摘 要 隨著飛機設計的發展，復合材料廣泛應用于飛機設計。飛機的防雷擊設計是現代飛機設計的一個重要組成部分，尤其是全碳纖維復合材料飛機。由于屬于半導體性質的碳纖維復合材料的抗雷擊損傷能力比全金屬鋁合金結構差，所以必須有可靠的防雷擊系統才能保證飛機的使用安全。
　　關鍵詞 碳纖維；復合材料；雷電防護
　　0引言
　　飛機的防雷擊設計包括全機防雷擊系統和部件級防雷擊系統兩部分。而防雷擊設計的首要環節是進行雷電區域的正確劃分，從而根據不同的雷電區域采取不同的防護措施。本文主要提供一種全碳纖維復合材料飛機的全機防雷擊系統設計，部件級防雷擊系統的設計本文不做分析。
　　1 飛機雷擊環境定義
　　1.1飛機的雷擊環境
　　直接雷擊――指開始接觸到飛機表面的雷擊。
　　掃掠雷擊――指一旦飛機接觸到直接雷擊后，雷擊持續放電的接觸點不斷出現順氣流方向沿飛機表面跳躍移動。
　　1.2飛機的雷電效應
　　雷電直接效應是由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結構畸形。
　　雷電間接效應是指在電子、電氣設備和布線中雷電引起的過電壓和過電流造成的設備損壞或干擾。
　　3 飛機雷電區域劃分
　　3.1區域劃分
　　按照不同的雷電附著特性或傳遞特性可把飛機表面劃分成三個區域：
　　區域1：初始電擊附著其上面（進口或出口）可能性很大的飛機表面。亦稱初始附著區域。
　　區域2：電擊放電被氣流從區域1的初始附著點吹過來在其上面掃掠的可能性很大的飛機表面，亦稱掃掠沖擊區域。
　　區域3：除了區域1和區域2以外的所有飛機表面為區域3。在區域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對初始雷電附著點或掃掠沖擊附著之間傳導很大的雷電流。
　　按照放電長時間懸停在飛機表面的可能性大小，區域1又進一步分為A區、B區和C區，區域2劃分為A區和B區。A區是電弧在它上面長時間懸停可能性較小的區域。B區是電弧在它上面長時間懸停可能性較大的區域。
　　3.2區域的確定
　　飛機雷擊區域的劃分按照SAE ARP5414A-2005進行，采用推薦的或標準的經典規則確定。
　　3.2.1區域1的確定
　　首先，要確定可能的初始雷電附著點區域。一般傳統布局的飛機，根據飛機的雷擊經驗，典型的雷電先導初始附著點位置為一些末端，如機頭、機翼/尾翼翼尖、推進器和螺旋槳槳葉的末端、發動機艙以及其他明顯的突出物。
　　其次，確定區域1A、1B、1C的位置，根據SAE ARP5414A-2005，在正常情況下，飛機將會往前飛行，當沖擊和閃電從前端的附著點開始從頭到尾的掃過，開始形成個回流沖擊。這一時間飛機飛行距離決定了區域1A表面相對于初始附著點的延展部分，這個距離由飛行速度、飛機離地面的海拔高度（對于從云端到地面的沖擊）以及先導速度決定。區域1A延展部分的起點應該是飛機初始附著區域的端點。
　　3.2.2區域2的確定
　　區域2：
　　1）從區域1的直接雷擊接觸點向后有掃掠雷擊可能性的表面為區域2，在區域1的前、后邊界側向內大約0.5m范圍內的表面；
　　2）區域1C之后機身表面為區域2A；
　　3）垂尾、平尾區域1以外的為區域2A；方向舵、升降舵為區域2B。
　　3.2.3區域1、2的橫向擴張位置的確定
　　對于機翼和尾翼處，確定區域1的辦法是確定突出的弧形部分的水平切線，然后沿著切線往里延伸大約0.5m，區域1往里延伸大約0.5m的表面區域應該放在區域2中考慮。
　　3.2.4區域3的確定
　　不屬于區域1和2的表面，并且不可能有閃電附著的地方劃分為區域3。
　　3.3飛機雷擊區域劃分示意圖
　　飛機的雷擊區域的位置都是由飛機的幾何特性和飛機的飛行特性來確定的。飛機雷擊區域的終確定將由飛機雷擊附著點試驗得到。圖1為某型號單發渦槳輕型公務機雷擊區域的初步理論劃分示意圖。
　　4雷電防護設計
　　飛機結構的設計應該是在飛機遭遇雷擊時能為雷電流提供低阻抗的通路。對于容易受到雷擊放電損壞的飛機結構、系統和部件如飛機的機頭、翼尖、螺旋槳、發動機、燃油箱、活動翼面、風擋、天線等部件，必須根據其自身重要性以及所在區域的要求采取必要的雷電防護措施，以盡可能避免或減小雷電對飛機及設備自身的損害。
