陳 文，劉 銳

（中航通飛研究院有限公司，珠海519040）

1 概述

在飛行過程中，飛機(jī)遭受雷擊的事件在國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生。飛機(jī)遭雷擊后，閃電產(chǎn)生強(qiáng)大的電流，形成電磁場(chǎng)、光輻射、沖擊波和電弧，嚴(yán)重影響飛行安全。隨著先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的廣泛運(yùn)用，以及電子電氣系統(tǒng)集成度及重要性的不斷提高，航空界對(duì)閃電防護(hù)的重視程度逐漸加深，相關(guān)科學(xué)研究的范圍和復(fù)雜程度也不斷加大，特別是全復(fù)合材料飛機(jī)的閃電防護(hù)[1]。因此，確保通用飛機(jī)具備良好有效的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，已成為保證飛機(jī)可靠性和安全性的一項(xiàng)必不可少的工作。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)外研究趨勢(shì)和現(xiàn)狀

早期的飛機(jī)采用木制外殼和金屬操縱線纜，機(jī)體結(jié)構(gòu)無法作為閃電電流的通路，飛機(jī)被閃電擊中時(shí)，其結(jié)構(gòu)和操縱線纜通常會(huì)發(fā)生起火或解體，飛行員可能被流經(jīng)金屬腳蹬或操縱桿的電流擊傷。有時(shí)，燃油油箱被擊中后，甚至有可能起火爆炸，造成災(zāi)難性的事故。二戰(zhàn)以后，金屬飛機(jī)成為主流，因?yàn)榻饘贆C(jī)體具有良好的導(dǎo)電性，使得因閃電而導(dǎo)致的災(zāi)難性事故大幅減少。但近年來，低導(dǎo)通性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用，又對(duì)閃電防護(hù)提出了新的要求。2000年前后，SAE先后發(fā)布了一系列飛機(jī)HIRF和閃電防護(hù)的指導(dǎo)性文件，規(guī)范了航空業(yè)內(nèi)電磁兼容/閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，通用飛機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)工作變得有規(guī)可循。圖1為飛機(jī)雷電防護(hù)金屬絲網(wǎng)。

對(duì)國(guó)外成熟的飛機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)而言，金屬飛機(jī)的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)理論和方法已經(jīng)不具備太大的挑戰(zhàn)性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和材料的發(fā)展，國(guó)外各通用飛機(jī)制造商推出了多款成功適航取證的全復(fù)合材料或大部分采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機(jī)機(jī)型。這些飛機(jī)主要采用在機(jī)體外層設(shè)置金屬防護(hù)層，在機(jī)體內(nèi)部構(gòu)建金屬搭接網(wǎng)絡(luò)的方式，來實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境效應(yīng)和閃電防護(hù)。

同時(shí)，國(guó)外還有一些專門從事飛機(jī)閃電防護(hù)的公司和機(jī)構(gòu)（見表1），參與了較多型號(hào)全復(fù)合材料通用飛機(jī)的閃電防護(hù)工作，在復(fù)合材料通用飛機(jī)防雷擊方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)積累已較為豐富，能提供飛機(jī)閃電防護(hù)知識(shí)培訓(xùn)、信息咨詢、設(shè)計(jì)分析、仿真試驗(yàn)等較為完備的閃電防護(hù)技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目，并可協(xié)助完成飛機(jī)閃電防護(hù)相關(guān)的適航取證工作。

圖1 飛機(jī)雷電防護(hù)金屬絲網(wǎng)Fig.1 Aircraft lightning protection metal mesh

表1 國(guó)外專業(yè)的飛機(jī)閃電防護(hù)公司和機(jī)構(gòu)

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)陸續(xù)制定了一些閃電防護(hù)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)文件和軍用標(biāo)準(zhǔn)，如GJB1389等，但主要以提出要求為主，缺乏具體的設(shè)計(jì)指南。直到最近15年，國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)吸收了國(guó)外諸多先進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范和流程，制定了一些飛機(jī)閃電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。但因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)制定的主要來源是對(duì)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的直接引用或匯總引用，自身缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，因此，仍與國(guó)外有著較大的差距。

