飞机雷电危害与防护设计分析

李勇军 赵鹏飞 吴 涛 丁兆宇

（国营芜湖机械厂，芜湖 241007）

1 引言

雷电是大气层中的一种自然现象，全球平均每天发生的雷电次数约为800万次，其中200kA以上电流强度的雷电流占总数的0.5%左右。据统计，每架民航飞机平均每年要遭受约1次雷击事故，而一架军用战斗机在其使用寿命内平均要遭受到2次雷击事件，由雷击所造成的安全问题和事故时有发生，有时甚至会造成灾难性的后果。现代飞机由于大量采用了先进电子设备和复合材料，从而对雷电效应变得更加敏感。因此，为了将大气雷电环境对飞机飞行安全的影响降至最小，飞机对雷电防护设计提出了更高的要求。

2 雷电对飞机的危害

雷电对飞机的危害总体来说可分为直接效应和间接效应，但是雷电造成的危害往往同时包括以上两种效应，如对燃油系统的危害等。

2.1 雷电的直接效应危害

直接效应是飞机因雷电通道直接附着和电流传导而产生的物理损坏效应，包括磁力效应、声冲击效应、熔穿和冲击波效应、金属导体升温、起弧等。

如果雷电流扩散并流经雷电的进入点和雷电离去点之间的整个飞机机身，则雷电流在飞机大部分位置上的电流密度都较低，一般不会对飞机造成物理损坏。但是，若雷电流流经路径上的结构部件之间有不良连接，则可能造成结构部件之间的起弧现象，从而引起飞机的物理损坏。此外，在进入点或离去点附近的电流路径覆盖区域内，电阻性加热和磁力集中可能导致这些区域的物理损坏，加上来自雷电通道的爆破力和强热的冲击，破坏可能会更大。

如果雷电流通道在金属表面的接触时间足够长，会造成接触点表面的熔化，从而造成弧根烧蚀，使得飞机表面产生连续凹痕或烧出孔洞的现象。雷电通道除了可能在飞机后缘处驻留时间较长从而烧穿更厚的机身蒙皮外，一般情况下烧出孔的蒙皮厚度均小于1mm。金属蒙皮或结构可能因雷电附着点附近的雷电强磁场力而变形，如果结构不够坚固，可能会出现变形和断裂，除了轻薄表面外，飞机可能被磁力损坏的部位包括集中电流通路上的搭接片，非金属结构上的雷电分流条、天线、空速管等。

遭受雷电电流的导体会产生阻性加热，若导体电阻率过高或截面积过小而不能充分传导雷电流，会导致雷电流在导体中储存相当大的能量，从而使导体温度急骤上升。电阻性能量聚集与雷电电流的作用积分成正比，对于任何导体，均可导致其熔化或气化爆炸，因小直径导体的爆炸气化会产生破坏性，当该爆炸的导体位于复合材料的封闭区域内时，损坏最为严重。图1为小直径线束气化引起的雷达罩爆炸性损坏。

图1 小直径线束气化引起的雷达罩爆炸性损坏示例

2.2 雷电的间接效应危害

间接效应是指飞机受到雷击而造成机载电气设备的损坏或故障，即使雷电没有接触到飞机的电气线路，雷击同样可以在飞机电气线路中产生感应电流浪涌和感应电压，从而对机载电子设备产生破坏。例如，当飞机遭到雷击时，间接效应可造成导航设备和驾驶舱仪表运行受到影响，产生计算机扰动、系统断路器跳开等破坏。雷电间接效应与雷电电流注入机身的相关电磁场及其与电压的升高程度有关，尽管飞机金属蒙皮提供了较好的电磁屏蔽效果，但部分电磁场仍可穿透缝隙或窗户，并在飞机电气线路中感应出瞬态电流或电压浪涌，飞机金属结构接头和非金属结构电阻使飞机内设备之间产生浪涌电压，浪涌电压又反过来干扰或损坏飞机的电气设备。

雷电间接效应危害的对象是飞机电路和设备，并可能出现在飞机内的任何地方，如远离雷电附着点的设备处。表1为航空公司统计的214次雷击后得出的雷击间接效应影响飞机设备工作情况的统计表。