　　4.1 全碳纖維復合材料機體的雷擊防護
　　資料顯示，對復合材料機體進行模擬雷擊試驗，在沒有雷擊防護層的情況下，在經受60～100kA峰值電流和1.9C電荷量放電后就產生嚴重損傷，說明應用復合材料的飛機必須進行雷擊防護。
　　據了解，目前國內外多數復合材料的飛機均使用金屬絲網作為雷擊防護層，可用標準紡織工藝將金屬絲織成布或針織品。全碳纖維復合材料飛機使用銅網作為雷擊防護層。根據模擬雷擊試驗結果，具體防雷擊方案為：
　　1）對于飛機雷擊區域1，可用銅絲網做復合材料的表面防護層。銅絲網的網眼數不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.14mm；
　　2）對于飛機雷擊區域2，可用銅絲網做復合材料的表面防護層。銅絲網的網眼數不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.1mm。
　　4.1.1位于雷擊區域1的全碳纖維復合材料機體的雷擊防護
　　用于雷擊區域1的復合材料雷擊防護層必須能經受200kA的高電流沖擊和500C電荷量的傳輸。處于雷擊區域1的全碳纖維復合材料結構的防雷擊設計可在復合材料制件的外表面上鋪一層銅絲網，一次固化成制件，或將銅絲網用膠粘劑粘到復合材料制件的外表面上。銅絲網規格為：網孔數不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.14mm。
　　4.1.2位于雷擊區域2的全碳纖維復合材料機體的雷擊防護
　　用于雷擊區域2的復合材料雷擊防護層必須能經受100kA的高電流沖擊和傳輸200C的電荷量。處于掃掠雷擊的復合材料結構雷擊防護設計可采用在復合材料制件表面上粘一層銅絲網。銅絲網的規格為：網孔數不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.1mm，若有天線安裝的部位，為防止趨膚效應，銅絲直徑至少為0.14mm。
　　4.2全碳纖維復合材料整體油箱的雷擊防護
　　對于復合材料整體油箱，雷電防護設計是復合材料整體油箱設計中的關鍵技術之一。雷擊過程中的高電壓、大電流、大電量（持續高電流）對復合材料整體油箱危害極大。因此，在復合材料整體油箱設計之初，就應選擇雷電防護系統。
　　4.2.1全碳纖維復合材料整體油箱防雷擊設計的主要原則
　　1）復合材料整體油箱應布置在飛機遭受雷擊概率較小的區域，如雷擊區域2或3，盡量布置在3區。對機翼整體油箱來說，應布置在機翼的根部或中部；
　　2）在復合材料整體油箱的外表面應該為雷擊電流構建通道，這些通道應與飛機的雷擊電流傳輸通路有良好的電連接；
　　3）在油箱區，凡存在燃油、燃油蒸汽和空氣混合氣體的空間，不得因雷擊產生放電火花。
　　4.2.2全碳纖維復合材料整體油箱外部的雷電防護設計
　　由于復合材料整體油箱的上、下壁板是飛機機體結構表面的一部分，因此其雷電防護的設計思路及外表面雷電防護方法與復合材料機體的雷電防護相同。
　　4.2.3全碳纖維復合材料整體油箱內部的雷電防護設計
　　1）金屬緊固件尾部及連接細節雷電防護設計：當結構材料允許雷擊電流通過結構骨架傳導時，容易在緊固件尾部或緊固件與骨架連接處產生放電火花，為此需用密封膠覆蓋、用專用防護帽的方法或其他可靠的方法保證不產生放電火花；
　　2）復合材料緊固件：在滿足強度要求并能提供充足的緊固件品種規格和工藝保證的前提下使用。可避免將雷擊電流導入油箱內部，從而避免火花的出現；
　　3）油箱內的金屬構件：復合材料整體油箱內部應盡量避免有金屬構件。對于不可避免的金屬構件應通過搭接線與飛機金屬結構保證良好搭接，并要防止內部導體電暈和流光。
　　4）油箱內部的部件和結構設計應做到：當雷擊電流通過油箱時，不會在油箱內部產生任何可能點燃燃油蒸汽的火花。
　　4.3設備的雷電防護
　　對于設備，根據設備所執行的功能，要求設備廠商必須參照符合設備預期用途以及在飛機上安裝要求的試驗電平和波形對設備進行試驗，具體要求根據RTCA /DO 160F 第22章進行。