閃電防護(hù)的研究與試驗(yàn)緊密相關(guān)，而試驗(yàn)正是我國(guó)通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的弱項(xiàng)。一方面，國(guó)外對(duì)我國(guó)長(zhǎng)期實(shí)行的軟件、硬件設(shè)備封鎖，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累比國(guó)外先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家更少，試驗(yàn)手段和設(shè)施也比較簡(jiǎn)陋。另一方面，由于經(jīng)費(fèi)的限制，為規(guī)避漫長(zhǎng)的試驗(yàn)周期和高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，國(guó)內(nèi)航空業(yè)的設(shè)計(jì)人員更傾向于使用電腦軟件仿真的方法來開展分析驗(yàn)證。同時(shí)，國(guó)內(nèi)涉及的飛機(jī)設(shè)計(jì)人員大多數(shù)不是專業(yè)的閃電防護(hù)/電磁環(huán)境效應(yīng)研究人員，往往僅從自己專業(yè)的角度來考慮，導(dǎo)致忽視或低估了閃電防護(hù)的重要性。

此外，國(guó)內(nèi)自行研發(fā)的絕大多數(shù)飛機(jī)型號(hào)采用傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)主要作為功能性材料，制造形狀復(fù)雜的零組件，如雷達(dá)罩、天線口蓋、翼尖、整流包皮、背鰭等，很少用于主結(jié)構(gòu)。這些非主結(jié)構(gòu)零部件的重要性相對(duì)較低，即使被閃電破壞，也不致于造成災(zāi)難性的后果。因此，在我國(guó)通用航空領(lǐng)域，復(fù)合材料的閃電防護(hù)長(zhǎng)期處于“不急迫”的邊緣化狀態(tài)。與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)對(duì)全復(fù)合材料通用飛機(jī)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)的基礎(chǔ)比較薄弱，研究數(shù)據(jù)極為欠缺，極大地制約了我國(guó)新型先進(jìn)復(fù)合材料通用飛機(jī)的研制。

3 適航法規(guī)要求

目前，全復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造主要運(yùn)用于小型通用飛機(jī)，在CCAR23、FAR23中，對(duì)電磁環(huán)境效應(yīng)和閃電防護(hù)的適航要求如表2。

表2 閃電防護(hù)相關(guān)條款

從表2中不難看出，閃電防護(hù)和高強(qiáng)輻射場(chǎng)的要求已明確提出。包括飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、燃油系統(tǒng)油箱、航電系統(tǒng)、電子電氣系統(tǒng)以及設(shè)備系統(tǒng)的安裝等，在進(jìn)行閃電防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，均需進(jìn)行考慮。

為深入理解CCAR23和FAR23中相關(guān)飛機(jī)閃電防護(hù)的條款，并提出對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，可參考表3中的指導(dǎo)性文件。

表3 部分閃電防護(hù)指導(dǎo)性文件

4 設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證思路

傳統(tǒng)金屬飛機(jī)天然具備良好的導(dǎo)電性，有利于釋放閃電電流；而復(fù)合材料飛機(jī)主要使用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）和玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）。它們獨(dú)特的導(dǎo)電性、電化學(xué)腐蝕性和材料多樣性，必須額外進(jìn)行閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。此外，復(fù)合材料飛機(jī)往往根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要混用多種材料。例如，翼梁等主承載結(jié)構(gòu)采用碳纖維，雷達(dá)罩、天線罩等結(jié)構(gòu)采用透波性好的玻璃纖維，機(jī)身內(nèi)部根據(jù)強(qiáng)度需要增設(shè)金屬框架結(jié)構(gòu)等。正因?yàn)檫@些特殊性，復(fù)合材料飛機(jī)的閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，是現(xiàn)代航空研究人員面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

4.1 閃電防護(hù)設(shè)計(jì)流程

全復(fù)合材料飛機(jī)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程與金屬飛機(jī)大致相同，如圖2所示。

從圖中可以看出，閃電防護(hù)設(shè)計(jì)步驟一般分為：前期規(guī)劃、雷電分區(qū)、確定防護(hù)要求、防護(hù)設(shè)計(jì)以及后期符合性驗(yàn)證。也可以看出，在閃電防護(hù)設(shè)計(jì)中，涉及專業(yè)眾多，適航部門、研發(fā)單位和專業(yè)閃電設(shè)計(jì)公司緊密聯(lián)系，貫穿于飛機(jī)設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)的全過程。

