飞机复合材料板雷电损伤的试验研究

胡 好， 姚 红， 司晓亮， 仇善良， 段泽民

（1.合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.中航工业合肥航太电物理技术有限公司，安徽 合肥 230031）

在现代航空航天技术中，为减轻航天器质量和提高飞机测控系统性能而采用的复合材料技术和微电子测控技术对雷电更敏感，遭到雷击时损失更大［1］。我国研制的新支线客机中，飞机机翼、后机身及尾翼等结构大多选用复合材料，复合材料的雷电防护研究具有重要的工程意义。近年来，考虑到飞机雷电安全问题，民航飞机适航审查中增加了雷电项目，以减少或降低雷电对飞机的影响和破坏。通常，飞机复合材料板遭受雷电流的冲击破坏发生在一个极短的时间内，这个过程涉及了雷电流的焦耳热、电弧烧蚀以及冲击波等雷电过程对材料的破坏作用。文献［2］对雷击损伤作了定性的描述。

目前国内外学者对复合材料的应用［3－4］及一般烧蚀损伤进行了大量研究［5－7］，而对于复合材料遭受雷电流的烧蚀损伤研究较少。文献［8］利用试验方法研究了复合材料层合板在不同脉冲波形的雷电流作用下的损伤，并通过无损检测技术探测层合板内部损伤，结果表明，不同冲击参数下的雷电流产生的焦耳热对复合材料层合板破坏方式产生很大影响。文献［9］利用有限元软件ABAQUS热－电模块建立层合板模型，从雷击热效应角度对碳纤维复合材料层合板的雷击损伤进行了数值模拟，研究了碳纤维复合材料的损伤机制。但其施加在复合材料的波形却是单一的雷电流分量A，且部分参数要求没有达到SAE ARP5412［10］（Society of Automotive Engineers Aerospace Recommended Practice 5412）的规定，而为了模拟真实运行的飞机遭受雷电冲击情况，根据IEC（International Electrotechnical Commission）和国家标准的相关要求，进行此类试验所使用的冲击电源应为组合波发生器［11－12］（Combination Wave Generator，简称CWC）。目前，有部分学者研究组合波形发生器及其控制系统单元，但仅局限于ATP（The Alternative Transients Program）程序软件仿真阶段［13］，这种仿真结果大多数与真实的工程试验差距很大。因此，组合波形发生器的研制仍是研究雷电流对复合材料影响的难点和重点。

本文利用研制的组合波发生器产生雷电流B、C、D分量［10］对飞机复合材料板进行雷电流直接效应试验研究，采用复合电流分量能更真实地反映雷电流对飞机复合材料的影响，能对复合材料板的雷电直接效应防护能力进行更准确的验证和评估。本文验证和研究了不同防护方式及不同结构复合材料板的雷电损伤及其防护优劣性。

试验结果表明，相同的防护方式下，碳／环氧层压复合材料板比碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯复合材料板遭受雷电流时损伤面积较大；相同结构下，表面贴铜网防护方式的损伤平均面积低于表面涂PUB抗静电涂料防护方式的，特别是碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯复合材料板，表面贴铜网效果是显著的。本文试验方法可为其他复合材料雷电流直接效应试验提供参考，为今后完善复合材料设计及造型提供试验依据。

1 试验描述

1.1 试验波形要求

现有国际公认标准SAE ARP5412［10］给出了雷电流直接效应冲击试验的电流分量波形A、B、C、D，其波形及相关参数如图1所示。用于分析目的，SAE ARP5412中对规定的A、B、D电流分量给出了双指数形式的数学表达式，分别为：

其中，Ia、Ib、Id为电流常数；αa、αb、αd为波尾时间常数的倒数；βa、βb、βd为波前时间常数的倒数；t为时间。

用于分析目的，电流分量C一般为矩形波，电荷量要求为200C，波形是单向的。模拟雷电流的电荷量Q和作用积分I定义分别为Q＝∫idt，I＝∫i2dt。

图1 SAE ARP5412标准模拟雷电流波形

（1）分量A第1次回击电流）。

峰值电流为200×（1±0.1）kA；

作用积分为2×106（±20%）在500μs内；

持续时间小于等于500μs。

（2）分量B（中间电流）。

最大传输电荷量为10×（1±0.1）C；

平均电流为2×（1±0.2）kA；

持续时间小于等于5ms。

（3）分量C（持续电流）。

电流幅值为200～800A；

电荷传输量为200×（1±0.2）C；

持续时间为0.25～1s。

（4）分量D（重复放电电流）。

峰值电流为100×（1±0.1）kA；

作用积分为0.25×106（±20%）在500μs内；

持续时间小于等于500μs。

1.2 试验方法

本试验中所设计的组合波发生器能够产生符合要求的雷电流分量A、B、C、D，其电路的基本拓扑结构如图2所示，其中，C1为A（D）波储能电容，C2为B波储能电容，C3为C波的充电电源；Z1、Z2、Z3为调波器件；D1、D2为高压硅堆；EUT为试验件。

图2 组合波发生器拓扑结构

充电完成后，闭合放电开关S，组合电流分量A（D）、B、C会施加于试验件上，模拟真实雷电流的连续过程。试验过程中，电流分量A、B、C、D通过分流器或传感器采集显示于示波器上，雷电流直接效应试验原理如图3所示。

