復合材料飛機沉積靜電防護研究

袁海環

摘 要：早期的飛機主要由金屬材料構成，因為金屬具有良好的導電效果，可以將在空中產生的沉積靜電快速的傳到位于機翼和安定面后緣等位置的靜電放電器上釋放到機外，不至于造成災難性的損傷。但是現代飛機采用復合材料的比重越來越高，復合材料雖然具有優異的性能但是更容易產生靜電放電，但是對飛機靜電防護也提出了更高的要求。

關鍵詞：靜電防護 復合材料 沉積靜電 民航飛機

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0009-04

Abstract： the early aircraft was mainly composed of metal materials. Due to the good conductive effect of metal， the deposition static electricity generated in the air can be quickly transmitted to the electrostatic discharger located on the wings and the rear edge of the stabilizer plane and so on， so as to avoid catastrophic damage.However， the proportion of composite material used in modern aircraft is higher and higher. Although composite material has excellent performance， it is easier to generate electrostatic discharge， but it also puts forward higher requirements for aircraft electrostatic protection.

Key Words： Electrostatic protection； Composites； Deposition of static electricity； The civil aviation aircraft

1 沉積靜產生機理及危害

任何兩個不同材質的物體接觸后再分離就會產生靜電。飛機飛行過程中會因為不斷的和空氣中的顆粒碰撞、摩擦會累積大量的靜電荷 ，尤其是起降爬升階段，空氣中含有大量的雨滴、雪、塵埃、煙霧等顆粒會使得飛機表面快速產生大量的沉積靜電；另外云層之間的相互摩擦、空氣流動以及重力因素使得云層帶有不同程度的靜電荷。正電荷聚集在云層的頂部，負電荷聚集在云層下方，此外，云層最下方可能存在少量的正電荷。如圖1所示顯示的是典型積雨云中電荷分布示意圖。飛機通過帶電云層時在飛機中產生的感應電荷，也是沉積靜電的重要來源，國外研究表明通過帶電云層時可以瞬時產生數千安培的感應電流。隨著沉積靜電荷的累積，當飛機結構上某處尖端的電場強度超過某一閾值后會擊穿周圍的大氣，而發生靜放電，因為放電脈沖非常短，所形成的寬頻電磁場是造成飛機通訊、導航系統接收機噪聲的主要根源之一。進而導致通信、導航、計算機控制的失靈，甚至導致飛機的嚴重損壞或事故。有研究表明，產生的寬頻噪聲頻譜從直流到高達1000 MHz[1]，如圖2所示。這種噪聲干擾在惡劣天氣時最為嚴重，而這恰恰是飛行員最依賴通信與導航設備的時刻，所以對沉積靜電的控制非常重要。飛機上通常會設置靜電放電器來消除這種危險。

2 復合材料沉積靜電放電的特點

沉積靜電的累積與飛機所處的環境和飛機材料的電阻率有關。復合材料電阻率比一般金屬大的多，導電能力較弱，玻璃纖維甚至不具備導電性能。所以和金屬材料相比，復合材料在同等條件下積累的電量比金屬材料要大的多，所積累的電荷達到靜放電所需閾值電壓所需的的時間更短。具有放電周期短，頻次高、峰值電流更大的特點。這對飛行安全來說是非常不利的。所以需要把積累的靜電荷轉移到放靜電放電器放置的位置，以電暈放電的形式釋放出去，保證飛行安全。飛機在空中所產生的靜電荷在飛機表面的累積可視為沉積靜電充電，充電電流Ip與氣象條件密切相關，工程上通常用如下方法計算：

綜上所述在飛機氣象條件相同的情況下，可以通過增大放電器尖端的表面粗糙度，減小放電器尖端的半徑r來降低飛機電暈放電的電壓閾值Uc，使靜電放電器在積累較少的電荷時就可以使電壓值達到放電閾值電壓Uc，開始放電，增強靜電放電器的電荷泄放效能，有效地減少電荷累積。此外，通過在飛行器上合理安裝多個靜電放電器，也可以成倍增大電暈放電電流。

3 復合材料靜電防護措施

3.1 靜電放電器的布置

飛行中飛機內部電氣隔離金屬組件、非導體表面（如雷達罩、風擋、玻璃纖維板）等都可以通過電搭接或者表面噴涂導電漆等措施允許所產生的靜電荷自由移動，不會局限在某一區域積累，但是這些自由移動的靜電荷最終需要排放出去，由于尖端放電效應，自由電荷最終會聚集在飛機上尖端和曲率較大的位置，比如飛機的機翼、水平尾翼、垂直尾翼翼尖及后緣均是電荷分布密度最大、電場最強的區域，所以在這些位置上安裝靜電放電器是最合理的。如圖3所示，目前主流飛機的靜電放電器均依據這一原則布置。