4.2 閃電分區(qū)方法

閃電分區(qū)是閃電直接效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。按照SAE ARP 5414，根據(jù)閃電附著的可能性，可將飛機(jī)表面劃分為3個(gè)區(qū)域。每個(gè)區(qū)域具有不同的閃電附著特性和傳導(dǎo)特性。

區(qū)域1：初始電擊附著其上面（進(jìn)口或出口）可能性很大的飛機(jī)表面。

區(qū)域2：電擊放電被氣流從區(qū)域1的初始附著點(diǎn)吹過來、在其上面掃掠的可能性很大的飛機(jī)表面。

區(qū)域3：除了區(qū)域1和區(qū)域2以外的所有飛機(jī)表面為區(qū)域3。在區(qū)域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對(duì)初始閃電附著點(diǎn)或掃掠沖擊附著之間傳導(dǎo)很大的雷電流。

按照放電長(zhǎng)時(shí)間懸停在飛機(jī)表面的可能性大小，區(qū)域1又進(jìn)一步分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，區(qū)域2劃分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)、C區(qū)是電弧在它上面長(zhǎng)時(shí)間懸停可能性較小的區(qū)域（C區(qū)電流幅值小于A區(qū)）。B區(qū)是電弧在它上面長(zhǎng)時(shí)間懸停可能性較大的區(qū)域。

圖2 飛機(jī)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程Fig.2 Aircraft lightning strike protection design and certification process

典型的CCAR23/FAR23部，單發(fā)螺旋槳飛機(jī)雷電分區(qū)如圖3。

圖3 某型飛機(jī)雷電分區(qū)示意圖Fig.3 Lightning zoning sketch of an aircraft

圖4 油箱內(nèi)側(cè)的金屬緊固件，涂抹絕緣密封膠Fig.4 Metal fasteners located at fuel tank inner side, covered by insulate sealant

4.3 設(shè)計(jì)方法

4.3.1 機(jī)體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)飛機(jī)電磁環(huán)境效應(yīng)和閃電防護(hù)主要的設(shè)計(jì)方法在于對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行良好的電搭接（包括閃電防護(hù)電搭接、確保設(shè)備良好電磁兼容性的電搭接，以及靜電釋放電搭接），使所有零部件成為等勢(shì)體。飛機(jī)在遭受閃電和高強(qiáng)輻射場(chǎng)干擾時(shí)，可以將干擾源（例如閃電電流）快速導(dǎo)離，或起到良好的屏蔽作用。一般來說，金屬飛機(jī)電磁環(huán)境效應(yīng)和閃電防護(hù)設(shè)計(jì)方法大同小異，只需要進(jìn)行少量的設(shè)計(jì)更改，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

復(fù)合材料機(jī)體進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沒有雷擊防護(hù)層的情況下，在經(jīng)受一定的電流后就產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，因此，全復(fù)合材料的飛機(jī)必須進(jìn)行雷擊防護(hù)。由于不同類型的復(fù)合材料導(dǎo)電性能和介電性能的變化范圍較大，閃電防護(hù)方法也有很大的差異，主要表現(xiàn)為[2]：

（1）金屬箔。

鋁箔膠結(jié)到復(fù)合材料部件的外表面上，形成用于雷擊防護(hù)的鋁箔層，使其經(jīng)受雷擊試驗(yàn)而復(fù)合材料無損傷。同時(shí)，在鋁箔和復(fù)合材料之間放上高絕緣層能增加防雷擊作用并能防止復(fù)合材料基體被燒焦或蒸發(fā)。使用這種防護(hù)層時(shí)，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面要經(jīng)常檢查和及時(shí)修復(fù)。

箔條垂直于氣流方向配置在復(fù)合材料制件表面上，雷擊試驗(yàn)表明，它具有鋁箔全覆蓋復(fù)合材料表面的防雷擊效果。但在雷擊接觸的箔條與其相鄰箔條之間發(fā)生電弧，在箔條邊緣處可見到基體被燒焦的痕跡，雷擊接觸點(diǎn)也有蒸發(fā)現(xiàn)象。使用中也要經(jīng)常檢查和維護(hù)。

