孫健宇

【摘 要】民用飛機上的任何電子電氣系統(tǒng)都需要通過導電性較好的結構連接建立一條穩(wěn)定的低阻抗電通路網絡，以滿足接地、導電、基準電壓、防電磁干擾和閃電防護等電氣性能。傳統(tǒng)金屬材料飛機自身形成了較好的結構電通路；目前較先進的碳纖維復合材料飛機由于其自身結構導電性較差，便需要設計額外的電通路結構網絡（ESN）來實現上述的電氣性能。通過介紹目前主流飛機的電通路結構網絡方案，總結歸納出一種典型的民用飛機電通路結構網絡的設計方法，對國內民用飛機的研制具有重要的意義。

【關鍵詞】電通路結構網絡（ESN）；接地；電搭接；ESN元件

【Abstract】An stable electrical network which has low resistances must be constituted of high conductive structures for any electrical and electronic equipments on civil aircraft， which provides electrical functions such as grounding、bonding、voltage reference、protection from electromagnetic interference and protection against lightning strike. A conventional metallic aircraft inherently provides electrical a high conductive network； at present the advanced composite aircraft requires additional electrical structure network（ESN） to provide electrical functions， due to poor electrical conductivity of composite structures compared to metal. the text introduces the electrical structure network designing for main models of the civil aircraft at present， and summarizes and concludes a general design method for the electrical structure network of civil aircraft， guiding the development of the civil aircraft in our country.

【Key words】Electrical structure network（ESN）； Grounding； Electrical bonding； ESN elements

0 引言

現代民用飛機上裝載有各種復雜的電子電氣系統(tǒng)，這些系統(tǒng)設備需要互相連接，建立一個穩(wěn)定的低阻抗電流通路，形成電源和信號的回路，滿足各種電氣性能[1]。這個電流通路一般利用飛機機體結構件搭接而成，被稱為飛機的電通路結構網絡（Electrical Structure Network 簡稱ESN）。電通路結構網絡（以下簡稱ESN）的建立可以避免系統(tǒng)設備之間產生電位差，降低設備機箱和殼體上的射頻感應電勢，防止靜電積聚，抑制射頻干擾、保證系統(tǒng)電子和電氣性能的穩(wěn)定，同時有效防止雷電放電危害，保護系統(tǒng)和人身安全。ESN還為系統(tǒng)設備提供了良好的信號參考地。傳統(tǒng)金屬飛機和復合材料飛機的ESN設計有所不同，下面分別論述。

1 傳統(tǒng)金屬飛機的ESN設計

傳統(tǒng)金屬飛機一般采用鋁合金、鈦合金和少量鋼作為主要結構材料[2]。這些金屬材料本身具有良好的導電性能，以其作為材料的零件如長桁、蒙皮、框、地板梁、立柱和地板滑軌等縱橫結構件互相連接，不但形成一個可以承受各種載荷、滿足強度和剛度要求的傳力系統(tǒng)，同時也形成一個ESN網絡。每個結構零件自身作為一個ESN元件，雖然已經具備較好的導電性，但仍然需要定量地滿足一定電氣性能要求，一般是以截面尺寸、通過電流值和單位長度的電阻值這三個參數來測定。

原則上，飛機設計員在設計零件外形尺寸時不僅要考慮結構傳力要求和制造工藝性，還要考慮滿足ESN設計要求，具體參數應參考電氣專業(yè)的規(guī)范文件。ESN性能參數一般包括電流值、單位長度電阻值和最小截面積。但是目前一般鋁合金結構零件在滿足了強度設計要求后，其截面尺寸一般也都能滿足ESN性能參數。

金屬結構飛機的ESN設計除了需要保證結構元件自身要滿足電氣性能要求之外，結構元件之間的連接（即電搭接）也需要考慮。金屬結構件之間的連接一般都是通過鉚釘、螺栓和高鎖緊固件等機械緊固件進行連接，其本身可以實現一般電搭接，如圖1。對于過盈配合的高鎖螺栓，電搭接路徑為：結構件1螺栓桿→結構件2。結構件1和結構件2雖然相互貼合，但是它們各自表面涂有化學膜層和漆層，一般認為相互絕緣。在某些電氣系統(tǒng)設備安裝位置，其對結構連接處有比較高的電搭接要求，需要對緊固件周圍的零件貼合面進行退漆處理，增加導通截面。這些位置需要滿足規(guī)定的電導通設計參數并作相應的電導通測試。

