飛機(jī)雷電危害與防護(hù)設(shè)計(jì)分析

李勇軍 趙鵬飛 吳 濤 丁兆宇

（國營蕪湖機(jī)械廠，蕪湖 241007）

1 引言

雷電是大氣層中的一種自然現(xiàn)象，全球平均每天發(fā)生的雷電次數(shù)約為800萬次，其中200kA以上電流強(qiáng)度的雷電流占總數(shù)的0.5%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每架民航飛機(jī)平均每年要遭受約1次雷擊事故，而一架軍用戰(zhàn)斗機(jī)在其使用壽命內(nèi)平均要遭受到2次雷擊事件，由雷擊所造成的安全問題和事故時(shí)有發(fā)生，有時(shí)甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。現(xiàn)代飛機(jī)由于大量采用了先進(jìn)電子設(shè)備和復(fù)合材料，從而對雷電效應(yīng)變得更加敏感。因此，為了將大氣雷電環(huán)境對飛機(jī)飛行安全的影響降至最小，飛機(jī)對雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

2 雷電對飛機(jī)的危害

雷電對飛機(jī)的危害總體來說可分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，但是雷電造成的危害往往同時(shí)包括以上兩種效應(yīng)，如對燃油系統(tǒng)的危害等。

2.1 雷電的直接效應(yīng)危害

直接效應(yīng)是飛機(jī)因雷電通道直接附著和電流傳導(dǎo)而產(chǎn)生的物理損壞效應(yīng)，包括磁力效應(yīng)、聲沖擊效應(yīng)、熔穿和沖擊波效應(yīng)、金屬導(dǎo)體升溫、起弧等。

如果雷電流擴(kuò)散并流經(jīng)雷電的進(jìn)入點(diǎn)和雷電離去點(diǎn)之間的整個飛機(jī)機(jī)身，則雷電流在飛機(jī)大部分位置上的電流密度都較低，一般不會對飛機(jī)造成物理損壞。但是，若雷電流流經(jīng)路徑上的結(jié)構(gòu)部件之間有不良連接，則可能造成結(jié)構(gòu)部件之間的起弧現(xiàn)象，從而引起飛機(jī)的物理損壞。此外，在進(jìn)入點(diǎn)或離去點(diǎn)附近的電流路徑覆蓋區(qū)域內(nèi)，電阻性加熱和磁力集中可能導(dǎo)致這些區(qū)域的物理損壞，加上來自雷電通道的爆破力和強(qiáng)熱的沖擊，破壞可能會更大。

如果雷電流通道在金屬表面的接觸時(shí)間足夠長，會造成接觸點(diǎn)表面的熔化，從而造成弧根燒蝕，使得飛機(jī)表面產(chǎn)生連續(xù)凹痕或燒出孔洞的現(xiàn)象。雷電通道除了可能在飛機(jī)后緣處駐留時(shí)間較長從而燒穿更厚的機(jī)身蒙皮外，一般情況下燒出孔的蒙皮厚度均小于1mm。金屬蒙皮或結(jié)構(gòu)可能因雷電附著點(diǎn)附近的雷電強(qiáng)磁場力而變形，如果結(jié)構(gòu)不夠堅(jiān)固，可能會出現(xiàn)變形和斷裂，除了輕薄表面外，飛機(jī)可能被磁力損壞的部位包括集中電流通路上的搭接片，非金屬結(jié)構(gòu)上的雷電分流條、天線、空速管等。

遭受雷電電流的導(dǎo)體會產(chǎn)生阻性加熱，若導(dǎo)體電阻率過高或截面積過小而不能充分傳導(dǎo)雷電流，會導(dǎo)致雷電流在導(dǎo)體中儲存相當(dāng)大的能量，從而使導(dǎo)體溫度急驟上升。電阻性能量聚集與雷電電流的作用積分成正比，對于任何導(dǎo)體，均可導(dǎo)致其熔化或氣化爆炸，因小直徑導(dǎo)體的爆炸氣化會產(chǎn)生破壞性，當(dāng)該爆炸的導(dǎo)體位于復(fù)合材料的封閉區(qū)域內(nèi)時(shí)，損壞最為嚴(yán)重。圖1為小直徑線束氣化引起的雷達(dá)罩爆炸性損壞。