企業(yè)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)需要大量的信息作為支撐，在現(xiàn)金流管理工作當(dāng)中亦是如此。因此，建立有效的現(xiàn)金流信息報(bào)告系統(tǒng)成為企業(yè)現(xiàn)金流管理工作中的重點(diǎn)。通過建立高效、有序的現(xiàn)金流管理系統(tǒng)，企業(yè)內(nèi)各部門可以實(shí)時(shí)報(bào)告自身現(xiàn)金余額，根據(jù)現(xiàn)金狀況的差異性，企業(yè)現(xiàn)金流管理行為也可做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。當(dāng)然，在實(shí)際的管理工作中，必須對(duì)各種因素進(jìn)行全面考慮，根據(jù)部門工作性質(zhì)、工作特征的不同進(jìn)行合理考量。另外，現(xiàn)金流報(bào)告系統(tǒng)的建立還需要對(duì)外部因素進(jìn)行兼顧，根據(jù)匯率、投資策略等進(jìn)行調(diào)整，務(wù)求確保現(xiàn)金流管理工作的和理想，最大限度提高現(xiàn)金使用效率。

（2）噴涂鋁。

噴涂鋁的方法有兩種：火焰噴涂和等離子噴涂。兩種方法噴涂的涂層防雷擊效能相近。為提高噴涂鋁層的防雷擊效果，可在復(fù)合材料制件表面上噴涂鋁的區(qū)域先鋪上一層玻璃布（在制造復(fù)合材料制件時(shí)，表層玻璃布與碳纖維層一起鋪疊、一次固化成形），保護(hù)制件不接觸電荷并保護(hù)噴涂鋁層不被電化腐蝕。

（3）金屬絲網(wǎng)。

使用標(biāo)準(zhǔn)紡織工藝將金屬絲織成布或針織品，主要是鋁絲網(wǎng)和銅絲網(wǎng)。鋁絲網(wǎng)在模擬雷擊放電試驗(yàn)中損傷最小，具有經(jīng)受多次雷擊的能力，同時(shí)能傳輸很高的電荷量，而且易制成形狀復(fù)雜的曲面，并可簡(jiǎn)單地利用復(fù)合材料基體作為膠粘劑與零件一次固化成形。銅網(wǎng)單位面積重量比鋁網(wǎng)重，但銅網(wǎng)構(gòu)成的閃電通路優(yōu)于鋁網(wǎng)，防雷擊能力、抗雷擊損傷能力等均強(qiáng)于鋁網(wǎng)。由于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與鋁合金會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，國(guó)內(nèi)外目前多數(shù)復(fù)合材料飛機(jī)均采用銅網(wǎng)。

（4）防雷擊導(dǎo)電涂層。

在構(gòu)件外表面涂導(dǎo)電涂層，降低構(gòu)件表面電阻。

總之，全復(fù)合材料飛機(jī)電磁環(huán)境效應(yīng)和閃電防護(hù)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)復(fù)合材料本身特性的不同，針對(duì)不同的材料和閃電分區(qū)，采用不同的防護(hù)措施。

4.3.2 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于防止任何由閃電直接或間接效應(yīng)引發(fā)的燃油油箱起火。一般來說，CCAR23/FAR23部飛機(jī)主要采用“消除點(diǎn)火源”的辦法來進(jìn)行燃油系統(tǒng)的閃電防護(hù)（AC20-53B推薦方法）[3]。

在型號(hào)設(shè)計(jì)中，一是根據(jù)閃電分區(qū)合理布置通氣孔等零部件的位置，降低其被閃電擊中的概率。二是在機(jī)翼油箱外蒙皮分別敷設(shè)不同厚度的金屬銅網(wǎng)，可避免碳纖維復(fù)合材料被閃電擊穿，點(diǎn)燃燃油蒸汽。三是在油箱內(nèi)部敷設(shè)玻璃纖維絕緣層，或其他材料的絕緣隔斷層，防止油箱內(nèi)部碳纖維結(jié)構(gòu)之間因電勢(shì)差引發(fā)跳火花。四是油箱口蓋外蒙皮敷設(shè)金屬銅網(wǎng)，使其在被閃電擊中后，具備傳導(dǎo)釋放電流的能力。五是在油箱口蓋的金屬緊固件（如托板螺母）涂抹密封膠（如圖4），避免閃電擊中緊固件后，通過緊固件傳入油箱內(nèi)部，同時(shí)避免緊固件相互間跳火花。

