民用飛機靜電放電器布置安裝設計

崔英男

民用飛機靜電放電器布置安裝設計

崔英男

崔英男

中航沈飛民用飛機有限責任公司

靜電放電器用來平穩的泄放飛機上積累的電荷，防止產生過大的無線電噪聲對于飛機的通訊導航等系統造成干擾。本文首先簡要介紹了靜電放電器的特性，繼而給出靜電放電器較為詳細的布置設計方法，并結合某新型支線客機工程經驗對該機型靜電放電器布置設計進行分析。對民用飛機靜電防護設計具有一定的指導意義和實用價值。

1 前言

飛機表面在飛行中會累積大量靜電荷，這些靜電荷自然耗散時會產生寬頻譜電磁干擾，干擾頻譜高達1000 MHz，對飛機通訊、導航設備干擾嚴重，影響飛機安全飛行。試驗證明，受靜電放電影響甚高頻全向信標的航向誤差可達10°左右。因此需合理地設計、安裝靜電放電器以降低由靜電放電產生的電磁干擾，使其對飛機系統的影響降到最低。

2 靜電放電器

靜電放電器的尖端相比飛機結構的尖端具有更大的曲率，在相同的電勢下能產生更高的電場強度，因此靜電放電器能夠在較低的電勢下產生電暈，降低了靜電在機體的積累程度。由于放電電勢較低，放電的能量較小，從而對導航等設備產生的干擾也隨之降低。通常要求靜電放電器對于靜電放電干擾在50mA的電流下取得優于50 dB的降噪性能。

靜電放電器主要有兩種類型：后緣型放電器與尖端型放電器。后緣型通常安裝在機翼和安定面后緣；尖端型安裝在飛機翼尖、安定面及尾椎的尖端。兩種類型放電器均由3部分構成：尖端部分、阻抗元件和放電器底座。放電器底座通過螺接、鉚接或膠接方式安裝在飛機表面，當放電器損壞時，直接將放電器從底座上取下更換即可。

目前民機設計中多使用全熱塑復合材料高阻靜電放電器，此類靜電放電器和底座均由熱塑性塑料制成，放電器的尖端部分與阻性元件整合為一個部件，具有安裝方便、結構簡單、功能組件壽命長、放電性能好、與復合材料結構相容性好等優點。而且由于全復合材料放電器不含有金屬組件，遭受雷擊造成放電器損壞的風險相對含金屬部件的放電器要小。

3 靜電放電器的數量及布置安裝設計

靜電放電器數量計算

計算靜電放電器數量首先應確定飛機飛行過程中的最大沉積靜電充電電流。最大沉積靜電充電電流計算公式為，

式中I 為靜電充電電流；qp為每粒子帶電荷量（庫倫/粒子）；c 為粒子濃度；V 為飛機速度（m/ s ）；Aeff為有效的飛機正面面積其中Apf表示飛機的投影正面面積（m2）；K 為有效面積因子，巡航時K 取0.5，進近、著陸和起飛時K取0.25。

最大充電電流的計算流程如下，首先選擇飛機飛行狀態（即起飛、巡航、進近或著陸），根據不同飛行狀態選擇合適的真空速（TAS）V。根據飛機各個部段的幾何尺寸，可計算不同飛行狀態下的總正面面積Apf。再根據選取飛行狀態對應粒子的物理參數qp、c，就可利用上述公式完成某一飛行狀態下的充電電流計算。重復上述過程，對其它飛行狀態進行充電電流計算。最后對所有計算結果進行評估，確定充電電流最惡劣的情況（充電電流最大）。

根據上述步驟，對飛機在各個飛行階段中的沉積靜電充電電流進行計算。取其中最大充電電流，為獲得飛機最大派遣率，飛機所需靜電放電器數量應為N=Imax/imin+2。式中N 為靜電放電器的數量；Imax為飛機的最大沉積靜電充電電流；imin為靜電放電器的最小持續放電能力，設定數值為50 μA，這是對靜電放電器放電能力的保守估計。