圖1 小直徑線束氣化引起的雷達(dá)罩爆炸性損壞示例

2.2 雷電的間接效應(yīng)危害

間接效應(yīng)是指飛機(jī)受到雷擊而造成機(jī)載電氣設(shè)備的損壞或故障，即使雷電沒有接觸到飛機(jī)的電氣線路，雷擊同樣可以在飛機(jī)電氣線路中產(chǎn)生感應(yīng)電流浪涌和感應(yīng)電壓，從而對機(jī)載電子設(shè)備產(chǎn)生破壞。例如，當(dāng)飛機(jī)遭到雷擊時(shí)，間接效應(yīng)可造成導(dǎo)航設(shè)備和駕駛艙儀表運(yùn)行受到影響，產(chǎn)生計(jì)算機(jī)擾動、系統(tǒng)斷路器跳開等破壞。雷電間接效應(yīng)與雷電電流注入機(jī)身的相關(guān)電磁場及其與電壓的升高程度有關(guān)，盡管飛機(jī)金屬蒙皮提供了較好的電磁屏蔽效果，但部分電磁場仍可穿透縫隙或窗戶，并在飛機(jī)電氣線路中感應(yīng)出瞬態(tài)電流或電壓浪涌，飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)接頭和非金屬結(jié)構(gòu)電阻使飛機(jī)內(nèi)設(shè)備之間產(chǎn)生浪涌電壓，浪涌電壓又反過來干擾或損壞飛機(jī)的電氣設(shè)備。

雷電間接效應(yīng)危害的對象是飛機(jī)電路和設(shè)備，并可能出現(xiàn)在飛機(jī)內(nèi)的任何地方，如遠(yuǎn)離雷電附著點(diǎn)的設(shè)備處。表1為航空公司統(tǒng)計(jì)的214次雷擊后得出的雷擊間接效應(yīng)影響飛機(jī)設(shè)備工作情況的統(tǒng)計(jì)表。

2.3 雷電對燃油系統(tǒng)的危害

飛機(jī)燃油系統(tǒng)通常分布在飛機(jī)機(jī)身各區(qū)域，占用飛機(jī)相當(dāng)大的空間，其中包括飛機(jī)油箱、管路系統(tǒng)及相關(guān)控制裝置等。雷電對燃油系統(tǒng)造成的危害是影響飛行安全的關(guān)鍵因素之一，燃油系統(tǒng)具有引燃能量低、分布區(qū)域廣、引燃因素多及系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，只需要傳導(dǎo)1A電流強(qiáng)度的電弧就可以點(diǎn)燃碳?xì)浠衔镱惖娜加驼魵狻＠纂娍梢詫⑸锨О驳碾娏髯⑷腼w機(jī)，并通過裝滿燃油蒸氣的油箱結(jié)構(gòu)，在一些未經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)接頭或管路接口處很容易產(chǎn)生電弧或火花，導(dǎo)致飛機(jī)油箱起火燃燒或爆炸。

表1 雷擊間接效應(yīng)影響飛機(jī)設(shè)備工作情況統(tǒng)計(jì)（214次雷擊）

3 飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

雷電會給飛機(jī)造成各類嚴(yán)重危害，因此為了保證飛機(jī)和機(jī)載設(shè)備的安全，必須進(jìn)行嚴(yán)格的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)工作。雷電防護(hù)設(shè)計(jì)只可能減少雷電的影響，而不能完全避免飛機(jī)遭受雷擊。雷電最初從一個點(diǎn)附著進(jìn)入飛機(jī)并從另一個點(diǎn)離開，通常這些附著位置都是飛機(jī)的兩端，如機(jī)頭或翼尖。飛機(jī)上還有一些雷電不可能附著的區(qū)域，以及僅在整個雷電持續(xù)時(shí)間的一小部分時(shí)間內(nèi)容易遭受附著的區(qū)域，因此在進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)雷電預(yù)計(jì)分量及影響程度對飛機(jī)表面進(jìn)行雷電分區(qū)，典型的飛機(jī)雷電附著分區(qū)情況如圖2所示。

