民用飛機短艙復合材料結構雷電直接效應試驗驗證方法及漆層厚度影響研究

王加成 林 森 彭 森

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

對于人類的飛行活動來說，雷電是危及到飛行安全的。作為大氣層中的自然現(xiàn)象，雷電可分布在海平面以上約100 km的空間內。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，民用商業(yè)飛機在運營過程中經常在機頭、翼尖、尾翼以及短艙部位遭受雷擊。由于雷擊造成的機身損傷會嚴重影響民用航空的飛行安全。

傳統(tǒng)的民航客機廣泛采用鉚接結構的鋁合金蒙皮，由于鋁合金具有良好的導電性，其制造的機體結構很少在遭受雷擊時產生較為嚴重的損傷。同時，鋁合金蒙皮可以為內部的電子系統(tǒng)提供優(yōu)良的電子屏蔽。而隨著復合材料技術的發(fā)展，當前主流的短艙結構，包括風扇罩，反推外罩都越來越多地采用加入碳纖維增強的復合材料[1-2]。由于復合材料的導電性較差，通常在復材表面使用鋪設的金屬絲網、延展金屬箔、加入金屬纖維絲等方式增強復材蒙皮的雷電防護性能[3]。

民用客機蒙皮表面廣泛使用非導電漆層進行涂裝，會在一定程度上降低復合材料蒙皮的雷電防護性能。由于難以定量通過分析計算的方式對復合材料蒙皮在受雷電打擊時的損傷情況進行評估，因此需要建立一套復合材料的雷電防護試驗方法，通過試驗方法驗證其真實的雷電防護能力，同時考慮漆層厚度的影響。周家東[4]等對復合材料延性雷電防護金屬網進行了仿真與試驗研究；李雪[5]等人通過試驗對漆層厚度在233 μm以內的雷電損傷情況進行了研究；付尚琛[6]等測試了不同電導率涂層的復合材料雷電防護效果。為研究不同漆層厚度對復合材料損傷的影響，本文采用1 A雷電分區(qū)標準雷電電流，對116 μm～255 μm漆層厚度范圍內的不同厚度復合材料蒙皮進行研究和分析。

1 雷電直接效應試驗驗證方法

1.1 適航要求

依據(jù)中國民用航空規(guī)章CCAR-25-R4，第25.581條款要求[7]：

a)飛機必須具有防止閃電引起的災難性后果的保護措施；

b)對于金屬組件，下列措施之一可表明符合本條(a)的要求：

1)該組件合適地搭接到飛機機體上；

2)該組件設計成不致因閃擊而危及飛機。

c)對于非金屬組件，下列措施之一可表明符合本條(a)的要求：

1)該組件的設計使閃擊的后果減至最小；

2)具有可接受的分流措施，將產生的電流分流而不致危及飛機。

為滿足25.581條款要求，需對短艙復合材料結構選取典型試驗件進行MOC4試驗室試驗。并根據(jù)基于損傷結果進行的剩余強度計算，證明短艙復合材料結構的雷電防護能力和遭受雷擊后安全返航的能力。

1.2 試驗驗證方法

1.2.1 試驗方法

依據(jù)SAE ARP 5416[8]，直接效應試驗包括：

1)高電壓放電附著試驗，用于確定受試對象出現(xiàn)的雷電附著位置；

2)大電流物理破壞試驗，用于確定雷電通道附著于或接近于受試對象時可能對受試對象產生的損壞。

民用飛機短艙典型的雷電附著區(qū)域通過SAE ARP 5414[9]確定，通常僅需要進行一個大電流的電弧引入試驗來驗證結構在熱效應和聲效應中的正常工作能力。

圖1 電流引入波形

參考SAE ARP5414，根據(jù)雷電附著時間和電流傳導方式對飛機表面區(qū)域進行分類，可分為1A、1B、1C、2A、2B區(qū)域。對于典型的翼吊飛機，短艙前部表面屬于1A區(qū)域，中部表面屬于1C區(qū)域，反推的后部表面屬于2A區(qū)域，后核心罩及尾錐后緣末端屬于1B區(qū)域；對于典型的尾吊飛機，短艙表面大部分均屬于2A區(qū)域，僅后緣及尾錐屬于2B區(qū)域。參考SAE ARP5412[10]，僅對于間接效應試驗需要使用H波形，因此各區(qū)域對應的試驗電流波形如表1所示，各類電流波形的具體參數(shù)在SAE ARP5412中有詳細的說明。

