复合材料飞机沉积静电防护研究

袁海环

摘 要：早期的飞机主要由金属材料构成，因为金属具有良好的导电效果，可以将在空中产生的沉积静电快速的传到位于机翼和安定面后缘等位置的静电放电器上释放到机外，不至于造成灾难性的损伤。但是现代飞机采用复合材料的比重越来越高，复合材料虽然具有优异的性能但是更容易产生静电放电，但是对飞机静电防护也提出了更高的要求。

关键词：静电防护 复合材料 沉积静电 民航飞机

中图分类号：V22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0009-04

Abstract： the early aircraft was mainly composed of metal materials. Due to the good conductive effect of metal， the deposition static electricity generated in the air can be quickly transmitted to the electrostatic discharger located on the wings and the rear edge of the stabilizer plane and so on， so as to avoid catastrophic damage.However， the proportion of composite material used in modern aircraft is higher and higher. Although composite material has excellent performance， it is easier to generate electrostatic discharge， but it also puts forward higher requirements for aircraft electrostatic protection.

Key Words： Electrostatic protection； Composites； Deposition of static electricity； The civil aviation aircraft

1 沉積静产生机理及危害

任何两个不同材质的物体接触后再分离就会产生静电。飞机飞行过程中会因为不断的和空气中的颗粒碰撞、摩擦会累积大量的静电荷 ，尤其是起降爬升阶段，空气中含有大量的雨滴、雪、尘埃、烟雾等颗粒会使得飞机表面快速产生大量的沉积静电；另外云层之间的相互摩擦、空气流动以及重力因素使得云层带有不同程度的静电荷。正电荷聚集在云层的顶部，负电荷聚集在云层下方，此外，云层最下方可能存在少量的正电荷。如图1所示显示的是典型积雨云中电荷分布示意图。飞机通过带电云层时在飞机中产生的感应电荷，也是沉积静电的重要来源，国外研究表明通过带电云层时可以瞬时产生数千安培的感应电流。随着沉积静电荷的累积，当飞机结构上某处尖端的电场强度超过某一阈值后会击穿周围的大气，而发生静放电，因为放电脉冲非常短，所形成的宽频电磁场是造成飞机通讯、导航系统接收机噪声的主要根源之一。进而导致通信、导航、计算机控制的失灵，甚至导致飞机的严重损坏或事故。有研究表明，产生的宽频噪声频谱从直流到高达1000 MHz[1]，如图2所示。这种噪声干扰在恶劣天气时最为严重，而这恰恰是飞行员最依赖通信与导航设备的时刻，所以对沉积静电的控制非常重要。飞机上通常会设置静电放电器来消除这种危险。

2 复合材料沉积静电放电的特点

沉积静电的累积与飞机所处的环境和飞机材料的电阻率有关。复合材料电阻率比一般金属大的多，导电能力较弱，玻璃纤维甚至不具备导电性能。所以和金属材料相比，复合材料在同等条件下积累的电量比金属材料要大的多，所积累的电荷达到静放电所需阈值电压所需的的时间更短。具有放电周期短，频次高、峰值电流更大的特点。这对飞行安全来说是非常不利的。所以需要把积累的静电荷转移到放静电放电器放置的位置，以电晕放电的形式释放出去，保证飞行安全。飞机在空中所产生的静电荷在飞机表面的累积可视为沉积静电充电，充电电流Ip与气象条件密切相关，工程上通常用如下方法计算：

综上所述在飞机气象条件相同的情况下，可以通过增大放电器尖端的表面粗糙度，减小放电器尖端的半径r来降低飞机电晕放电的电压阈值Uc，使静电放电器在积累较少的电荷时就可以使电压值达到放电阈值电压Uc，开始放电，增强静电放电器的电荷泄放效能，有效地减少电荷累积。此外，通过在飞行器上合理安装多个静电放电器，也可以成倍增大电晕放电电流。

3 复合材料静电防护措施

3.1 静电放电器的布置

飞行中飞机内部电气隔离金属组件、非导体表面（如雷达罩、风挡、玻璃纤维板）等都可以通过电搭接或者表面喷涂导电漆等措施允许所产生的静电荷自由移动，不会局限在某一区域积累，但是这些自由移动的静电荷最终需要排放出去，由于尖端放电效应，自由电荷最终会聚集在飞机上尖端和曲率较大的位置，比如飞机的机翼、水平尾翼、垂直尾翼翼尖及后缘均是电荷分布密度最大、电场最强的区域，所以在这些位置上安装静电放电器是最合理的。如图3所示，目前主流飞机的静电放电器均依据这一原则布置。

