崔英男

民用飛機(jī)靜電放電器布置安裝設(shè)計(jì)

崔英男

崔英男

中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司

靜電放電器用來(lái)平穩(wěn)的泄放飛機(jī)上積累的電荷，防止產(chǎn)生過(guò)大的無(wú)線電噪聲對(duì)于飛機(jī)的通訊導(dǎo)航等系統(tǒng)造成干擾。本文首先簡(jiǎn)要介紹了靜電放電器的特性，繼而給出靜電放電器較為詳細(xì)的布置設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合某新型支線客機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)該機(jī)型靜電放電器布置設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。對(duì)民用飛機(jī)靜電防護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 前言

飛機(jī)表面在飛行中會(huì)累積大量靜電荷，這些靜電荷自然耗散時(shí)會(huì)產(chǎn)生寬頻譜電磁干擾，干擾頻譜高達(dá)1000 MHz，對(duì)飛機(jī)通訊、導(dǎo)航設(shè)備干擾嚴(yán)重，影響飛機(jī)安全飛行。試驗(yàn)證明，受靜電放電影響甚高頻全向信標(biāo)的航向誤差可達(dá)10°左右。因此需合理地設(shè)計(jì)、安裝靜電放電器以降低由靜電放電產(chǎn)生的電磁干擾，使其對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的影響降到最低。

2 靜電放電器

靜電放電器的尖端相比飛機(jī)結(jié)構(gòu)的尖端具有更大的曲率，在相同的電勢(shì)下能產(chǎn)生更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此靜電放電器能夠在較低的電勢(shì)下產(chǎn)生電暈，降低了靜電在機(jī)體的積累程度。由于放電電勢(shì)較低，放電的能量較小，從而對(duì)導(dǎo)航等設(shè)備產(chǎn)生的干擾也隨之降低。通常要求靜電放電器對(duì)于靜電放電干擾在50mA的電流下取得優(yōu)于50 dB的降噪性能。

靜電放電器主要有兩種類型：后緣型放電器與尖端型放電器。后緣型通常安裝在機(jī)翼和安定面后緣；尖端型安裝在飛機(jī)翼尖、安定面及尾椎的尖端。兩種類型放電器均由3部分構(gòu)成：尖端部分、阻抗元件和放電器底座。放電器底座通過(guò)螺接、鉚接或膠接方式安裝在飛機(jī)表面，當(dāng)放電器損壞時(shí)，直接將放電器從底座上取下更換即可。

目前民機(jī)設(shè)計(jì)中多使用全熱塑復(fù)合材料高阻靜電放電器，此類靜電放電器和底座均由熱塑性塑料制成，放電器的尖端部分與阻性元件整合為一個(gè)部件，具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能組件壽命長(zhǎng)、放電性能好、與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相容性好等優(yōu)點(diǎn)。而且由于全復(fù)合材料放電器不含有金屬組件，遭受雷擊造成放電器損壞的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)含金屬部件的放電器要小。

3 靜電放電器的數(shù)量及布置安裝設(shè)計(jì)

靜電放電器數(shù)量計(jì)算

計(jì)算靜電放電器數(shù)量首先應(yīng)確定飛機(jī)飛行過(guò)程中的最大沉積靜電充電電流。最大沉積靜電充電電流計(jì)算公式為，

式中I 為靜電充電電流；qp為每粒子帶電荷量（庫(kù)倫/粒子）；c 為粒子濃度；V 為飛機(jī)速度（m/ s ）；Aeff為有效的飛機(jī)正面面積其中Apf表示飛機(jī)的投影正面面積（m2）；K 為有效面積因子，巡航時(shí)K 取0.5，進(jìn)近、著陸和起飛時(shí)K取0.25。

最大充電電流的計(jì)算流程如下，首先選擇飛機(jī)飛行狀態(tài)（即起飛、巡航、進(jìn)近或著陸），根據(jù)不同飛行狀態(tài)選擇合適的真空速（TAS）V。根據(jù)飛機(jī)各個(gè)部段的幾何尺寸，可計(jì)算不同飛行狀態(tài)下的總正面面積Apf。再根據(jù)選取飛行狀態(tài)對(duì)應(yīng)粒子的物理參數(shù)qp、c，就可利用上述公式完成某一飛行狀態(tài)下的充電電流計(jì)算。重復(fù)上述過(guò)程，對(duì)其它飛行狀態(tài)進(jìn)行充電電流計(jì)算。最后對(duì)所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確定充電電流最惡劣的情況（充電電流最大）。

根據(jù)上述步驟，對(duì)飛機(jī)在各個(gè)飛行階段中的沉積靜電充電電流進(jìn)行計(jì)算。取其中最大充電電流，為獲得飛機(jī)最大派遣率，飛機(jī)所需靜電放電器數(shù)量應(yīng)為N=Imax/imin+2。式中N 為靜電放電器的數(shù)量；Imax為飛機(jī)的最大沉積靜電充電電流；imin為靜電放電器的最小持續(xù)放電能力，設(shè)定數(shù)值為50 μA，這是對(duì)靜電放電器放電能力的保守估計(jì)。

布置設(shè)計(jì)

