您好, 访客   登录/注册

浅谈民机复材机身的闪电防护设计

来源:用户上传      作者:

  【摘 要】复合材料具有较高的比强度和比刚度,已被广泛用于机身结构上。由于复材导电性能较差,闪电会击穿复材结构,引起结构烧蚀,使结构丧失传载能力。因此,需对位于机身外表面的复材结构提供有效的防护措施。本文主要讨论民机常用的闪电防护措施,简要对比了火焰喷涂铝和铜网的防护效果,可供民机设计工程师参考。
  【关键词】闪电防护;闪电分区;飞机设计
  中图分类号: V214.19 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)12-0025-001
  DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.010
  【Abstract】Composite materials have higher strength and stiffness,they are widely used on aircraft fuselage to gain a lighter weight.However,composite has a low conductivity and more sensitive to lightning defects.Thus,lightning protection should be considered.In this article,common lighting protections are discussed,comparison between flame spraying aluminum and copper foil film are studied,which can be a guidance to fuselage design engineers.
  【Key words】Lightning protection;Lightning zoning;Aircraft design
  飞机穿越不同极性空间时极易遭遇雷击。据统计,每架飞机每年要遭一次雷击。为了获得更轻的飞机和更好的续航能力,复合材料已大量使用在飞机结构上。复合材料导电性能差,其对雷击损伤也更为敏感。雷击过程中的高电流会使复材基体产生烧蚀和蒸发。当纤维失去基体支持,将丧失强度和刚度,结构性能下降,甚至失去承载能力。为保证飞机飞行安全,必须为复合材料结构提供有效的防护措施。运输类飞机适航标准CCAR-25是民用飞机设计的最低要求,民机结构的闪电防护设计应满足相应条款要求。
  1 闪电分区
  根据闪电对飞机产生作用的方式不同,可将机体分为1区、2区和3区。
  a)1区:直接雷击附着区,最先接触雷击的飞机表面。主要包括机头雷达罩、翼梢小翼、翼尖等飞机尖端部位。防护设计时不仅要防止雷电电流附着在复材构件上,又要阻止电流在复材件内部传递。因此需提供雷电附着点和电流的传递通路。常采用雷电分流条(如雷达罩的金属辐条),或用金属网、表面喷涂铝等方式传递电流。
  b)2区:扫掠区。由于飞机相对雷电有相对运动,电弧会沿着飞机飞行相反方向冲刷飞机表面,雷击扫过的飞机表面为扫掠区。常采用导电性能好的材料覆盖该区域结构表面,传导性能和材料的铺覆厚度有关。如表面喷涂铝、金属网、金属箔等。
  c)3区:传导区。闪电电弧不会附着在该区域,但要传导附着点之间的闪电电流。1区和2区以外的飞机表面都是3区,如机翼表面、平尾表面等。
  不同分区遭受雷击环境的严酷程度不同,其中1区受雷击影响最严重,2区次之,应针对分区采用不同的防护措施以保证结构安全。
  2 闪电防护措施
  复合材料结构的闪电防护手段有:
  a)火焰喷涂铝:用火焰将金属铝熔融、气化后,沉积到固化后复材零件表面。铝层厚度一般为0.1~0.2mm。
  b)铺金属网:将金属网(铜网、铝网)一次固化在复材零件表面。
  c)铺金属箔:将金属箔或金属薄片铺设在固化后的复材零件表面。金属箔可以不必完全覆盖零件表面,铺设在紧固件连接区域。
  结构设计时,采用何种防护措施,主 要考虑防护要求和工艺。雷达罩通常采用金属辐条来传导雷击电流;碳纤机身蒙皮采用铜网,有些機型的翼身整流罩和小翼采用火焰喷涂铝。
  3 防护效果对比
  火焰喷涂铝是利用气体燃烧火焰的高温将铝丝熔化,用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成涂层。该工艺复杂,对环境要求高,而且空气中会有大量活泼铝颗粒,需有相应的防爆措施以保证作业安全。铜网,是从铜箔切割下来,与胶膜一起制成薄膜。不同于喷涂铝,铜网是直接铺贴在工件外表面,与工件一起进罐固化。较早的飞机上常使用火焰喷涂铝工艺,随着铜网胶膜制造技术革新,铜网的使用也越来越广泛。火焰喷涂铝和铜网的防护原理都是降低复材零件表面电阻,为电流提供传递通路,但较少有研究来对比两者的防护效果。本文简单估算一下铜网和喷涂铝的电阻。
  导体电阻可由下式算出:R=ρ*L/S,(ρ:电阻率,L导体长度,S导体截面积)。假设铝层和铜网铺覆范围是相同的,即覆盖长度L和宽度d相同。那么:
  其中截面积S=d*t
  某工艺规范规定,喷涂铝的铝层厚度tAl为0.1375mm。铜网的等效厚度tcu可由面密度除以体密度得出,汉高公司某型铜网等效厚度tcu=107g/m^2/8.96g/cm^3 =0.012mm。铜和铝的电阻率为ρcu=1.75*10-8 Ω·m,ρAl=2.83*10-8Ω·m。将数据代入公式,可得:
  即:铜网电阻是喷涂铝的7倍。这个结果是可以预见的,电阻与导体截面积成反比。铜网是菱形的丝网,有效截面积小,电阻大。喷涂铝是在宽度范围内喷涂整层,有效截面积大,电阻小。王明广等人[1]通过电流试验研究了喷涂铝和铜网对碳纤层压板的防护能力,他们也发现火焰喷涂铝比铜网具有更好的防护能力。
  【参考文献】
  [1]王明广等.飞机碳纤维复合材料层压板雷电损伤特性研究,硕士论文,2017.03.作者简介:胡杰(1987—),男,浙江人,硕士研究生,工程师,飞行器设计。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14839891.htm