浅谈民机复材机身的闪电防护设计

胡杰

【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。