民用飞机静电放电器布置安装设计

崔英男

民用飞机静电放电器布置安装设计

崔英男

崔英男

中航沈飞民用飞机有限责任公司

静电放电器用来平稳的泄放飞机上积累的电荷，防止产生过大的无线电噪声对于飞机的通讯导航等系统造成干扰。本文首先简要介绍了静电放电器的特性，继而给出静电放电器较为详细的布置设计方法，并结合某新型支线客机工程经验对该机型静电放电器布置设计进行分析。对民用飞机静电防护设计具有一定的指导意义和实用价值。

1 前言

飞机表面在飞行中会累积大量静电荷，这些静电荷自然耗散时会产生宽频谱电磁干扰，干扰频谱高达1000 MHz，对飞机通讯、导航设备干扰严重，影响飞机安全飞行。试验证明，受静电放电影响甚高频全向信标的航向误差可达10°左右。因此需合理地设计、安装静电放电器以降低由静电放电产生的电磁干扰，使其对飞机系统的影响降到最低。

2 静电放电器

静电放电器的尖端相比飞机结构的尖端具有更大的曲率，在相同的电势下能产生更高的电场强度，因此静电放电器能够在较低的电势下产生电晕，降低了静电在机体的积累程度。由于放电电势较低，放电的能量较小，从而对导航等设备产生的干扰也随之降低。通常要求静电放电器对于静电放电干扰在50mA的电流下取得优于50 dB的降噪性能。

静电放电器主要有两种类型：后缘型放电器与尖端型放电器。后缘型通常安装在机翼和安定面后缘；尖端型安装在飞机翼尖、安定面及尾椎的尖端。两种类型放电器均由3部分构成：尖端部分、阻抗元件和放电器底座。放电器底座通过螺接、铆接或胶接方式安装在飞机表面，当放电器损坏时，直接将放电器从底座上取下更换即可。

目前民机设计中多使用全热塑复合材料高阻静电放电器，此类静电放电器和底座均由热塑性塑料制成，放电器的尖端部分与阻性元件整合为一个部件，具有安装方便、结构简单、功能组件寿命长、放电性能好、与复合材料结构相容性好等优点。而且由于全复合材料放电器不含有金属组件，遭受雷击造成放电器损坏的风险相对含金属部件的放电器要小。

3 静电放电器的数量及布置安装设计

静电放电器数量计算

计算静电放电器数量首先应确定飞机飞行过程中的最大沉积静电充电电流。最大沉积静电充电电流计算公式为，

式中I 为静电充电电流；qp为每粒子带电荷量（库伦/粒子）；c 为粒子浓度；V 为飞机速度（m/ s ）；Aeff为有效的飞机正面面积其中Apf表示飞机的投影正面面积（m2）；K 为有效面积因子，巡航时K 取0.5，进近、着陆和起飞时K取0.25。

最大充电电流的计算流程如下，首先选择飞机飞行状态（即起飞、巡航、进近或着陆），根据不同飞行状态选择合适的真空速（TAS）V。根据飞机各个部段的几何尺寸，可计算不同飞行状态下的总正面面积Apf。再根据选取飞行状态对应粒子的物理参数qp、c，就可利用上述公式完成某一飞行状态下的充电电流计算。重复上述过程，对其它飞行状态进行充电电流计算。最后对所有计算结果进行评估，确定充电电流最恶劣的情况（充电电流最大）。

根据上述步骤，对飞机在各个飞行阶段中的沉积静电充电电流进行计算。取其中最大充电电流，为获得飞机最大派遣率，飞机所需静电放电器数量应为N=Imax/imin+2。式中N 为静电放电器的数量；Imax为飞机的最大沉积静电充电电流；imin为静电放电器的最小持续放电能力，设定数值为50 µA，这是对静电放电器放电能力的保守估计。

布置设计

静电放电器主要布置在电晕发生的尖端部位，静电荷较集中的地方。机翼尖端部位的后缘、垂直和水平尾翼的后尖部位是最主要的布置部位。

通常将第一个放电器放在最外部，第二个放在第一个向内约0.5 m处。其余的可放在距离0.5 m到1 m处。放电器的位置可依安装方便作少量调整，但应避免静电放电器相距小于30 cm以防相互屏蔽而起不到应有的作用。还应在机翼和尾翼翼尖安装1到2个尖端型放电器，用以提供冗余防护。

某型号飞机静电放电器数量计算及其布置设计

某型号飞机为新一代民用支线客机，其载客量分别为110人。

根据该型号主要外部结构尺寸，再结合亚音速飞机沉积粒子参数，可依据3.1节中的计算流程得出该型号飞机在不同飞行状态下的沉积静电充电电流，如表1。

表1 某型号飞机各个飞行状态沉积粒子参数及沉积静电充电电流

所以，依据公式N=Imax/imin，我们可以算出

N=1655.34µA/50µA=33.1。即需安装34个静电放电器。但考虑到冗余设计，静电放电器安装推荐数目为34+2=36个，最小数目为34-34×20％=28个（即将设计中所有冗余考虑全部去除）。

根据3.2中的布置设计原则，从外端起第1 至第2个放电器间间距取0.3 m，从第2个起均相距0.6 m。由此得到该型号飞机的静电放电器布置如下：左右翼稍小翼各布置4个后缘型放电器；左右翼尖后缘各布置后缘放电器6个；左右升降舵尖端后缘各布置后缘型放电器3个、尖端型放电器1个；方向舵和垂直安定面后缘布置后缘型放电器4个、尖端型放电器1个；尾椎布置后缘型放电器3个。总计布置后缘型放电器30个，尖端型放电器6个，共36个。

静电放电器的安装

静电放电器可通过铆接、螺接或粘接方式固定在机体表面。对于全复材静电放电器通常使用导电胶胶结的方式安装在飞机表面。金属底座静电放电器的金属底座可通过螺接或铆接安装至飞机表面，通过紧固件搭接与贴合面搭接取得较低的搭接电阻。但是金属底座材料应与飞机蒙皮兼容，注意防止发生电化学腐蚀。底座安装后应进行添角密封，避免水蒸气进入贴合处造成腐蚀。全复合材料放电器更适合通过胶接方式安装于复合材料蒙皮表面，胶结安装时可使用导电胶或非导电胶，但使用非导电胶必须保证放电器与机体紧密压紧接触，否则存在不导电的风险。

后缘型放电器的安装应尽可能和正常的气流方向保持一致，尖端型放电器可接受最大不超过22.5°的倾角。底座距机翼后缘应在13 mm以内，但必须保证在任何扰动的情况下，静电放电器的任何部位不会触碰机体。

使用导电胶胶结安装的形式，应确保导电胶不含金属与碳材料，与金属和复合材料结构兼容，不会腐蚀底座和机体。完整安装后，系统的阻值应该在6至150 MΩ之间。不同部件的典型测量值应分别为：导电胶电阻大约1 MΩ，底座电阻大约1 MΩ，尖端部分电阻15至40 MΩ。

4 结束语

从工程经验看来，合理选择静电放电器的类型、数量以及安装的位置和形式，能够有效降低沉积静电对通讯导航等设备的干扰，减小对飞机安全飞行的影响。但需要注意选择合适的静电放电器产品以及安装方式。安装形式以及安装工艺的选择对于静电放电器的性能有着直接且重要的影响。对于胶结安装形式，导电胶的性能对于整体防护性能有很大的影响。最后静电放电器的防护效果必须通过相应试验给予验证。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.069