圖2 飛機(jī)的雷電附著分區(qū)情況

（1）1A區(qū)：首次雷擊區(qū)，一般為機(jī)頭、機(jī)翼、尾翼、尾錐及其他明顯的突出物。

（2）1B區(qū)：首次雷擊區(qū)，具有較長的懸停時(shí)間。

（3）1C區(qū)：首次雷擊的過渡區(qū)。

（4）2A區(qū)：掃掠通道區(qū)，位于1A后方的機(jī)身、機(jī)翼區(qū)域。

（5）2B區(qū)：掃掠通道區(qū)，并具有較長的懸停時(shí)間。

（6）3區(qū)：除去以上區(qū)域，都劃分為3區(qū)，3區(qū)是雷電附著概率最低的區(qū)域，但也可能會成為雷電傳導(dǎo)的通道。

不同飛機(jī)的各個區(qū)域劃分取決于飛機(jī)的幾何形狀和飛行特性，試驗(yàn)人員可以在飛機(jī)的等比例模型上進(jìn)行雷電附著點(diǎn)試驗(yàn)。根據(jù)一般飛機(jī)的雷擊經(jīng)驗(yàn)，對不同區(qū)域的產(chǎn)品需開展不同要求的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)工作。如在1A首次雷擊區(qū)的雷擊導(dǎo)電通道應(yīng)具有傳輸200kA峰值電流、1～2s內(nèi)傳輸200C電量的能力；在2區(qū)掃掠通道區(qū)內(nèi)，導(dǎo)電通道應(yīng)能夠傳輸100kA峰值電流，且不會造成高熱和著火現(xiàn)象。雷電電流流經(jīng)的所有各處都應(yīng)采取雷電防護(hù)措施，如雷達(dá)天線罩、航行燈、燃油加油口蓋、天線、座艙蓋、全靜壓管、翼尖和翼尾、油箱掛架、升降舵及襟副翼等。

3.1 雷電直接效應(yīng)防護(hù)

3.1.1 對金屬結(jié)構(gòu)直接效應(yīng)的防護(hù)

針對雷電對飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)造成的熔穿、阻性加熱、起弧等多種危害，應(yīng)分別采取不同的防護(hù)措施。例如，為防止雷電對飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)造成熔穿現(xiàn)象，最直接的方法是使用足夠厚的金屬薄板作為蒙皮，防止其不被完全熔穿，同時(shí)也可采用弧根分散和多層組合等方法進(jìn)行防護(hù)；為避免阻性加熱，嚴(yán)格控制飛機(jī)結(jié)構(gòu)間的電阻值，在雷電電流流經(jīng)的各個端點(diǎn)都應(yīng)具有良好的電氣連接性能，例如，翼尖到翼尖、水平安定面到機(jī)頭金屬部件之間的整體電阻值應(yīng)小于5mΩ。

3.1.2 對不導(dǎo)電復(fù)合材料的防護(hù)

由于電場可以穿透樹脂、玻璃纖維等不導(dǎo)電復(fù)合材料的表面，流光和迎接先導(dǎo)可能從不導(dǎo)電蒙皮下的導(dǎo)電物體上發(fā)生，并可能在這些蒙皮上造成穿孔，并對周圍材料造成重大損壞，對此設(shè)計(jì)人員通常采用整體式和分段式的分流條進(jìn)行保護(hù)。對于不要求電磁透波的地方，可將導(dǎo)電涂層應(yīng)用于不導(dǎo)電表面，以便將雷電電流傳導(dǎo)至機(jī)身進(jìn)行防護(hù)。

3.1.3 對導(dǎo)電復(fù)合材料的防護(hù)

雷擊可能導(dǎo)致碳纖維制成的導(dǎo)電復(fù)合材料中樹脂發(fā)生高溫?zé)峤猓纱水a(chǎn)生的沖擊波效應(yīng)也會造成層板的破裂損壞。為了防止該類情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)人員需采用提高電導(dǎo)率與弧根分散的方法對機(jī)載的導(dǎo)電復(fù)合材料進(jìn)行防護(hù)，如使用延展金屬箔、交互編織金屬絲等防護(hù)方式。