4.3.3 電子電氣系統(tǒng)

飛機(jī)的電子電氣設(shè)備主要安裝在機(jī)體內(nèi)部，防護(hù)重點(diǎn)是考慮閃電間接效應(yīng)的影響（如圖5、6）。

（1）所有天線，通過緊固件，使天線底部與飛機(jī)外蒙皮的金屬銅網(wǎng)良好接觸。

（2）機(jī)體內(nèi)部構(gòu)建電搭接網(wǎng)絡(luò)，使用薄銅帶敷設(shè)搭接路線，各設(shè)備外殼搭接到薄銅帶上，使整個(gè)電子電氣系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)外殼等電勢(shì)。

（3）對(duì)于重要的電子電氣設(shè)備，或位于易受雷擊的閃電分區(qū)的電子電氣設(shè)備，采用閃電抑制器，避免閃電間接效應(yīng)引起的浪涌電壓/電流對(duì)設(shè)備造成傷害。

4.4 閃電防護(hù)驗(yàn)證

圖5 飛機(jī)搭接銅帶示意圖Fig.5 Aircraft bonding copper strap sketch

圖6 接地銅帶的連接Fig.6 Bonding copper strap's installation

4.4.1 閃電直接效應(yīng)防護(hù)驗(yàn)證

由于飛機(jī)外形的不規(guī)則性及機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣電子系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的精確解非常困難，閃電防護(hù)試驗(yàn)方法是最有效的閃電防護(hù)能力的驗(yàn)證方法，主要包括：

（1）碳纖維復(fù)合材料試片試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：制造多件不同厚度的碳纖維復(fù)合材料試驗(yàn)板（500mm×500mm），敷設(shè)不同厚度的金屬銅網(wǎng)，利用不同強(qiáng)度的模擬閃電對(duì)其進(jìn)行轟擊。試驗(yàn)完成后，通過超聲波探傷，評(píng)估閃電對(duì)試片的影響。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的評(píng)估分析，得出各閃電分區(qū)所需的最低碳纖維敷設(shè)厚度，以及最低的金屬銅網(wǎng)敷設(shè)厚度。

（2）按機(jī)翼現(xiàn)有油箱設(shè)計(jì)做出1:1試驗(yàn)件。按照SAE 5416中所規(guī)定的步驟和方法，對(duì)其進(jìn)行模擬閃電轟擊。試驗(yàn)后檢查分析試驗(yàn)件受損情況，以評(píng)估燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性。

4.4.2 閃電間接效應(yīng)防護(hù)驗(yàn)證

通用飛機(jī)閃電間接效應(yīng)試驗(yàn)的基本思路為：使用經(jīng)過縮比的模擬閃電電流注入飛機(jī)，通過安裝在飛機(jī)內(nèi)部或附近的儀器測(cè)量和記錄所選線纜中感生的電壓和電流的瞬態(tài)電平，然后按縮比比例線性放大，以此獲得所測(cè)線纜中的實(shí)際瞬態(tài)電平（ATL）。試驗(yàn)得到ATL后，與設(shè)備的瞬態(tài)設(shè)計(jì)電平（ETDL）相比較。一般來說，ATL應(yīng)小于ETDL，并留有一定的裕度，以補(bǔ)償試驗(yàn)中的不確定性。否則，需要視情況采取措施，優(yōu)化完善防護(hù)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

復(fù)合材料飛機(jī)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)，是保證飛機(jī)可靠性和安全性的重要組成部分。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，前期應(yīng)當(dāng)仔細(xì)做好規(guī)劃，根據(jù)飛機(jī)閃電分區(qū)特點(diǎn)以及材料特性確定防護(hù)要求和符合性驗(yàn)證要求，并與適航部門交流，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，使飛機(jī)閃電防護(hù)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

[1]羅騰騰. 某型飛機(jī)復(fù)合材料后機(jī)身閃電防護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J]. 民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究, 2014(3): 53-55.

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