表1 各分區(qū)對應的電流試驗波形[10]

1.2.2 試驗裝置與設備

試驗應參照并遵循SAE ARP5416 規(guī)定的雷電直接效應試驗方法進行，電流波形采用1.2.1節(jié)中闡述的電流分量A(Ah)、B、C(C*)和D，電流分量以特定的組合方式連續(xù)依次注入試驗件，試驗原理如圖2、圖3所示。

圖2 試驗裝置架構

圖3 試驗件布置

電流發(fā)生器與電極相連，波形測量儀一端與試驗件搭接，另一端與電流發(fā)生器形成回路。電極與試驗件間距不小于50 mm，試驗件下方布置有穿透電流檢測裝置，檢測裝置與試驗件間距應不大于短艙內部設備與短艙蒙皮最小間距。試驗件采用接地連接，電極處的金屬引導線直徑不超過0.1 mm。

2 漆層厚度對試驗結果的影響研究

2.1 漆層厚度影響機理分析

短艙復合材料蒙皮表面通常使用防腐蝕環(huán)氧底漆、底色漆結合清漆作為表面涂層，用于表面防護及飛機涂裝作用。因此，在短艙遭受雷電直接效應打擊時，雷電通道通過電弧引入點與短艙導電結構形成的電流通路，將穿透短艙結構表面漆層。

當電流因雷擊進入短艙結構蒙皮時，通常可以分解成多條電流弧根，同時在蒙皮表面形成多個附著注入點。如此，每個單獨的電流弧根產生的能量將降低為總能量的1/n2，如式1所示。其中,n為電流分散的數(shù)量，I為總電流。因此，在存在若干條分散電流的情況下，總的耗散能量與單點電流注入相比就會顯著減少。這表明弧根分散現(xiàn)象可有效降低短艙蒙皮的損傷程度[3]。

(1)

短艙復合材料表面通常鋪設有一層銅網鋪層，其上覆蓋的油漆涂層通常具有絕緣特性，將減少雷電引入點處的弧根分散效應，趨向于使雷電通道保持附著在蒙皮表面的一點上，因此漆層往往使電弧的附著集中于一小塊區(qū)域，從而增加了該區(qū)域的熱效應，導致復合材料結構的損傷程度加深。最嚴重時將造成復合材料蒙皮的擊穿，損傷蒙皮內部系統(tǒng)設備，從而危害飛行安全。

我又請學生看文章的第9自然段：“整整十三年零五個月過去了……滿園的創(chuàng)傷使我的心仿佛又給放在油鍋里熬煎。”然后問學生這一段中“滿園的創(chuàng)傷”表現(xiàn)在哪里，從而引導學生體會原來是非常美好的一個院子，現(xiàn)在變成了“無縫的墻”，這里的墻不僅指的是實體的墻，還指人與人之間關系的隔膜。“文革”不只是對經濟的破壞，也是對人精神的戕害，這種災難不僅是經濟的衰敗，是社會的衰敗，更是人心的衰敗。所以，這“滿園的創(chuàng)傷”不僅是說這個小環(huán)境的改變，更是為了表明大環(huán)境的改變，這也正是巴金寫這篇文章及《隨想錄》的真正背景。

此外，雷電能量的傳遞速度V與漆層介電常數(shù)ε的關系如式(2)所示[11]，其中c代表光速。

(2)

在特定的表面漆層厚度范圍內，通常漆層越厚，產生的介電常數(shù)會越大，從而降低雷電能量的傳遞速度，導致雷電引入點處產生的熱量更加集中，致使相應復合材料結構的雷電打擊損傷更加嚴重，從而降低雷電直接效應防護的能力。