图3 雷电流直接效应试验原理

将试验件安装好置于绝缘台架，试验中采用细小铜丝引弧，放电电极采用球形良导体，能够耐受试验电流产生的熔蚀，球形电极距离试验件表面的距离为10mm，控制装置依次导通放电开关KB、KC、KD，以离子弧的形式注入试验件要求的波形，每注入点放电1次，每个试验件只有1个放电位置且保证每次试验放电位置相同。雷电流直接效应试验现场实物如图4所示。

图4 雷电流直接效应试验实物

2 试验及其结果与分析

2.1 试验对象

试件为飞机上2种常用的碳／环氧层压复合材料板和碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯复合材料板，其材料为ⅡB型2类CF3011。层压结构层数为10层，尺寸为300mm×300mm×2.3mm，铺层方式为［45／90／－45／0］s，NOMEX蜂窝夹芯板结构尺寸为300mm×300mm×11.5mm。每个试验平板的下边缘连接一个铝型材，用于钻孔并安装螺栓接地。试验件2种结构的入击点和接地点示意图如图5所示。

图5 试验件接地点和入击点示意图

试验件一侧根据实际需要采取不同的防护方式，试验件的保护方式为表面贴铜网和表面涂PUB抗静电涂料2种。为消除试验结果的不确定性和随机性，每种试验件均有3件，进行3次重复试验。

考虑到2种常用复合材料处于飞机上的2B区域，依据SAE ARP5416［14］标准，试验应采用雷电流组合分量B、C和D进行雷电流复合材料冲击试验。典型的试验电流波形及其参数如图6所示。

2.2 表面贴铜网防护方式结果的对比

当模拟雷电流作用于试验件时，巨大的能量瞬间释放，离子弧通道以超音速向前传播，一旦冲击波遇到障碍，会对附近导体和结构造成破坏，引起复合材料板形变、烧蚀等现象。试验后，对每个试验件进行超声C扫描图探伤检测，损伤面积检测结果见表1所列。

图6 雷电流复合材料冲击试验中典型的雷电流波形及参数

表1 表面贴铜网复合材料板损伤面积检测结果 mm2

从表1可以看出，表面贴铜网防护方式下，碳／环氧层压结构和碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板损伤情况差别很大，其中碳／环氧层压结构试件受损面积平均值为8 597mm2，约是碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构试件受损面积平均值（1 155mm2）的7.44倍。从损伤结果推断，碳／环氧层压结构被组合雷电流击中后，由于层与层之间的微小间隙使其内部空气间隙所要求的击穿电压过小，从而造成层压板的损伤面积较大，破坏较明显。而蜂窝夹芯结构内部气隙较大，要求的击穿电压高，故模拟雷电流B、C、D没有对其造成较大冲击，该现象符合Kawakami的层压板损伤机理模型理论［15］。典型的试验后试件受损超声C扫描图如图7所示，图7中黑色区域为损伤缺陷。易见，碳／环氧层压结构复合材料板遭雷电流烧蚀、破坏得更严重，而碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构复合材料板遭雷电流烧蚀仅造成局部较小的多点损伤。

图7 典型的铜网防护试件损伤超声C扫描图

2.3 表面涂PUB抗静电涂料防护方式结果

涂有PUB抗静电涂料的复合材料表面会降低静电电荷积累，从而降低对机内电子电气设备的干扰。表面涂有PUB抗静电涂料的2种复合材料结构损伤情况见表2所列。从表2可看出，两者的平均损伤面积均较大，其中碳／环氧层压结构高达12 266mm2，而碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构也达到了9 312mm2，前者约是后者的1.32倍。典型的试件受损超声C扫描图如图8所示，其中黑色区域为损伤缺陷，易见损伤面积都比较大。

表2 试件表面涂PUB抗静电涂料损伤检测结果 mm2

由表1和表2可知，表面贴铜网防护方式的损伤平均面积低于表面涂PUB抗静电涂料的防护方式。对碳／环氧层压结构复合材料板，表面涂PUB抗静电涂料防护方式的平均损伤面积约是表面贴铜网防护方式的1.43倍。而对碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构复合材料板，表面涂PUB抗静电涂料防护方式的平均损伤面积则是表面贴铜网防护方式的8.06倍，这表明表面贴铜网对碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构复合材料板防护能力的提高是显著的。

图8 典型的PUB抗静电涂料防护试件损伤超声C扫描图

3 结 论

本文采用组合雷电流B、C、D分量对碳／环氧层压结构和碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板雷电损伤效应进行了研究，并对比分析了表面贴铜网的防护方式与表面涂PUB抗静电涂料的防护方式的复合材料板雷电流防护能力。结果表明：

（1）组合雷电流作用下，碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板的损伤（破坏）面积比碳／环氧层压结构的复合材料板小，特别是采取表面贴铜网的防护措施的碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构复合材料板，其防护效果改进明显。碳／环氧NOMEX蜂窝夹芯结构的复合材料板比碳／环氧层压结构的复合材料板雷电（流）防护能力好。

（2）组合雷电流作用下，复合材料板的表面贴铜网防护方式的平均损伤面积低于表面涂PUB抗静电涂料防护方式，即表面贴铜网防护方式的效果比表面涂PUB抗静电涂料防护方式好。

（3）不同结构、不同防护方式的复合材料承受雷电流的能力差别较大，飞机复合材料选型过程中需要综合考虑多方面因素，以达到最优化的设计要求。

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