敖文偉 辛 勃 李 宏 李保良

(中國民用航空江西航空器適航審定中心，南昌 330098)

0 引言

飛機在飛行過程中，存在遭受雷擊的可能性，飛機遭受雷擊的事件在國內(nèi)外時有發(fā)生。飛機遭受雷擊后，閃電產(chǎn)生的高電壓、大電流和作用積分以及飛機上形成的電磁場、電輻射、電弧放電、電阻熱和沖擊波等會對飛機結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)造成較大危害[1]，嚴(yán)重影響飛行安全。雷擊對飛機結(jié)構(gòu)的危害主要考慮的是閃電的直接效應(yīng)。閃電的直接效應(yīng)是指閃電的直接附著和電流傳導(dǎo)對飛機結(jié)構(gòu)造成的物理損傷，包括結(jié)構(gòu)的絕緣擊穿、爆裂、燃燒、熔化、變形、分層等[2]。

為減輕飛機重量，提升飛機性能，越來越多的先進復(fù)合材料、電子電氣設(shè)備應(yīng)用在現(xiàn)代飛機上,而由于復(fù)合材料相對于金屬材料的低電導(dǎo)率和電子電氣系統(tǒng)集成度、復(fù)雜度、重要度的不斷提高，對飛機的閃電防護就提出了更高的要求。

為降低飛機設(shè)計復(fù)雜度和提高結(jié)構(gòu)效率，發(fā)動機和螺旋槳布置在機頭；由于飛機速度相對較低，為降低系統(tǒng)復(fù)雜度，采用固定式起落架；為了減輕重量和降低成本，一些機身表面和舵面采用蒙布，復(fù)合材料也可能不鋪設(shè)金屬絲網(wǎng)等等，這些都是23部飛機的設(shè)計特征。位于機頭的螺旋槳和發(fā)動機，突出機身外形的起落架，以及采用金屬、復(fù)合材料(表層鋪設(shè)金屬絲網(wǎng)和不鋪設(shè)金屬絲網(wǎng))、蒙布等材料的多樣性和導(dǎo)電性能的差異性都會對閃電分區(qū)產(chǎn)生影響，使得23部飛機在設(shè)計時，各種材料間需要采取什么樣的閃電防護措施，以及如何驗證這些防護措施是否滿足適航條款要求等問題顯得越來越重要和突出。

針對上述問題，本文從23部飛機閃電直接效應(yīng)防護相關(guān)適航條款的實質(zhì)要求和符合性驗證、審定思路等方面進行了分析和研究，給出了可接受的符合性方法，梳理出了閃電直接效應(yīng)防護適航審定的基本流程，提出了設(shè)計和審定各階段的主要工作，并重點關(guān)注項目和技術(shù)審查要點，為國內(nèi)23部飛機的閃電直接效應(yīng)防護設(shè)計和審定工作的開展提供參考。

1 條款要求

1.1 相關(guān)條款及主要內(nèi)容

《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-23-R3)[3]、FAR Amdt 23-62中涉及到閃電防護的條款有23.867、23.954、23.1306(FAR)和23.1309，各條對閃電防護的適航要求見表1。

表1 CCAR-23 閃電防護相關(guān)條款

對應(yīng)于FAR 23.1306,我國現(xiàn)行有效的CCAR-23-R3中沒有相關(guān)的要求，目前的做法就是頒發(fā)專用條件，作為型號審定基礎(chǔ)的組成部分。

本文研究對象是飛機結(jié)構(gòu)閃電直接效應(yīng)防護的設(shè)計和審定，為此對應(yīng)的適航條款是上述條款中的23.867。

1.2 第23.867條修訂歷程

FAR Part 23最初是沒有23.867的，隨著越來越多的復(fù)合材料和電子電氣在飛機上的應(yīng)用，1969年，F(xiàn)AA的Amdt 23-7在Part 23中增加了23.867條，增加了對機體結(jié)構(gòu)的閃電防護要求，當(dāng)時的標(biāo)題是“結(jié)構(gòu)的閃電防護”。1996年，Amdt 23-49對23.867條進行了第二次修訂，主要是將標(biāo)題由“結(jié)構(gòu)的閃電防護”改為“電氣搭接和閃電與靜電防護”，使標(biāo)題與內(nèi)容描述更貼切，內(nèi)容無實質(zhì)更改。2017年Amdt 23-64對整部的Part 23進行了重新編排，標(biāo)題改為了“閃電防護”，條款內(nèi)容也只是提出了“必須防止飛機因受閃電而引起災(zāi)難性后果”的頂層要求。

