飞机雷电加固技术

庄宇

一、引言

雷电可以定义为放电路径长度为千米计的瞬时大电流放电。当大气中某些部分的电荷及相应的电场强度大到足以使空气击穿时便产生雷电。雷电可以发生在云内、云间、云地间或云与云周围空气之间。大多数雷电起因于在雷雨云中的电荷，人们最关心的是云对地的放电。云间和云与周围空气的雷电放电，相对于云中的和云对地的雷电放电少些，云地间的雷电可包括一个或多个断续的局部放电，它可使云中负电荷区中约数十库仑的电荷转移到大地。

雷电对飞机产生的直接影响表现为燃烧、熔蚀、爆炸和结构变形等。这是由于雷电电弧附着、高压冲击波和因强电流伴随的磁力引起的持续电流在回击延长的间隔中流动，它会熔化或点燃固体材料。短的持续时间，大的峰值电流会通过磁力使金属零件损坏或扭曲。电磁力大小正比于瞬时电流的平方值。

雷电对飞机的放电还会引起电气和电子设备的损坏，在电源、信号和控制电路中的雷电浪涌是由磁感应、容性祸合、雷电脉冲在结构件和接地线电阻上产生压降等三种成分组合而成。雷电给飞机造成严重的危害，为保证飞机及机载设备的安全，必须进行防护设计。飞机的雷电防护是要从遭受雷击的可能性，保护飞机完成使命的重要性去考虑。大部分保护只能减少雷电的影响而不是防止飞机遭受雷击。

二、雷电间接效应防护设计

（一）防护设计原则

在飞机雷电间接效应防护设计中需要明确以下概念：（1）实际瞬态电平（ATL）：是在电子设备端口处实际产生的瞬态电平；（2）瞬态控制电平（TCL）：是在电子设备端口处所允许的最大瞬态电平，设计要求TCL略大于或等于ATL；（3）设备瞬态设计电平（ETDL）：是电子设备雷电瞬态敏感度试验的试验电平，也是电子设备雷电间接效应防护的设计指标。雷电间接效应防护设计中ATL，TCL与ETDL之间的关系如图1所示。要求设备的ETDL至少要大于ATL一个安全裕度，一般裕度定为6dB。

图1 ATL，TCL与ETDL之间的关系示意图

飞机级雷电间接效应防护应通过设备布局优化、机身结构屏蔽、线束布放与屏蔽、搭接接地等手段，降低ATL，为雷电防护争取裕度。设备级雷电间接效应防护应通过机箱结构屏蔽、雷电防护电路设计等手段，提高ETDL，为雷电防护争取更大裕度。

（二）防护设计措施

1.电搭接

飞机结构与结构之间、蒙皮与基本结构之间必须要有稳定的低阻抗通路，使雷电流安全通过且无过热，同时也不会产生较大的结构电压。对于一个搭接面，一般要求搭接电阻不大于2.5mΩ，适用于各种直接接触的金属面之间。对于喷涂铝层或敷设铜网的复合材料蒙皮，搭接电阻一般控制在10mΩ。飞机上金属结构整体的搭接电阻要求是在任意两个金属结构之间的电阻小于10mΩ。

2.接地

金属飞机的结构可成功用于配电系统的回线，但绝不可用作信号或控制电路的回线。因为线路和机体结构之间环路的结构阻性电压会形成共模干扰，叠加到系统的信号电压上。单点接地可以有效抑制上述环路中的结构电压。双绞线能够有效减少雷电感应的磁场耦合，雷电感应的磁通穿过双绞线环时，相邻环的反向极性会使感应电动势相互抵消。对于含有源电子設备的系统（如电子飞行仪表系统、发动机控制系统等），应采用双绞线作为回线的单点接地，如图3所示。多点接地的应用如图4所示。

图3 双绞线作为回线的单点接地设计

图4 多点接地设计

多点接地要求每个LRU的壳体作为其内部所有电路的单一基准点，LRU的壳体连接最近的机体接地点。

3.结构屏蔽

雷电脉冲频谱的主要能量集中在10kHz以下，因此，雷电脉冲对飞机蒙皮上窄缝隙的电磁穿透相对较小，结构屏蔽对飞机雷电防护设计极为有效[3]。对于复合材料结构，可在其外表面铺一层铜丝网，铜丝网规格为网孔数不小于20×40孔/（in）2，铜丝直径至少为0.14mm，也可在其外表面喷涂一层铝，喷涂层厚度在雷电1区不小于0.1524mm，在雷电2区不小于0.1016mm。对于机头雷达罩，应在其四周粘接分流条，为保证一定的透波率和雷电防护性能，需要合理设计分流条的尺寸和间距。对于开口结构，尤其是复合材料部件，可使用喷涂金属或粘贴铝箔的方法加以保护。

4.线缆屏蔽

电子系统的互联电缆暴露在雷电瞬态感应磁场和机体结构电压中应采取适宜的屏蔽措施，并对屏蔽层提供合适的接地。

不同类型的屏蔽层中，整体屏蔽层的屏蔽性能优于编织屏蔽层、螺旋缠绕屏蔽层。为了抵抗雷电感应磁场的干扰，电缆屏蔽层要两端接地。对于较长的屏蔽层，还要求多点接地，使屏蔽电流限制在一定区域内流动，减少该电流对屏蔽线路上总感应电压的影响。

屏蔽层的接地方式有若干种，其中，能获得最佳屏蔽性能的是360°端接，外屏蔽层与设备连接器后壳体进行360°圆周连接，且该连接器壳体与设备外壳之间应有较低的直流电阻，如图5所示。

图5 屏蔽层360°接地设计

5.设备安装和线缆布线

电子设备应布置在雷电瞬态感应磁场最弱和结构电压最小的区域，尽可能安装在屏蔽良好的设备舱或设备柜内，远离电磁开口处，如风挡、窗户、舱门、检修口盖、整流罩等，远离飞机外蒙皮，尤其要远离飞机头部，即主雷电流路径曲率半径最小处。设备壳体与设备台架之间最好采用金属面与面的直接接触搭接，也可采用最短的搭接线进行搭接。设备台架应具有高导电性，与机体结构良好搭接。

线缆的敷设也应远离电磁开口，远离飞机外蒙皮和结构件曲率半径最小处。另外，线缆应尽可能靠近机体结构件，使穿过线缆和机体结构所形成环路的磁通量减至最小。若机身存在结构U形件，将线缆置于其中的凹槽，将会提供更好的屏蔽作用。

三、结语

雷电作为自然界中的强干扰源，可能会对飞机的飞行安全构成严重威胁。我国虽已将雷电防护列入民用航空规章，但是在飞机雷电间接效应防护设计和适航验证方面仍处于探索阶段。

参考文献

[1]方君，戴邵武，聂子健.军用特种飞机雷电间接效应防护研究[J].仪表技术，2018（05）：46-49.

[2]段泽民.飞机雷电防护概述[J].高电压技术，2017，43（05）：1393-1399.

[3]李亚美. 飞机天线罩雷电防护设计仿真研究[D].河北工业大学，2016.

[4]黄军玲，周利军，谢家雨，高强.飞机雷电间接效应仿真与研究[J].科学技术与工程，2015，15（07）：104-110.