淺談民機復材機身的閃電防護設計

胡杰

【摘 要】復合材料具有較高的比強度和比剛度，已被廣泛用于機身結構上。由于復材導電性能較差，閃電會擊穿復材結構，引起結構燒蝕，使結構喪失傳載能力。因此，需對位于機身外表面的復材結構提供有效的防護措施。本文主要討論民機常用的閃電防護措施，簡要對比了火焰噴涂鋁和銅網的防護效果，可供民機設計工程師參考。

【關鍵詞】閃電防護;閃電分區;飛機設計

中圖分類號： V214.19 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0025-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.010

【Abstract】Composite materials have higher strength and stiffness，they are widely used on aircraft fuselage to gain a lighter weight.However，composite has a low conductivity and more sensitive to lightning defects.Thus，lightning protection should be considered.In this article，common lighting protections are discussed，comparison between flame spraying aluminum and copper foil film are studied，which can be a guidance to fuselage design engineers.

【Key words】Lightning protection;Lightning zoning;Aircraft design

飛機穿越不同極性空間時極易遭遇雷擊。據統計，每架飛機每年要遭一次雷擊。為了獲得更輕的飛機和更好的續航能力，復合材料已大量使用在飛機結構上。復合材料導電性能差，其對雷擊損傷也更為敏感。雷擊過程中的高電流會使復材基體產生燒蝕和蒸發。當纖維失去基體支持，將喪失強度和剛度，結構性能下降，甚至失去承載能力。為保證飛機飛行安全，必須為復合材料結構提供有效的防護措施。運輸類飛機適航標準CCAR-25是民用飛機設計的最低要求，民機結構的閃電防護設計應滿足相應條款要求。

1 閃電分區

根據閃電對飛機產生作用的方式不同，可將機體分為1區、2區和3區。

a）1區：直接雷擊附著區，最先接觸雷擊的飛機表面。主要包括機頭雷達罩、翼梢小翼、翼尖等飛機尖端部位。防護設計時不僅要防止雷電電流附著在復材構件上，又要阻止電流在復材件內部傳遞。因此需提供雷電附著點和電流的傳遞通路。常采用雷電分流條（如雷達罩的金屬輻條），或用金屬網、表面噴涂鋁等方式傳遞電流。

b）2區：掃掠區。由于飛機相對雷電有相對運動，電弧會沿著飛機飛行相反方向沖刷飛機表面，雷擊掃過的飛機表面為掃掠區。常采用導電性能好的材料覆蓋該區域結構表面，傳導性能和材料的鋪覆厚度有關。如表面噴涂鋁、金屬網、金屬箔等。

c）3區：傳導區。閃電電弧不會附著在該區域，但要傳導附著點之間的閃電電流。1區和2區以外的飛機表面都是3區，如機翼表面、平尾表面等。

不同分區遭受雷擊環境的嚴酷程度不同，其中1區受雷擊影響最嚴重，2區次之，應針對分區采用不同的防護措施以保證結構安全。

2 閃電防護措施

復合材料結構的閃電防護手段有：

a）火焰噴涂鋁：用火焰將金屬鋁熔融、氣化后，沉積到固化后復材零件表面。鋁層厚度一般為0.1～0.2mm。

b）鋪金屬網：將金屬網（銅網、鋁網）一次固化在復材零件表面。

c）鋪金屬箔：將金屬箔或金屬薄片鋪設在固化后的復材零件表面。金屬箔可以不必完全覆蓋零件表面，鋪設在緊固件連接區域。

結構設計時，采用何種防護措施，主 要考慮防護要求和工藝。雷達罩通常采用金屬輻條來傳導雷擊電流;碳纖機身蒙皮采用銅網，有些機型的翼身整流罩和小翼采用火焰噴涂鋁。

3 防護效果對比

火焰噴涂鋁是利用氣體燃燒火焰的高溫將鋁絲熔化，用壓縮空氣流將它噴射到工件表面上形成涂層。該工藝復雜，對環境要求高，而且空氣中會有大量活潑鋁顆粒，需有相應的防爆措施以保證作業安全。銅網，是從銅箔切割下來，與膠膜一起制成薄膜。不同于噴涂鋁，銅網是直接鋪貼在工件外表面，與工件一起進罐固化。較早的飛機上常使用火焰噴涂鋁工藝，隨著銅網膠膜制造技術革新，銅網的使用也越來越廣泛。火焰噴涂鋁和銅網的防護原理都是降低復材零件表面電阻，為電流提供傳遞通路，但較少有研究來對比兩者的防護效果。本文簡單估算一下銅網和噴涂鋁的電阻。

導體電阻可由下式算出：R=ρ*L/S，（ρ：電阻率，L導體長度，S導體截面積）。假設鋁層和銅網鋪覆范圍是相同的，即覆蓋長度L和寬度d相同。那么：

其中截面積S=d*t

某工藝規范規定，噴涂鋁的鋁層厚度tAl為0.1375mm。銅網的等效厚度tcu可由面密度除以體密度得出，漢高公司某型銅網等效厚度tcu=107g/m^2/8.96g/cm^3 =0.012mm。銅和鋁的電阻率為ρcu=1.75*10-8 Ω·m，ρAl=2.83*10-8Ω·m。將數據代入公式，可得：

即：銅網電阻是噴涂鋁的7倍。這個結果是可以預見的，電阻與導體截面積成反比。銅網是菱形的絲網，有效截面積小，電阻大。噴涂鋁是在寬度范圍內噴涂整層，有效截面積大，電阻小。王明廣等人[1]通過電流試驗研究了噴涂鋁和銅網對碳纖層壓板的防護能力，他們也發現火焰噴涂鋁比銅網具有更好的防護能力。

【參考文獻】

[1]王明廣等.飛機碳纖維復合材料層壓板雷電損傷特性研究，碩士論文，2017.03.作者簡介：胡杰（1987—），男，浙江人，碩士研究生，工程師，飛行器設計。