金屬結構飛機的ESN建立之后，最后一步就是飛機上各系統(tǒng)設備與ESN的電搭接，實現ESN的最終目的。機載系統(tǒng)電搭接按功能分類主要有天線搭接、電流回路搭接、易燃易爆區(qū)搭接、防射頻干擾搭接、防雷擊搭接、靜電防護搭接和閃電防護搭接七類。應根據系統(tǒng)設備的不同要求設計搭接種類，如電子電氣元件必須考慮防射頻干擾，其搭接電阻要求很高，一般要求小于2-2.5mΩ，非電子電氣類元件搭接要求較低，可按系統(tǒng)管路的搭接要求設計。具體方式就是系統(tǒng)與其安裝支架或結構進行連接，主要采用面面搭接，如圖2，與系統(tǒng)安裝腳搭接的結構表面應去除化學膜層和漆層。但有的系統(tǒng)如電動馬達與支架之間有阻尼墊板，無法實現面面搭接，則可以采用搭接線搭接。

2 復合材料飛機的ESN設計

目前國內外先進的民用客機如波音787、空客A350XWB等均開始大面積采用碳纖維復合材料機身結構，大大改善了飛機的強度、壽命、重量和經濟性[3]，但是由于碳纖維復合材料的導電性能較差，其自身結構不能用作電流回路，無法形成電通路結構網絡（ESN），故需要增加額外的金屬導電構件來實現。

復合材料飛機的ESN主要由機體主導電結構、輔助導電結構以及其它連接元件三部分組成。復合材料飛機盡管大部分結構件如蒙皮、長桁、框和地板梁等都采用碳纖維復合材料，但是仍然有部分結構件采用鋁合金、鈦合金等金屬材料，如地板的座椅滑軌、貨艙的導軌和地板橫梁（各個型號飛機的設計有所不同）。在構建ESN網絡時，處于減重目的，復合材料飛機應該盡量利用自身已有的金屬結構件作為機體主導電結構。

一般來說機體主導電結構是貫穿全機的結構件，且分布在縱橫方向上。縱向是客艙地板滑軌或貨艙地板滑軌，橫向是地板橫梁或類似的橫向構件。機體主導電結構的ESN設計要求和第1節(jié)介紹的金屬材料飛機相同，主導電結構件自身以及結構件之間連接的電導通系能參數也完全相同。

輔助導電結構是指安裝在機身內部結構上的條帶、線纜和搭接片等ESN元件。例如機身隔框和地板梁是復合材料結構，這就要在這兩者上增加ESN條帶，以便和縱向的主導電結構聯(lián)接成ESN。ESN條帶需要沿著機身框和地板梁的走向進行安裝。對于機身框，ESN條帶可以通過鋁合金支架安裝在框腹板上，鋁合金支架與復合材料框腹板之間通過鈦鉚釘濕安裝連接，兩者之間要通過玻璃布隔離；鋁合金支架與鋁合金ESN條帶自身通過螺釘連接。對于地板橫梁，ESN條帶可以直接鋪設在橫梁緣條上，與座椅滑軌的緊固件共螺，條帶和復合材料橫梁之間也要安裝玻璃布進行異電位防腐隔離。無論是機身框上的ESN條帶還是地板橫梁上的ESN條帶，都不能設計為一個整體構件，而要根據工藝要求進行分段。綜合考慮重量和導電性能，ESN條帶一般仍采用鋁合金，截面積不小于40mm2，單個ESN條帶的最大長度不超過250mm-300mm。相對而言，輔助導電結構的電通路要求比機體主導電結構低的多。

輔助導電結構如ESN條帶與機體主導電結構的連接可以通過螺栓或鉚釘之間連接，也可以通過中間搭接片連接，如機身框上ESN條帶在與鋁合金地板橫梁（主導電結構）的連接處，兩者通過一個鋁合金搭接片實現電搭接。

機體主導電結構、輔助導電結構和復合材料結構之間雖然不需要進行電搭接，但是也并非完全隔離，其目的是盡量減少兩者之間的電勢差，避免短路電流和雷擊對復合材材料造成損害。但是其需要滿足的ESN電性能參數要求很低，只要通過金屬零件和復合材料零件之間的緊固件濕安裝連接就可以實現[4]。

機體主導電結構、輔助導電結構和系統(tǒng)設備之間的電搭接要求與傳統(tǒng)金屬飛機類似，可以參考第1節(jié)的內容。復合材料飛機ESN網絡中各元素之間的連接設計要求如圖3所示。

3 結束語

飛機電通路結構網絡設計的四個要點就是ESN布置、ESN元件設計、ESN元件之間的連接和系統(tǒng)電搭接。對于傳統(tǒng)金屬飛機，前三個要素已經包含在飛機結構設計中了；對于復合材料飛機，前三者是需要進行重點研究的，并綜合考慮電性能參數和重量、工藝等因素完成ESN網絡的設計方案。本文所介紹的ESN方案對國內先進民用飛機的研制具有重要的意義。

【參考文獻】

[1]王昂，毛德華，高占民，等.飛機設計手冊第17冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：141-142.

[2]王昂，毛德華，高占民，等.飛機設計手冊第10冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：133-134.

[3]牛春勻.實用飛機結構工程設計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008：620-621.

[4]牛春勻.實用飛機結構應力分析及尺寸設計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：246-247.

[責任編輯：湯靜]