CCAR-23對23.867的修訂，目前只有在2004年，對CCAR-23第三次修訂時，將條款標(biāo)題由“結(jié)構(gòu)的閃電防護”改為“電氣搭鐵和閃電與靜電防護”，與FAA的Amdt 23-49修訂內(nèi)容一致，條款內(nèi)容無更改。

2 條款要求解析

當(dāng)飛機遭受雷擊時，飛機不能作為閃電放電的終端，它只能成為閃電放電通路上的一個組成部分[1]。所以在飛機上存在著一個雷擊的進入點和離開點，且在雷擊進入點和離開點之間，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計上要保證有良好的電路搭接，使電流連續(xù)、傳導(dǎo)順暢。

本條款是針對23部飛機結(jié)構(gòu)，提出的閃電直接效應(yīng)防護的要求，要求飛機機體結(jié)構(gòu)能承受閃電高電壓、大電流及作用積分，防止飛機因閃電引起的災(zāi)難性后果。飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須使閃電放電限制在飛機的外表面，不得進入內(nèi)部，避免引起電路短路、內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷、設(shè)備故障、引燃燃油箱等；結(jié)構(gòu)設(shè)計必須使閃電電流從飛機上的雷擊進入點到離開點之間具有連續(xù)的、良好的電連接，使閃電電流能有效、快速的離開飛機，不對機體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生影響飛行安全的損傷。

3 符合性驗證思路

飛機的閃電防護設(shè)計和審定應(yīng)通過一系列合理的邏輯思路和流程來開展[4]。不同型號，由于運行環(huán)境和設(shè)計特征的不同，思路和流程可能會略有變化，但一般情況下，符合性驗證流程包含確定閃電分區(qū)，確定閃電環(huán)境，確定需防護的關(guān)重系統(tǒng)、部件和設(shè)備，確定閃電防護準(zhǔn)則，審查閃電防護措施，確認(rèn)防護措施的充分性6個基本步驟。

1)確定飛機的閃電分區(qū)

飛機的閃電分區(qū)是開展飛機閃電防護設(shè)計、驗證和審定的基礎(chǔ)，閃電分區(qū)的目的是確定飛機上可能會被閃電附著、掃掠的表面，以及在飛機上閃電進入點和離開點之間可能會有的閃電電流傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，使用閃電分區(qū)來指導(dǎo)、確定各閃電分區(qū)采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施，使各區(qū)域內(nèi)的蒙皮、結(jié)構(gòu)和其他設(shè)備、部件能夠承受對應(yīng)的閃電環(huán)境的影響。

飛機閃電區(qū)域位置與飛機的幾何外形、材料、運行因素有關(guān)。飛機閃電分區(qū)一般是先確定閃電初始先導(dǎo)附著位置，然后依次確定1區(qū)、2區(qū)、1區(qū)和2區(qū)的橫向擴展區(qū)、3區(qū)和重疊區(qū)域。飛機的區(qū)域定義和位置確定方法和步驟可參照ASE ARP 5414A《Aircraft Lightning Zoning》[5]。典型的單發(fā)螺旋槳飛機的閃電分區(qū)見圖1。

圖1 單發(fā)螺旋槳飛機的閃電分區(qū)

因為閃電分區(qū)是開展型號設(shè)計、驗證和審查的基礎(chǔ)，且閃電分區(qū)涉及全機，影響整機的設(shè)計方案，為盡早識別出飛機閃電防護是否存在風(fēng)險點及確定可接受的關(guān)鍵技術(shù)問題的解決方案，避免設(shè)計方案的反復(fù)，建議申請人盡早將飛機的閃電分區(qū)建立起來(一般在要求確定階段或之前)，并及時與局方工程代表交流、討論，以獲得局方對申請人建立的飛機閃電分區(qū)的認(rèn)可。