3.2 雷電間接效應(yīng)防護(hù)

雷電間接效應(yīng)形成的感應(yīng)會對飛機(jī)電子電氣設(shè)備與系統(tǒng)造成干擾、故障或損壞，因此需要進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，控制飛機(jī)電纜中的雷電感應(yīng)電壓和電流，提高電子電氣設(shè)備的耐受能力。間接效應(yīng)防護(hù)的最低要求是間接效應(yīng)不能造成機(jī)載電氣設(shè)備的物理損壞，不能對飛機(jī)和飛行人員有安全威脅的干擾，包括向機(jī)組人員傳遞對飛機(jī)安全構(gòu)成威脅的各類誤導(dǎo)性信息。

對雷電間接效應(yīng)的防護(hù)方法通常為利用飛機(jī)結(jié)構(gòu)所能提供的屏蔽，避免將設(shè)備和線路布置在最易受雷電電磁場影響的區(qū)域內(nèi)，對機(jī)上線路采用良好的屏蔽和接地措施，設(shè)計(jì)提高機(jī)載設(shè)備的防護(hù)性能，達(dá)到滿足安全裕度的要求。圖3為屏蔽層接地的若干形式。

圖3 屏蔽層接地的若干形式

3.3 飛機(jī)燃油系統(tǒng)防護(hù)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行雷電防護(hù)的主要目標(biāo)是在飛機(jī)受到雷擊時(shí)防止燃油點(diǎn)燃而損壞飛機(jī)，燃油系統(tǒng)防護(hù)包括油箱本身、油箱通氣管路、燃油排放管路、油箱檢修口、燃油輸送管路、電氣控制裝置與儀表等。

整體油箱的蒙皮結(jié)構(gòu)使燃油直接與飛行器外蒙皮的內(nèi)表面接觸。飛機(jī)掛架或翼尖所攜帶的外部燃油箱也屬于整體型油箱。如果整體油箱蒙皮位于雷電附著區(qū)，則須采取措施確保雷電不會熔穿油箱蒙皮，或防止蒙皮內(nèi)表面受熱升溫至燃油蒸氣的燃點(diǎn)。典型的燃油箱加油口蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖4所示，圖4（a）中給出了在沒有防護(hù)措施的加油口蓋內(nèi)表面上發(fā)生打火的位置，圖4（b）表示了可成功阻止內(nèi)部打火的加油口蓋設(shè)計(jì)形式。

圖4 燃油箱加油口蓋的設(shè)計(jì)

4 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢

我國對飛機(jī)的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)研究起步較晚，以前對飛機(jī)的雷電防護(hù)要求主要集中于個別潛在危害區(qū)域，如燃油箱、天線及其它外部“進(jìn)入點(diǎn)”，缺少整體系統(tǒng)性的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)理念。近年來，隨著對飛機(jī)遭受雷電及其效應(yīng)認(rèn)識的增加，飛機(jī)雷電防護(hù)要求和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都發(fā)生了巨大的變化。中國民用航空局（CAAC）在跟蹤借鑒美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）關(guān)于雷電防護(hù)要求的基礎(chǔ)上，發(fā)布了完整的國內(nèi)雷電防護(hù)適航管理?xiàng)l款，明確規(guī)定了對飛機(jī)機(jī)身、燃油系統(tǒng)、電子、導(dǎo)航系統(tǒng)及其他系統(tǒng)的防護(hù)要求。目前，我國新型軍民兩用飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造均需開展嚴(yán)格的雷電防護(hù)合格審定，確定雷擊區(qū)域和雷電環(huán)境，制定防護(hù)準(zhǔn)則，對飛機(jī)各個部分進(jìn)行相關(guān)的雷電防護(hù)措施設(shè)計(jì)，以期將雷電對飛機(jī)的危害降到最低，保證機(jī)上機(jī)組人員與所有乘客的飛行安全。