靜電放電器主要布置在電暈發(fā)生的尖端部位，靜電荷較集中的地方。機(jī)翼尖端部位的后緣、垂直和水平尾翼的后尖部位是最主要的布置部位。

通常將第一個(gè)放電器放在最外部，第二個(gè)放在第一個(gè)向內(nèi)約0.5 m處。其余的可放在距離0.5 m到1 m處。放電器的位置可依安裝方便作少量調(diào)整，但應(yīng)避免靜電放電器相距小于30 cm以防相互屏蔽而起不到應(yīng)有的作用。還應(yīng)在機(jī)翼和尾翼翼尖安裝1到2個(gè)尖端型放電器，用以提供冗余防護(hù)。

某型號(hào)飛機(jī)靜電放電器數(shù)量計(jì)算及其布置設(shè)計(jì)

某型號(hào)飛機(jī)為新一代民用支線客機(jī)，其載客量分別為110人。

根據(jù)該型號(hào)主要外部結(jié)構(gòu)尺寸，再結(jié)合亞音速飛機(jī)沉積粒子參數(shù)，可依據(jù)3.1節(jié)中的計(jì)算流程得出該型號(hào)飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的沉積靜電充電電流，如表1。

表1 某型號(hào)飛機(jī)各個(gè)飛行狀態(tài)沉積粒子參數(shù)及沉積靜電充電電流

所以，依據(jù)公式N=Imax/imin，我們可以算出

N=1655.34μA/50μA=33.1。即需安裝34個(gè)靜電放電器。但考慮到冗余設(shè)計(jì)，靜電放電器安裝推薦數(shù)目為34+2=36個(gè)，最小數(shù)目為34-34×20％=28個(gè)（即將設(shè)計(jì)中所有冗余考慮全部去除）。

根據(jù)3.2中的布置設(shè)計(jì)原則，從外端起第1 至第2個(gè)放電器間間距取0.3 m，從第2個(gè)起均相距0.6 m。由此得到該型號(hào)飛機(jī)的靜電放電器布置如下：左右翼稍小翼各布置4個(gè)后緣型放電器；左右翼尖后緣各布置后緣放電器6個(gè)；左右升降舵尖端后緣各布置后緣型放電器3個(gè)、尖端型放電器1個(gè)；方向舵和垂直安定面后緣布置后緣型放電器4個(gè)、尖端型放電器1個(gè)；尾椎布置后緣型放電器3個(gè)?？傆?jì)布置后緣型放電器30個(gè)，尖端型放電器6個(gè)，共36個(gè)。

靜電放電器的安裝

靜電放電器可通過(guò)鉚接、螺接或粘接方式固定在機(jī)體表面。對(duì)于全復(fù)材靜電放電器通常使用導(dǎo)電膠膠結(jié)的方式安裝在飛機(jī)表面。金屬底座靜電放電器的金屬底座可通過(guò)螺接或鉚接安裝至飛機(jī)表面，通過(guò)緊固件搭接與貼合面搭接取得較低的搭接電阻。但是金屬底座材料應(yīng)與飛機(jī)蒙皮兼容，注意防止發(fā)生電化學(xué)腐蝕。底座安裝后應(yīng)進(jìn)行添角密封，避免水蒸氣進(jìn)入貼合處造成腐蝕。全復(fù)合材料放電器更適合通過(guò)膠接方式安裝于復(fù)合材料蒙皮表面，膠結(jié)安裝時(shí)可使用導(dǎo)電膠或非導(dǎo)電膠，但使用非導(dǎo)電膠必須保證放電器與機(jī)體緊密壓緊接觸，否則存在不導(dǎo)電的風(fēng)險(xiǎn)。

后緣型放電器的安裝應(yīng)盡可能和正常的氣流方向保持一致，尖端型放電器可接受最大不超過(guò)22.5°的傾角。底座距機(jī)翼后緣應(yīng)在13 mm以內(nèi)，但必須保證在任何擾動(dòng)的情況下，靜電放電器的任何部位不會(huì)觸碰機(jī)體。

使用導(dǎo)電膠膠結(jié)安裝的形式，應(yīng)確保導(dǎo)電膠不含金屬與碳材料，與金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)兼容，不會(huì)腐蝕底座和機(jī)體。完整安裝后，系統(tǒng)的阻值應(yīng)該在6至150 MΩ之間。不同部件的典型測(cè)量值應(yīng)分別為：導(dǎo)電膠電阻大約1 MΩ，底座電阻大約1 MΩ，尖端部分電阻15至40 MΩ。

4 結(jié)束語(yǔ)

從工程經(jīng)驗(yàn)看來(lái)，合理選擇靜電放電器的類型、數(shù)量以及安裝的位置和形式，能夠有效降低沉積靜電對(duì)通訊導(dǎo)航等設(shè)備的干擾，減小對(duì)飛機(jī)安全飛行的影響。但需要注意選擇合適的靜電放電器產(chǎn)品以及安裝方式。安裝形式以及安裝工藝的選擇對(duì)于靜電放電器的性能有著直接且重要的影響。對(duì)于膠結(jié)安裝形式，導(dǎo)電膠的性能對(duì)于整體防護(hù)性能有很大的影響。最后靜電放電器的防護(hù)效果必須通過(guò)相應(yīng)試驗(yàn)給予驗(yàn)證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.069