23部飛機閃電防護一般涉及到結(jié)構(gòu)、動力和電子電氣專業(yè)，考慮到專業(yè)特點和工作任務(wù)量，在審查過程中，局方通常由電子電氣專業(yè)來牽頭抓總，相關(guān)專業(yè)負(fù)責(zé)自身專業(yè)的工作方式，負(fù)責(zé)對飛機閃電分區(qū)進行審查和確認(rèn)。

2)確定各區(qū)域的閃電環(huán)境

申請人在建立的飛機閃電分區(qū)經(jīng)局方認(rèn)可后，需要確定各區(qū)域的閃電環(huán)境，為后續(xù)的分析、計算、設(shè)計、試驗提供閃電參數(shù)的輸入。

閃電環(huán)境一般使用單個電壓波形和電流波形分量兩個代表自然閃電的重要特征參數(shù)來表示。閃電環(huán)境定義及各閃電分區(qū)適用的閃電環(huán)境(電壓波形和電流分量)可參照SAE ARP5412A《Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms》[6]，其中適用于閃電直接效應(yīng)的電壓波形包括A、B、C、D，電流分量包括A、Ah、B、C、C*、D，具體見表2。

表2 飛機各閃電分區(qū)的閃電環(huán)境

3)進行閃電危害性評估

申請人根據(jù)閃電分區(qū)、閃電環(huán)境，結(jié)合飛機設(shè)計特征和方案，對飛機進行閃電危害評估，重點關(guān)注全機關(guān)鍵/重要的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件，評估其所在閃電分區(qū)的閃電環(huán)境對這些影響飛行安全的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件的危害程度，確定哪些結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件需要采取閃電防護措施，采取什么樣的防護措施。

申請人基于上述危害性分析、評估工作一般要形成一份評估報告，并提交局方審查認(rèn)可。

4)制定可接受的防護準(zhǔn)則

對通過閃電危害評估確定的每一個需要進行閃電防護的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件，申請人需要制定出具體的防護準(zhǔn)則，對于受閃電直接影響的結(jié)構(gòu)，還需要確定其所能接受的物理損傷程度。而物理損傷程度除與結(jié)構(gòu)自身性能屬性有關(guān)外，也與結(jié)構(gòu)間的搭接電阻有關(guān)?？山邮艿姆雷o準(zhǔn)則可以參考以前的工程實踐、局方可接受的設(shè)計指南或手冊，如DOT/FAA/CT-89-22《Aircraft Lightning Protection》等。對于新穎或獨特的設(shè)計，局方需要申請人開展試驗驗證，來確定防護準(zhǔn)則，AC 20-107B《Composite Aircraft Structure》[7]給出在標(biāo)準(zhǔn)閃電試驗中，復(fù)合材料的損傷只限于出現(xiàn)1、2、3類損傷。

5)符合性驗證

申請人為證明步驟3中確定的需要進行閃電防護的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件在經(jīng)受其對應(yīng)的閃電環(huán)境后，能否滿足步驟4中的防護準(zhǔn)則要求，需要開展符合性驗證工作。驗證可以通過分析法、相似類比法、試驗法和上述3種方法的組合來完成。

直接效應(yīng)防護措施采用的典型分析方法包括: 基于導(dǎo)體材料、截面積和閃電電流作用因素，計算因閃電電流引起的導(dǎo)體溫度上升，基于電流幅值和幾何因素，計算電場、電磁效應(yīng)。這些分析都是基于可以用數(shù)學(xué)術(shù)語來描述的基本物理定律。相似類比法包括材料、結(jié)構(gòu)、安裝部位、使用環(huán)境與已取證且經(jīng)過服役驗證飛機的類比，一般包括材料牌號、表面處理、結(jié)構(gòu)形式、安裝要求、使用環(huán)境等方面，對不同之處，要有充足的證據(jù)證明不會造成不可預(yù)知的危險。一般采用相似類比的設(shè)計零部件有蒙皮、起落架、舵面、風(fēng)擋、鉸鏈和軸承、接頭等。對于采用了新材料或有新穎、獨特設(shè)計特征的飛機，無法使用相似類比、分析來確定閃電分區(qū)，確定結(jié)構(gòu)物理損傷程度的，一般要求采用試驗的方法來驗證，試驗方法和試驗程序可參照SAE ARP5416A《Aircraft Lightning Test Methods》[8]。對于一般的、常規(guī)外形和用途的23部飛機，基本采用相似類比法、分析法和全機搭接電阻測量試驗即可。此外，AC 23-15A 《Small Airplane Certification Compliance Program》[9]中對于只用于目視飛行(VFR)的23部飛機，可以不需要進行閃電試驗。