3.2 復材表面靜電器的連接

復合材料的表面特性和力學性能與金屬材料不同。為了減輕結構重量，復合材料多采用蜂窩結構。但蜂窩結構本身的抗壓能力不好，如果鉚接或螺接則必須灌封或做鑲嵌件，設計和工藝都較復雜，制造也存在困難。所以粘接是最適合復合材料表面安裝靜電放電器的方式。

碳纖維或石墨是飛機上常用的具有導靜電特性的復合材料。在非閃電防護區，靜電放電器可以直接安裝其上，對純碳纖維復合材料表面打磨至去除70%的光澤即可。因為靜電放電器布置的位置也常是閃電防護區，在易受雷擊的區域需要在復材表面噴鋁或附著銅網來增加其導電能力，導電漆電阻率較大無法替代以上防雷電措施。對鋪設銅網的復合材料表面，小心打磨至露出銅網；對噴鋁的復合材料表面，小心打磨至露出噴鋁即可[7]。

芳香聚酰胺纖維或玻璃纖維也是飛機上常用的復合材料，因其成本低、易于成型，常用在垂尾整流罩、翼尖整流罩等外形比較復雜的區域。其本身是不具備導電性的材料，若處于飛機外表面，則不論是否處于閃電防護區，都必須通過增加金屬涂層、金屬絲或碳基涂層才能達到飛機外表面的導電要求（若處于閃電防護區的則不可使用碳基涂層）。

3.3 全復材靜電放電器器

目前航空制造商在選擇靜電放電器時，底座通常選用金屬材質，放電器桿選用高阻材質，安裝方式為鉚接或螺接。此種安裝方式較為成熟。但是隨著復合材料的使用比例越來越高，采用的是全復合材料高阻靜電放電器，安裝方式為粘接。某國產新支線飛機就采用全復合材料靜電放電器的設計理念在國際上是領先的。

靜電放電器安裝的位置通常處于閃電危害區。目前，全金屬的放電器已很少見，但對于底座接合區是金屬的放電器，因為該部分凸出在外，仍存在吸引雷電掛接其上的可能。一旦雷電掛接到放電器，大電流就會通過底座流向飛機結構，如果底座的搭接電阻不足夠小，就會對飛機結構造成更大的損傷，例如搭接部位的融化或燃燒。因此，對于可能被雷電擊中的靜電放電器，其底座需能承受雷電大電流，與機體的搭接電阻值必須足夠小。一旦放電器的底座接合區使用了金屬材料，底座的材料也就隨之而定，只能是金屬。對于機體表面是復合材料的情況，全復合材料放電器是一種較好的選擇。全復合材料的放電器和底座均由先進的熱塑性塑料材料制成，放電器端頭綜合為阻性桿的一部分，端頭為具有低電暈初始電壓細小的尖端。在連續放電狀態下該尖端有極高的融化溫度，故具有特別長的壽命[8]。該種放電器不會成為雷電的附著點，放電效果也不遜于含金屬的放電器。

4 結論

（1）飛機大量使用復合材料是大勢所趨，但復合材料自身結構和電阻率大的特點，對靜電防護提出了更高的要求。

（2）復合材料電阻率較金屬材料大，同等條件下積累的靜電荷比金屬材料要大，更快容易發生靜放電，具有放電周期短，頻次高、峰值電流更大的特點。

（3）可以通過增大靜電放電器尖端的表面粗糙度，減小放電器尖端的半徑r來降低飛機電暈放電的電壓閾值Uc，增強靜電放電器的電荷泄放效能，有效地減少電荷累積。

（4）對于機體表面是復合材料的情況，可以選用全復材的靜電放電器和底座，通過與機體粘接的方式連接在不破壞機體結構的情況下可以達到較好的靜電防護效果。

參考文獻

[1] CLINE J D.Electrostatic charging in flight[R].USA：Dayton-Granger Inc. 2012.

[2] USA Department of Defence .L-STD-464 Electromag-netic environmental effects requirements for systems[S].Columbus：Defense Supply Center 1997.

[3] R. Gunni et al. Army navy precipitation static project. Proc. Ire， vol. 34， pp. 156177， 234-235， April-May， 1946.

[4] H. J. Dana. Block and squirter for reduction of precipitation static. Rept. No. 15， Washington State C，lkge，Pullman， Wash， February， 1945.

[5] 杜照恒，劉尚合，魏明，等.飛行器靜電起 電與放 電模型及仿真分析[J].高電壓技術，2014，40（9）：2806-2812.

[6] R evel I，A koun G Sritham m avanh 、‘et a1.Scalling of stat ic discharg-ers on electric f ield m odelling[C]//C onference on Lightning andS tatic E lec tric ity.Seattle，USA：ICOLSE，2005：PS.

[7] 宋金澤.飛機沉積靜電可控泄放方法—靜電放電器[J].電光與控制，2013，20（8）：101-104.

[8] TALBOYS J G， BURROWS B J C.Simulated lightning tests to static discharger assemblies[R].Culham Light-ning Studies Unit 1989.