3.2 复材表面静电器的连接

复合材料的表面特性和力学性能与金属材料不同。为了减轻结构重量，复合材料多采用蜂窝结构。但蜂窝结构本身的抗压能力不好，如果铆接或螺接则必须灌封或做镶嵌件，设计和工艺都较复杂，制造也存在困难。所以粘接是最适合复合材料表面安装静电放电器的方式。

碳纤维或石墨是飞机上常用的具有导静电特性的复合材料。在非闪电防护区，静电放电器可以直接安装其上，对纯碳纤维复合材料表面打磨至去除70%的光泽即可。因为静电放电器布置的位置也常是闪电防护区，在易受雷击的区域需要在复材表面喷铝或附着铜网来增加其导电能力，导电漆电阻率较大无法替代以上防雷电措施。对铺设铜网的复合材料表面，小心打磨至露出铜网；对喷铝的复合材料表面，小心打磨至露出喷铝即可[7]。

芳香聚酰胺纤维或玻璃纤维也是飞机上常用的復合材料，因其成本低、易于成型，常用在垂尾整流罩、翼尖整流罩等外形比较复杂的区域。其本身是不具备导电性的材料，若处于飞机外表面，则不论是否处于闪电防护区，都必须通过增加金属涂层、金属丝或碳基涂层才能达到飞机外表面的导电要求（若处于闪电防护区的则不可使用碳基涂层）。

3.3 全复材静电放电器器

目前航空制造商在选择静电放电器时，底座通常选用金属材质，放电器杆选用高阻材质，安装方式为铆接或螺接。此种安装方式较为成熟。但是随着复合材料的使用比例越来越高，采用的是全复合材料高阻静电放电器，安装方式为粘接。某国产新支线飞机就采用全复合材料静电放电器的设计理念在国际上是领先的。

静电放电器安装的位置通常处于闪电危害区。目前，全金属的放电器已很少见，但对于底座接合区是金属的放电器，因为该部分凸出在外，仍存在吸引雷电挂接其上的可能。一旦雷电挂接到放电器，大电流就会通过底座流向飞机结构，如果底座的搭接电阻不足够小，就会对飞机结构造成更大的损伤，例如搭接部位的融化或燃烧。因此，对于可能被雷电击中的静电放电器，其底座需能承受雷电大电流，与机体的搭接电阻值必须足够小。一旦放电器的底座接合区使用了金属材料，底座的材料也就随之而定，只能是金属。对于机体表面是复合材料的情况，全复合材料放电器是一种较好的选择。全复合材料的放电器和底座均由先进的热塑性塑料材料制成，放电器端头综合为阻性杆的一部分，端头为具有低电晕初始电压细小的尖端。在连续放电状态下该尖端有极高的融化温度，故具有特别长的寿命[8]。该种放电器不会成为雷电的附着点，放电效果也不逊于含金属的放电器。

4 结论

（1）飞机大量使用复合材料是大势所趋，但复合材料自身结构和电阻率大的特点，对静电防护提出了更高的要求。

（2）复合材料电阻率较金属材料大，同等条件下积累的静电荷比金属材料要大，更快容易发生静放电，具有放电周期短，频次高、峰值电流更大的特点。

（3）可以通过增大静电放电器尖端的表面粗糙度，减小放电器尖端的半径r来降低飞机电晕放电的电压阈值Uc，增强静电放电器的电荷泄放效能，有效地减少电荷累积。

（4）对于机体表面是复合材料的情况，可以选用全复材的静电放电器和底座，通过与机体粘接的方式连接在不破坏机体结构的情况下可以达到较好的静电防护效果。

参考文献

[1] CLINE J D.Electrostatic charging in flight[R].USA：Dayton-Granger Inc. 2012.

[2] USA Department of Defence .L-STD-464 Electromag-netic environmental effects requirements for systems[S].Columbus：Defense Supply Center 1997.

[3] R. Gunni et al. Army navy precipitation static project. Proc. Ire， vol. 34， pp. 156177， 234-235， April-May， 1946.

[4] H. J. Dana. Block and squirter for reduction of precipitation static. Rept. No. 15， Washington State C，lkge，Pullman， Wash， February， 1945.

[5] 杜照恒，刘尚合，魏明，等.飞行器静电起 电与放 电模型及仿真分析[J].高电压技术，2014，40（9）：2806-2812.

[6] R evel I，A koun G Sritham m avanh 、‘et a1.Scalling of stat ic discharg-ers on electric f ield m odelling[C]//C onference on Lightning andS tatic E lec tric ity.Seattle，USA：ICOLSE，2005：PS.

[7] 宋金泽.飞机沉积静电可控泄放方法—静电放电器[J].电光与控制，2013，20（8）：101-104.

[8] TALBOYS J G， BURROWS B J C.Simulated lightning tests to static discharger assemblies[R].Culham Light-ning Studies Unit 1989.