　　對于安裝在飛機外部的設備，還需要設備廠商進行雷電直接效應試驗，用于確定外部安裝設備耐受雷擊直接效應的能力，施加于外部安裝設備的試驗類型和嚴酷等級取決于設備指定的類別。指定的設備試驗類別應與設備安裝位置所在的雷電放電區域相符合，具體要求根據RTCA /DO 160F 第23章進行。
　　4.4雷電間接效應防護
　　飛機內電子電氣系統和部件（全機用電設備，包括發動機電氣、操縱系統等），可能會因為雷擊引起過電壓和過電流造成損壞或干擾的，要進行雷電間接效應防護。由于全碳纖維復合材料飛機的屏蔽能力比金屬飛機差，所以雷電間接效應的防護更加重要。
　　雷電間接效應通常以兩種形式出現：
　　1）雷電通過天線、空速管加溫線、航行燈導線、金屬操縱線系及各種金屬管路等，將雷電電流直接引入飛機，可能出現浪涌電壓；
　　2）沿著機體流動的雷電電流在飛機線路中、金屬操縱線系、各種金屬管路中產生的感應電壓和電流。
　　4.4.1明確設備防護的要求
　　關于電子電氣設備的雷電間接效應防護要求：
　　1）不得造成物理損壞；
　　2）不得產生立即危及飛機及其機組人員安全的干擾，或產生嚴重妨礙飛機任務完成的干擾。
　　系統和部件的雷電關鍵類別取決于其自身對飛機的重要性、所在的雷電分區以及雷電的敏感性。根據飛機的機體結構、蒙皮材料、電磁“窗口”大小（如外部非金屬區）設備的安裝部位、導線的布置、設備接口進行分析，確定瞬態控制等級（TCL）和設備瞬態設計等級（ETDL）。關鍵設備、分系統根據RTCA /DO 160F 第22章進行試驗。RTCA /DO 160F 第22章試驗波形等同SAE ARP5412A-2005的相關試驗波形。
　　4.4.2選擇設備的佳安裝位置
　　設計過程中，盡量將電子設備布置在雷電產生的電磁場弱的區域，采取的主要措施有：
　　1）電子設備盡量遠離門、窗、口蓋等開口處。對于安裝在駕駛艙、起落架艙、機翼前后緣、尾段等相對敞開區域的設備，采用金屬機箱屏蔽，對于含有數字電路和模擬電路的設備如靠近擋風板或窗口的，好用壁厚大于1mm的鋁合金做成電磁屏蔽盒；
　　2）盡可能將電子設備布置為朝向飛機結構的中心，而不布置在飛機外蒙皮；
　　3）設備安裝的設備架上能為電子設備提供接地面且與飛機接地網有良好的搭接；
　　4）金屬線系和管路應有良好的搭接。
　　4.4.3選擇線路的佳位置
　　電線、電纜應進行分類布設。
　　電纜敷設遠離門、窗、口蓋等開口處和曲率較小的結構或蒙皮。
　　線束盡可能靠近接地平面或結構件敷設，可利用成形的結構件作電纜槽，提供屏蔽。
　　盡可能使導體位于磁場強度較弱的結構角落，如避開突出的結構件頂部，盡可能敷設在“U”型件的內部。
　　當有機外未屏蔽或屏蔽效能不高區域的電線和電纜進入機身內部時，將機外所有電纜進行屏蔽保護，屏蔽層接地線應盡量短，并良好搭接，以避免遭受雷擊或外部強電磁輻射時電線和電纜上的感應電壓和電流損壞電線和電纜以及與電線和電纜連接的機內設備。
　　不要使燃油傳感器導線的走向與通氣管、導油管導向走向一致或平行。導線可以貼著蒙皮走，但應避免與雷擊電流流向一致。
　　在非金屬機翼蒙皮下的電纜，應根據導線的布設方向，用鋁箔材料或良導體金屬導線管，保護電纜導線。鋁箔材料或金屬導線管應和全機的接地網搭接，形成良好的電氣通路。
　　雷電流通過低導電率材料的蒙皮（如鈦、碳纖維）區域會產生電磁干擾，應遠離這些區域布設電纜。由于空間有限，可采用電氣隔離的方法：
　　1）可采用扭絞線作為電源線；
　　2）采用屏蔽電纜或屏蔽扭絞線，并將它們的兩端均搭接到全機的接地網上；
　　3）用瞬態抑制器，以保護電網的安全；
　　4）電氣設備和線束的安裝應滿足要求。
　　4.4.4選擇良好的接地
　　設備應根據要求選擇良好的搭接，并進行搭接電阻的檢查。
　　對全碳纖維復合材料飛機，全機設備進行良好的搭接顯得尤為重要，為方便設備的搭接，全機應構建統一的搭接網絡。
　　5結論
　　雷電對飛機的飛行安全影響較大，全碳纖維材料飛機的雷擊防護在飛機的研制過程中是非常重要的，對機體結構采用敷設銅網作為雷擊防護層是可行的。

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