2.2 試驗研究

本次試驗研究選用現(xiàn)代民用客機短艙普遍使用的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料平板試驗件，由(0，90)°與±45°的預浸料交替鋪設共同固化制成，該試驗件鋪層設計與實際短艙蒙皮結構基本鋪層設計一致。采用兩組鋪層數(shù)分別為6層和7層的試驗件，均在其表面鋪設有金屬銅網，同時噴涂不同的漆層厚度，厚度分別為116 μm、145 μm、235 μm和256 μm。為減少邊際效應，試驗采用的試驗件尺寸均為500 mm×500 mm，采用1A雷電分區(qū)的電流分量A、B、C*依次注入試驗件。不同漆層厚度的復合材料試驗件在雷電電流注入后的試驗結果如圖4～圖11所示。

圖4 6層、116 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖5 7層、116 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖6 6層、145 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖7 7層、145 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖8 6層、235 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖9 7層、235 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖10 6層、256 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖11 7層、256 μm漆層厚度試驗損傷情況

試驗結果表明，漆層厚度達到235 μm時，6層鋪層試驗件出現(xiàn)了試驗件擊穿情況；在漆層厚度達到256 μm時，7層鋪層試驗件同樣出現(xiàn)了試驗件擊穿情況。

試驗后，采用無損檢測C掃的方式，對復合材料的損傷面積大小進行了測量，測量結果如圖12、圖13所示。

圖12 6層試驗件不同漆層厚度損傷情況

圖13 7層試驗件不同漆層厚度損傷情況

3 試驗結果分析

通過對比各組不同厚度漆層試驗件的試驗結果，可以發(fā)現(xiàn)：

1)各組試驗件的漆層在雷電電弧引入點附近均被擊穿并產生焦黑痕跡，復合材料板均帶有不同程度的損傷；

2)116 μm與145 μm厚度的試驗件損傷面積大小無明顯差別，甚至于145 μm厚度的損傷大小略小于116 μm厚度。這表明在較小的漆層厚度范圍內，雷電引起的復合材料蒙皮損傷無明顯差異，這主要是由于漆層較薄，電流通道容易擊穿并在引入點處產生弧根分散，不會造成大能量的聚集，該現(xiàn)象與文獻[12]中結果一致；

3)6層鋪層試驗件在漆層厚度達到235 μm時出現(xiàn)了試驗件被擊穿情況；7層鋪層試驗件在漆層厚度達到256 μm時，出現(xiàn)了試驗件擊穿情況。該結果證明了復合材料蒙皮越厚，雷電防護能力越強；

4)試驗結果顯示，漆層厚度達到235 μm以上時，損傷面積大小存在較明顯的增加現(xiàn)象。說明漆層厚度達到一定厚度后，嚴重影響了雷電引入點處的弧根分散，造成了雷電能量的大量聚集，該現(xiàn)象與本文中機理分析中的表述一致。

4 結論

本文闡述了民用飛機短艙復合材料結構的雷電直接效應試驗方法，同時通過對漆層厚度影響的理論研究以及試驗研究，得出以下結論：

1)對于雷電最嚴酷區(qū)域1A雷電分區(qū)，在較薄的漆層厚度影響下，漆層對短艙復合材料的雷電直接效應防護能力無明顯的影響；

2)當漆層厚度達到一定厚度時，較厚的漆層將顯著降低短艙復合材料的雷電直接效應防護能力，最嚴重的情況將擊穿復合材料蒙皮，危害短艙內系統(tǒng)的安全運行；

3)本文研究的是一種復合材料結構蒙皮，導電能力以及強度與復合材料本身的物理特性有關，不同的復合材料均需要進行試驗測試，以獲取設計參數(shù)。在復合材料蒙皮結構出現(xiàn)雷擊損傷后，應進行剩余強度分析和導電性能測試，當不滿足強度以及導電性要求時，應進行修補，避免損傷擴展甚至危及飛行安全的情況出現(xiàn)。

在今后的研究中，可以考慮針對不同材料的涂層對復合材料蒙皮的雷電防護能力的影響進行試驗研究。