6)制定改進糾正措施

對于在符合性驗證過程中，通過分析、相似類比或試驗表明，防護設(shè)計沒有達到可接受的標(biāo)準(zhǔn)的，申請人應(yīng)該對不滿足要求的防護設(shè)計進行分析，查找防護設(shè)計中不合理的原因；局方應(yīng)該對不滿足要求的防護設(shè)計進行進一步審查，確定防護設(shè)計中不足或不合理之處，并要求申請人制定相應(yīng)的改進、糾正措施，并對采取的改進、糾正措施進行評估，確定需要重新驗證的部位或部件，直至其滿足可接受的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 重點關(guān)注要素

結(jié)合23部飛機的使用用途、設(shè)計特征等方面的特點，在設(shè)計和審查23部飛機閃電防護時，需要申請人和局方工程代表共同重點關(guān)注如下方面：

1)固定式起落架的閃電分區(qū)

由于23部飛機飛行速度相對較低，外露突出機身外形的起落架不會產(chǎn)生太大的啟動阻力，同時為簡化結(jié)構(gòu)、減輕重量、節(jié)省空間、降低系統(tǒng)復(fù)雜程度以及提高起落架的可靠性，很多23部飛機會采用固定式起落架。對于固定式起落架，起落架凸出機身外形，屬于機外突出物，因此需要對這類飛機的起落架進行閃電分區(qū)，但是在ASE ARP 5414A《Aircraft Lightning Zoning》中，對飛機的閃電分區(qū)部分均未提到起落架的閃電分區(qū)，而相關(guān)的指導(dǎo)手冊、技術(shù)文獻基本也沒有涉及這方面的內(nèi)容。對于在機頭布置螺旋槳和發(fā)動機的飛機，在ASE ARP 5414A《Aircraft Lightning Zoning》中，給出了分區(qū)案例，本節(jié)就不再討論。

對于突出機身外形的固定式起落架，其閃電分區(qū)要綜合考慮飛機的飛行速度、起落架位置(前起落架距離機頭、主起落架距離機翼前緣的距離，前、主起落架突出機身外形高度)、輪起落架上是否有輪胎整流罩等因素。

2)危害性評估時重點關(guān)注部位

在危害性評估時，需重點關(guān)注飛機的非金屬表面和運動部件(舵面或可收放的起落架)的部位。原因在于：一方面，一般情況下，非金屬導(dǎo)電性相對較差，若非導(dǎo)電表面沒有足夠的介電強度來防止閃電擊穿他們的話，那么位于非導(dǎo)電表面下的導(dǎo)電物體可能會被閃電附著；另一方面，運動部件與機體的電搭接是否能搭接連續(xù)，搭接電阻是否滿足要求影響整機的閃電電流傳導(dǎo)。

一般飛機風(fēng)擋會使用玻璃，雷達罩、天線罩會使用玻璃纖維復(fù)合材料，座艙、機翼、尾翼、整體油箱、發(fā)動機整流罩和舵面等處的蒙皮會使用碳纖維復(fù)合材料或蒙布，輪胎為橡膠材料，針對于這些部位的危害性評估要重點關(guān)注。

對于風(fēng)擋玻璃，如采用電加熱的方式，則其風(fēng)險等級相對較高；如采用引氣加熱的方式，則其風(fēng)險等級相對較低。對于使用碳纖維復(fù)合材料的部位，如發(fā)動機整流罩、整體油箱處蒙皮、舵面蒙皮、下面有關(guān)鍵/重要的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件部位的蒙皮，一般都要求采取閃電防護措施；對于座艙，如是增壓座艙，則需要對復(fù)合材料采取閃電防護措施，如為非增壓座艙，則允許不采取防護措施。固定式起落架上的輪胎，由于為絕緣材料，如被閃電擊中，會引起爆胎，將影響飛機著陸安全，為此，一般采用在起落架上加裝輪胎整流罩的方式對其進行保護。

