飛機雷電加固技術

莊宇

一、引言

雷電可以定義為放電路徑長度為千米計的瞬時大電流放電。當大氣中某些部分的電荷及相應的電場強度大到足以使空氣擊穿時便產生雷電。雷電可以發生在云內、云間、云地間或云與云周圍空氣之間。大多數雷電起因于在雷雨云中的電荷，人們最關心的是云對地的放電。云間和云與周圍空氣的雷電放電，相對于云中的和云對地的雷電放電少些，云地間的雷電可包括一個或多個斷續的局部放電，它可使云中負電荷區中約數十庫侖的電荷轉移到大地。

雷電對飛機產生的直接影響表現為燃燒、熔蝕、爆炸和結構變形等。這是由于雷電電弧附著、高壓沖擊波和因強電流伴隨的磁力引起的持續電流在回擊延長的間隔中流動，它會熔化或點燃固體材料。短的持續時間，大的峰值電流會通過磁力使金屬零件損壞或扭曲。電磁力大小正比于瞬時電流的平方值。

雷電對飛機的放電還會引起電氣和電子設備的損壞，在電源、信號和控制電路中的雷電浪涌是由磁感應、容性禍合、雷電脈沖在結構件和接地線電阻上產生壓降等三種成分組合而成。雷電給飛機造成嚴重的危害，為保證飛機及機載設備的安全，必須進行防護設計。飛機的雷電防護是要從遭受雷擊的可能性，保護飛機完成使命的重要性去考慮。大部分保護只能減少雷電的影響而不是防止飛機遭受雷擊。

二、雷電間接效應防護設計

（一）防護設計原則

在飛機雷電間接效應防護設計中需要明確以下概念：（1）實際瞬態電平（ATL）：是在電子設備端口處實際產生的瞬態電平；（2）瞬態控制電平（TCL）：是在電子設備端口處所允許的最大瞬態電平，設計要求TCL略大于或等于ATL；（3）設備瞬態設計電平（ETDL）：是電子設備雷電瞬態敏感度試驗的試驗電平，也是電子設備雷電間接效應防護的設計指標。雷電間接效應防護設計中ATL，TCL與ETDL之間的關系如圖1所示。要求設備的ETDL至少要大于ATL一個安全裕度，一般裕度定為6dB。

圖1 ATL，TCL與ETDL之間的關系示意圖

飛機級雷電間接效應防護應通過設備布局優化、機身結構屏蔽、線束布放與屏蔽、搭接接地等手段，降低ATL，為雷電防護爭取裕度。設備級雷電間接效應防護應通過機箱結構屏蔽、雷電防護電路設計等手段，提高ETDL，為雷電防護爭取更大裕度。

（二）防護設計措施

1.電搭接

飛機結構與結構之間、蒙皮與基本結構之間必須要有穩定的低阻抗通路，使雷電流安全通過且無過熱，同時也不會產生較大的結構電壓。對于一個搭接面，一般要求搭接電阻不大于2.5mΩ，適用于各種直接接觸的金屬面之間。對于噴涂鋁層或敷設銅網的復合材料蒙皮，搭接電阻一般控制在10mΩ。飛機上金屬結構整體的搭接電阻要求是在任意兩個金屬結構之間的電阻小于10mΩ。

2.接地

金屬飛機的結構可成功用于配電系統的回線，但絕不可用作信號或控制電路的回線。因為線路和機體結構之間環路的結構阻性電壓會形成共模干擾，疊加到系統的信號電壓上。單點接地可以有效抑制上述環路中的結構電壓。雙絞線能夠有效減少雷電感應的磁場耦合，雷電感應的磁通穿過雙絞線環時，相鄰環的反向極性會使感應電動勢相互抵消。對于含有源電子設備的系統（如電子飛行儀表系統、發動機控制系統等），應采用雙絞線作為回線的單點接地，如圖3所示。多點接地的應用如圖4所示。

圖3 雙絞線作為回線的單點接地設計

圖4 多點接地設計

多點接地要求每個LRU的殼體作為其內部所有電路的單一基準點，LRU的殼體連接最近的機體接地點。

3.結構屏蔽

雷電脈沖頻譜的主要能量集中在10kHz以下，因此，雷電脈沖對飛機蒙皮上窄縫隙的電磁穿透相對較小，結構屏蔽對飛機雷電防護設計極為有效[3]。對于復合材料結構，可在其外表面鋪一層銅絲網，銅絲網規格為網孔數不小于20×40孔/（in）2，銅絲直徑至少為0.14mm，也可在其外表面噴涂一層鋁，噴涂層厚度在雷電1區不小于0.1524mm，在雷電2區不小于0.1016mm。對于機頭雷達罩，應在其四周粘接分流條，為保證一定的透波率和雷電防護性能，需要合理設計分流條的尺寸和間距。對于開口結構，尤其是復合材料部件，可使用噴涂金屬或粘貼鋁箔的方法加以保護。

4.線纜屏蔽

電子系統的互聯電纜暴露在雷電瞬態感應磁場和機體結構電壓中應采取適宜的屏蔽措施，并對屏蔽層提供合適的接地。

不同類型的屏蔽層中，整體屏蔽層的屏蔽性能優于編織屏蔽層、螺旋纏繞屏蔽層。為了抵抗雷電感應磁場的干擾，電纜屏蔽層要兩端接地。對于較長的屏蔽層，還要求多點接地，使屏蔽電流限制在一定區域內流動，減少該電流對屏蔽線路上總感應電壓的影響。

屏蔽層的接地方式有若干種，其中，能獲得最佳屏蔽性能的是360°端接，外屏蔽層與設備連接器后殼體進行360°圓周連接，且該連接器殼體與設備外殼之間應有較低的直流電阻，如圖5所示。

圖5 屏蔽層360°接地設計

5.設備安裝和線纜布線

電子設備應布置在雷電瞬態感應磁場最弱和結構電壓最小的區域，盡可能安裝在屏蔽良好的設備艙或設備柜內，遠離電磁開口處，如風擋、窗戶、艙門、檢修口蓋、整流罩等，遠離飛機外蒙皮，尤其要遠離飛機頭部，即主雷電流路徑曲率半徑最小處。設備殼體與設備臺架之間最好采用金屬面與面的直接接觸搭接，也可采用最短的搭接線進行搭接。設備臺架應具有高導電性，與機體結構良好搭接。

線纜的敷設也應遠離電磁開口，遠離飛機外蒙皮和結構件曲率半徑最小處。另外，線纜應盡可能靠近機體結構件，使穿過線纜和機體結構所形成環路的磁通量減至最小。若機身存在結構U形件，將線纜置于其中的凹槽，將會提供更好的屏蔽作用。

三、結語

雷電作為自然界中的強干擾源，可能會對飛機的飛行安全構成嚴重威脅。我國雖已將雷電防護列入民用航空規章，但是在飛機雷電間接效應防護設計和適航驗證方面仍處于探索階段。

參考文獻

[1]方君，戴邵武，聶子健.軍用特種飛機雷電間接效應防護研究[J].儀表技術，2018（05）：46-49.

[2]段澤民.飛機雷電防護概述[J].高電壓技術，2017，43（05）：1393-1399.

[3]李亞美. 飛機天線罩雷電防護設計仿真研究[D].河北工業大學，2016.

[4]黃軍玲，周利軍，謝家雨，高強.飛機雷電間接效應仿真與研究[J].科學技術與工程，2015，15（07）：104-110.