復合材料尾翼結構導電通路設計研究

鐘 濤，譚小輝，譚一鳴

（中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司，陜西?漢中?723000）

飛機設計的發展變革是一代代新材料的發展變革推進的，可以說“一代材料，一代飛機”。從初期的布、木材等材料發展到鋁合金材料一直到現在的復合材料，飛機的每一次重大設計技術變革都是隨著材料的發展進行的。目前，復合材料在飛機上大量應用，復合材料的用量已經成為飛機先進性的一個重要衡量指標。但隨著復合材料的大量應用，之前一些在金屬機體結構上使用的設計方法、設計思路已經無法適用，一些在金屬機體結構上不考慮的問題需要在復合材料結構上重點考慮，復合材料結構的導電通路設計就是這類問題。

目前，國際上大量的先進復合材料是碳纖維/環氧類復合材料。環氧樹脂是絕緣體，碳纖維雖然是導體，但是無法實現搭接并且電阻較大，所以整個復合材料結構是電的不良導體，無法達到形成導電通路的條件。現在，國際上先進的飛機大量使用復合材料，采用各類方式建立導電通路，保證機體結構電完整性。比如空中客車公司最新的客機A350XWB，在機身上大量使用復合材料壁板的條件下，仍然保留了鋁合金框架。除了工藝、成本等方面的考慮外，很大程度上是由于建立使用復合材料壁板的條件下建立導電通路的原因。

以某飛機復合材料尾翼設計為例，對復合材料導電通路設計進行研究。

1??復合材料尾翼的功能和結構特點

尾翼是安裝在飛機尾部的一種裝置，一般由安定面和舵面組成。安定面主要用于增加飛機飛行的俯仰和方向穩定性，尾翼舵面可以用來控制飛機俯仰、偏航和傾斜以改變飛機的飛行姿態。

復合材料尾翼是單垂尾、低平尾布局。垂平尾均采用雙梁式多肋結構，與機身使用接頭連接，接頭與尾翼大梁連接。舵面位于尾翼后部，采用多支臂方式懸掛于尾翼后部，垂尾和平尾相互對立，無直接連接關系。

2??復合材料尾翼的導電通路要求

復合材料尾翼的導電通路要求主要有以下幾點：

（1）保證尾翼與金屬機身為等勢體，電氣上是一個整體；

（2）機身和尾翼之間建立靜電通路，保證在靜電放電器上釋放靜電；

（3）在雷擊條件下保證尾翼結構無損傷；

（4）防止內部結構的損壞；

（5）保證外部安裝設備的電搭接。

依據以上復合材料尾翼的導電通路設計要求，對部件表面、內部骨架和電搭接進行專門設計，保證飛行安全和設備安全。

3??復合材料尾翼導電通路設計

復合材料尾翼導電通路設計采用3種方式進行，具體如下：

（1）表面金屬化的方式，主要目的是使復合材料表面和金屬機身表面消除電位差，實現靜電放電器與蒙皮的搭接電阻最低。

表面金屬化的方法主要有3種：一是表面噴涂金屬；二是表面鋪貼金屬網；三是表面復合金屬網膠膜。表面噴涂金屬需要對制件表面進行粗糙化處理，且需要大型的設備，成本較高，同時噴涂的是海綿化的金屬，如果封邊被破壞，很容易吸水脫落，近些年新型飛機使用越來越少；表面鋪貼金屬網需要在鋪放完畢后在表面增加一層復合材料保護層，工藝復雜，效率較低，不推薦使用；一般來講，復合材料尾翼采用的是表面復合金屬網膠膜的方法進行表面金屬化處理。

表面復合金屬網膠膜與產品一同成型固化，無需多余工藝和材料。但需要注意，一般按照雷擊分區在1區和2區、靜電放電器連接區，以及安裝設備需要電搭接的部位，要選擇高密度小網眼的復合金屬網膠膜，其他雷擊分區在3區的選擇低密度大網眼的復合金屬網膠膜以降低結構重量。

飛機尾翼翼尖部位及其后緣容易大面積積聚靜電荷。在這些部位需要設置靜電放電器，主要用于降低機體表面電暈門限電壓，以低噪聲方式相對平穩地釋放機體上的靜電荷，要求在靜電放電器與機體表面之間建立導電通路，搭接電阻應小于0.1～0.5Ω，使電荷不從機體表面釋放而全部由靜電放電器釋放。需要注意的是，在復合材料表面一般采用高阻放電器，而不采用低阻放電器。

（2）建立內部導電框架的方式，采用金屬梁、肋骨架或者金屬帶板搭接方式，主要目的是使內部形成完整的導電通道，將內部可能產生的靜電、雷電通過框架導通到金屬機身上，避免產生內部破壞。

由于重量、功能等方面的限制，飛機尾翼大梁和肋均采用復合材料結構，需要另外專門設計導電通路。尾翼安定面和舵面的上下端肋由于傳力要求采用鋁合金肋，同時在復合材料前緣在大梁處與蒙皮對接部位設置鋁合金對接帶板并且與上下端肋充分搭接，從而形成一個導電回路，同時下端肋通過翼身對接接頭與機體導通。

如有必要，在復合材料肋、梁與蒙皮連接面設計金屬箔與導電回路搭接，形成對復合材料梁、肋的保護。同時舵面懸掛接頭與梁連接時應通過連接件或其他方式與安定面上的金屬部分導通，形成穩定通路。