3)合格判據(jù)的合理性、具體性

飛機閃電直接效應(yīng)，對于金屬結(jié)構(gòu)不需要做特殊的閃電防護措施，一般只需要做好電搭接，為閃電電流提供穩(wěn)定的、連續(xù)的、低阻抗的導(dǎo)電通路即可，避免或降低金屬結(jié)構(gòu)件的損傷及對位于其表面下的系統(tǒng)/部件的影響。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一般需要采取在表面粘貼金屬箔、噴涂鋁、鋪設(shè)金屬絲網(wǎng)(銅網(wǎng)、鋁網(wǎng))等閃電防護措施，避免或降低復(fù)合材料出現(xiàn)擊穿、燒蝕、分層等損傷現(xiàn)象。

以上要求，基本都是給出了定性的要求，而對于如金屬蒙皮熔化允許出現(xiàn)的最大孔徑，復(fù)合材料蒙皮允許出現(xiàn)的最大脫層深度和面積，不同部位、部件間的搭接電阻值等定量要求，因每個型號的運行環(huán)境、使用要求、設(shè)計特性等因素的差異性，一般無法給出統(tǒng)一的定量標(biāo)準(zhǔn)。通常是要根據(jù)損傷對結(jié)構(gòu)件、系統(tǒng)和部件繼續(xù)執(zhí)行其預(yù)期功能的完整性或能力的影響程度以及對飛行安全的影響程度的評估結(jié)果，來給出具體的合格判據(jù)或可接受的標(biāo)準(zhǔn)。

閃電對結(jié)構(gòu)造成的損傷，最低要求是在損傷被發(fā)現(xiàn)前，結(jié)構(gòu)至少能承受限制載荷。AC 20-107B《Composite Aircraft Structure》給出，復(fù)合材料可接受的標(biāo)準(zhǔn)是不低于3類：在損傷產(chǎn)生后的幾個飛行架次后，此處損傷指能被操作和維護人員(不需要復(fù)合材料專業(yè)技術(shù)人員)發(fā)現(xiàn)的明顯的損傷，即在損傷產(chǎn)生后被發(fā)現(xiàn)的時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)必須能承受限制載荷，此外此類損傷必須要進行修理。鋁合金蒙皮、碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料在不同閃電環(huán)境試驗后的具體物理損傷情況可參見AGATE 《Lightning Direct Effects Handbook》[10]。搭接分類、搭接方法和搭接電阻值的具體要求可以參見HB 8412-2014《民用飛機系統(tǒng)電搭接通用要求》[11]。

5 結(jié)論

針對23部飛機發(fā)動機、螺旋槳布置在機頭，固定式起落架突出機身外形，材料多樣性等設(shè)計特征，申請人如何開展設(shè)計和驗證，局方如何開展審查，使其滿足23.867的條款要求的問題，本文從條款的實質(zhì)要求出發(fā)，結(jié)合研究和工程實踐，分析和梳理出23.867條符合性驗證步驟、方法和重點關(guān)注項目：確定飛機的閃電分區(qū)和各區(qū)域的閃電環(huán)境是開展設(shè)計和此條符合性驗證工作的重要前提條件，為后續(xù)的分析、計算、設(shè)計、試驗提供閃電參數(shù)的輸入；危害評估和設(shè)計準(zhǔn)則是開展此條符合性驗證工作的重要中間環(huán)節(jié)，為后期的設(shè)計、驗證的符合性提供合格判據(jù)和可接受標(biāo)準(zhǔn)；符合性驗證和改進、糾正措施是開展此條符合性驗證工作的具體實施階段；符合性方法一般采用相似類比、計算/分析法和搭接電阻測量試驗(即MC1、MC2、MC5)。在審查23部飛機時，要重點關(guān)注固定式起落架的分區(qū)；風(fēng)擋玻璃、整體油箱、發(fā)動機整流罩以及使用復(fù)合材料的部位防護措施；以及合格判據(jù)的合理性、具體性。