總結(jié)

4種常見的防護(hù)措施方法均能有效的提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，降低雷擊對復(fù)合材料產(chǎn)生的損傷，并已經(jīng)在民機(jī)上得到應(yīng)用。因此，根據(jù)飛機(jī)不同雷擊區(qū)域及該區(qū)域的飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外形尺寸，選取合適的防護(hù)措施，可為學(xué)者對于復(fù)合材料雷擊防護(hù)研究提供參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]高成，宋雙，郭永超，等.飛機(jī)雷擊附著區(qū)域的劃分仿真研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2012，27（6）：1238-1243.

[2]朱健健，李夢.航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊損傷與雷擊防護(hù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2015，29（17）：37-42.

[3]Gagné，Martin， TherriaultD . Lightning strike protection of composites[J]. Progress in Aerospace Sciences， 2014， 64：1-16.

[4]Larsson A. The interaction between a lightning flash and an aircraft in flight[J]. ComptesRendus Physique， 2002， 3（10）：1423-1444.

[5]吳志恩. 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的防雷擊保護(hù)[J]. 航空制造技術(shù)， 2011（15）：88-91.

[6]趙金龍， 陳曉寧， 耿勇，等. 淺析飛機(jī)復(fù)合材料雷擊防護(hù)措施與試驗[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料， 2013（6）：40-43.

項目資金：來自于中國民航大學(xué)科技創(chuàng)新基金項目資助.