（3）采用搭鐵線的方式，在接頭、活動鉸鏈的部位設置搭鐵線，保證各安定面、舵面與機身是電連續的，同時保證雷擊大電流不通過活動部件，以免造成損壞，影響飛機操縱。

作為傳遞雷電流的搭鐵線雷電流不直接附著的情況下，銅線截面積不小于20mm2，鋁線截面沖擊載流能力與銅線相當，搭鐵線要求連接牢固，不影響舵面活動；舵面與安定面之間的搭接電阻不大于5000μΩ[1]。

同時，為了滿足靜電放電要求，安定面頂部整流罩應采用金屬結構，保證其與導電通路之間的搭接電阻同樣不大于5000μΩ[1]。

按照以上的設計，整個垂尾、平尾分別形成完整的導電通路與金屬機身導通，保證靜電、雷電等有合理的通道釋放，保護結構本體不出現損壞，設計完成后需要對復合材料尾翼結構導電通路效果進行驗證。

4??復合材料尾翼結構導電通路驗證

復合材料尾翼結構導電通路效果目前主要通過表面電阻測試實驗和雷擊實驗進行考核。

4.1??表面電阻測試實驗

復合材料尾翼結構靜電通路可以通過表面電阻測試進行考核，按照表面電阻測試一般要求，用歐姆表測試單位面積內取樣點之間的電阻率。目前，國內沒有明確的飛機表面電阻測試標準，采用各飛機各編制的測試要求，測試結果不高于相同測試條件下相同飛機的金屬機體表面電阻，即認為符合要求。

4.2??雷擊實驗

復合材料尾翼末端位置同時存在雷電1區和2區，雷擊條件復雜，無法通過仿真模擬進行考核驗證，必須通過1∶1模型雷擊實驗進行驗證，必要時進行雷擊后損傷部件剩余強度實驗，以考核導電通路的設計合理性和防雷擊措施的有效性。雷擊實驗按照相關標準RTCA/DO-160《機載設備環境條件與測試規程》[2]、HB6167.25《雷電直接效應實驗》[3]和GJB3567A《軍用飛機雷電防護鑒定實驗方法》[4]，實驗方法成熟，考核依據明確。

實驗時尾翼安定面和舵面應該組合進行并按實際情況連接搭鐵線，以測試雷電流是否完全由搭鐵線導走和驗證雷電流對軸承、懸掛接頭等的實際破壞情況。

5??未來復合材料結構導電通路設計展望

未來，復合材料導電性主要通過導電纖維和導電樹脂兩方面的研究進行發展。

5.1??導電纖維

導電纖維是指在聚合物中混入導電介質所紡制成的化學纖維或金屬纖維、碳纖維等，具有優異的消除和防止靜電的性能，且比電阻值持久不變并基本上不受濕度影響。目前按導電成分劃分，導電纖維主要有4種：金屬纖維、炭黑系纖維、導電型金屬化合物纖維和導電高分子型纖維。

但是，目前使用的導電纖維導電填料的用量過大，分散性與取向性較低，比重大；纖維的力學性能相對較差；制備與加工成本高；成型工藝較差，技術實用化低，無法大規模應用。

導電纖維在改善以上問題后，可以在飛機結構件上使用。同時更先進的碳納米管/聚合物復合材料正在迅速發展，該類材料在機械性能和其他性能優異的條件下大幅提高結構的導電性能，甚至可以接近金屬材料，在不改變結構構型的條件下，可以做到結構導電通路與金屬相同。

5.2??導電樹脂

由于樹脂屬于有機高分子化合物，本身的導電性極差，可以視為絕緣體。導電樹脂就是一種導電高分子材料，導電高分子材料分為結構型導電和復合型導電兩大類。結構型導電高分子材料（或稱本征高分子導電材料）是指分子結構本身能導電或經過摻雜處理之后具有導電功能的共軛聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。復合型導電高分子材料是指以聚合物為基體，通過加入各種導電性填料（如炭黑、金屬粉末、金屬片、碳纖維等），并采用物理化學方法復合制得的，既具有一定導電功能又具有良好力學性能的多相復合材料。

目前產業化應用主要是復合型高分子材料，其制備方法、加工成型與一般高分子材料基本相同或類似，制備方便，有較強的實用性，故已較為廣泛應用。但是在復合材料結構件上，該類材料由于有其他材料摻入，所以機械性能相對下降，對結構強度影響較大，不宜使用。

未來導電高分子材料樹脂應該向結構型導電高分子材料發展，該類材料在保持自身機械性能的條件下提高了導電性能，作為結構件的機體材料具有廣闊的發展空間。目前，結構型導電高分子材料由于結構的特殊性與制備及提純的困難，大多還處于實驗室研究階段，獲得實際應用的較少，而且多數為半導體材料。但是隨著材料科學的進步，該類高分子材料為機體的復合材料能夠成為一個前沿發展方向。

6??結束語

復合材料尾翼結構導電通路設計，目的在于充分考慮結構在電氣方面的要求，通過合理布置、選材、表面處理和電搭接等方式，使結構之間保持穩定的低阻抗通路，防止靜電、雷電等對復合材料結構的破壞。畢竟，飛機尾翼導電通路的設計優劣直接影響飛行性能和安全。