布置設計

靜電放電器主要布置在電暈發生的尖端部位，靜電荷較集中的地方。機翼尖端部位的后緣、垂直和水平尾翼的后尖部位是最主要的布置部位。

通常將第一個放電器放在最外部，第二個放在第一個向內約0.5 m處。其余的可放在距離0.5 m到1 m處。放電器的位置可依安裝方便作少量調整，但應避免靜電放電器相距小于30 cm以防相互屏蔽而起不到應有的作用。還應在機翼和尾翼翼尖安裝1到2個尖端型放電器，用以提供冗余防護。

某型號飛機靜電放電器數量計算及其布置設計

某型號飛機為新一代民用支線客機，其載客量分別為110人。

根據該型號主要外部結構尺寸，再結合亞音速飛機沉積粒子參數，可依據3.1節中的計算流程得出該型號飛機在不同飛行狀態下的沉積靜電充電電流，如表1。

表1 某型號飛機各個飛行狀態沉積粒子參數及沉積靜電充電電流

所以，依據公式N=Imax/imin，我們可以算出

N=1655.34μA/50μA=33.1。即需安裝34個靜電放電器。但考慮到冗余設計，靜電放電器安裝推薦數目為34+2=36個，最小數目為34-34×20％=28個（即將設計中所有冗余考慮全部去除）。

根據3.2中的布置設計原則，從外端起第1 至第2個放電器間間距取0.3 m，從第2個起均相距0.6 m。由此得到該型號飛機的靜電放電器布置如下：左右翼稍小翼各布置4個后緣型放電器；左右翼尖后緣各布置后緣放電器6個；左右升降舵尖端后緣各布置后緣型放電器3個、尖端型放電器1個；方向舵和垂直安定面后緣布置后緣型放電器4個、尖端型放電器1個；尾椎布置后緣型放電器3個。總計布置后緣型放電器30個，尖端型放電器6個，共36個。

靜電放電器的安裝

靜電放電器可通過鉚接、螺接或粘接方式固定在機體表面。對于全復材靜電放電器通常使用導電膠膠結的方式安裝在飛機表面。金屬底座靜電放電器的金屬底座可通過螺接或鉚接安裝至飛機表面，通過緊固件搭接與貼合面搭接取得較低的搭接電阻。但是金屬底座材料應與飛機蒙皮兼容，注意防止發生電化學腐蝕。底座安裝后應進行添角密封，避免水蒸氣進入貼合處造成腐蝕。全復合材料放電器更適合通過膠接方式安裝于復合材料蒙皮表面，膠結安裝時可使用導電膠或非導電膠，但使用非導電膠必須保證放電器與機體緊密壓緊接觸，否則存在不導電的風險。

后緣型放電器的安裝應盡可能和正常的氣流方向保持一致，尖端型放電器可接受最大不超過22.5°的傾角。底座距機翼后緣應在13 mm以內，但必須保證在任何擾動的情況下，靜電放電器的任何部位不會觸碰機體。

使用導電膠膠結安裝的形式，應確保導電膠不含金屬與碳材料，與金屬和復合材料結構兼容，不會腐蝕底座和機體。完整安裝后，系統的阻值應該在6至150 MΩ之間。不同部件的典型測量值應分別為：導電膠電阻大約1 MΩ，底座電阻大約1 MΩ，尖端部分電阻15至40 MΩ。

4 結束語

從工程經驗看來，合理選擇靜電放電器的類型、數量以及安裝的位置和形式，能夠有效降低沉積靜電對通訊導航等設備的干擾，減小對飛機安全飛行的影響。但需要注意選擇合適的靜電放電器產品以及安裝方式。安裝形式以及安裝工藝的選擇對于靜電放電器的性能有著直接且重要的影響。對于膠結安裝形式，導電膠的性能對于整體防護性能有很大的影響。最后靜電放電器的防護效果必須通過相應試驗給予驗證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.069