2.3 雷电对燃油系统的危害

飞机燃油系统通常分布在飞机机身各区域，占用飞机相当大的空间，其中包括飞机油箱、管路系统及相关控制装置等。雷电对燃油系统造成的危害是影响飞行安全的关键因素之一，燃油系统具有引燃能量低、分布区域广、引燃因素多及系统复杂等特点，只需要传导1A电流强度的电弧就可以点燃碳氢化合物类的燃油蒸气。雷电可以将上千安的电流注入飞机，并通过装满燃油蒸气的油箱结构，在一些未经特殊设计的结构接头或管路接口处很容易产生电弧或火花，导致飞机油箱起火燃烧或爆炸。

表1 雷击间接效应影响飞机设备工作情况统计（214次雷击）

3 飞机雷电防护设计

雷电会给飞机造成各类严重危害，因此为了保证飞机和机载设备的安全，必须进行严格的雷电防护设计工作。雷电防护设计只可能减少雷电的影响，而不能完全避免飞机遭受雷击。雷电最初从一个点附着进入飞机并从另一个点离开，通常这些附着位置都是飞机的两端，如机头或翼尖。飞机上还有一些雷电不可能附着的区域，以及仅在整个雷电持续时间的一小部分时间内容易遭受附着的区域，因此在进行飞机设计时，需根据雷电预计分量及影响程度对飞机表面进行雷电分区，典型的飞机雷电附着分区情况如图2所示。

图2 飞机的雷电附着分区情况

（1）1A区：首次雷击区，一般为机头、机翼、尾翼、尾锥及其他明显的突出物。

（2）1B区：首次雷击区，具有较长的悬停时间。

（3）1C区：首次雷击的过渡区。

（4）2A区：扫掠通道区，位于1A后方的机身、机翼区域。

（5）2B区：扫掠通道区，并具有较长的悬停时间。

（6）3区：除去以上区域，都划分为3区，3区是雷电附着概率最低的区域，但也可能会成为雷电传导的通道。

不同飞机的各个区域划分取决于飞机的几何形状和飞行特性，试验人员可以在飞机的等比例模型上进行雷电附着点试验。根据一般飞机的雷击经验，对不同区域的产品需开展不同要求的雷电防护设计工作。如在1A首次雷击区的雷击导电通道应具有传输200kA峰值电流、1～2s内传输200C电量的能力；在2区扫掠通道区内，导电通道应能够传输100kA峰值电流，且不会造成高热和着火现象。雷电电流流经的所有各处都应采取雷电防护措施，如雷达天线罩、航行灯、燃油加油口盖、天线、座舱盖、全静压管、翼尖和翼尾、油箱挂架、升降舵及襟副翼等。

3.1 雷电直接效应防护

3.1.1 对金属结构直接效应的防护

针对雷电对飞机金属结构造成的熔穿、阻性加热、起弧等多种危害，应分别采取不同的防护措施。例如，为防止雷电对飞机金属结构造成熔穿现象，最直接的方法是使用足够厚的金属薄板作为蒙皮，防止其不被完全熔穿，同时也可采用弧根分散和多层组合等方法进行防护；为避免阻性加热，严格控制飞机结构间的电阻值，在雷电电流流经的各个端点都应具有良好的电气连接性能，例如，翼尖到翼尖、水平安定面到机头金属部件之间的整体电阻值应小于5mΩ。

3.1.2 对不导电复合材料的防护

由于电场可以穿透树脂、玻璃纤维等不导电复合材料的表面，流光和迎接先导可能从不导电蒙皮下的导电物体上发生，并可能在这些蒙皮上造成穿孔，并对周围材料造成重大损坏，对此设计人员通常采用整体式和分段式的分流条进行保护。对于不要求电磁透波的地方，可将导电涂层应用于不导电表面，以便将雷电电流传导至机身进行防护。

3.1.3 对导电复合材料的防护

雷击可能导致碳纤维制成的导电复合材料中树脂发生高温热解，由此产生的冲击波效应也会造成层板的破裂损坏。为了防止该类情况的发生，设计人员需采用提高电导率与弧根分散的方法对机载的导电复合材料进行防护，如使用延展金属箔、交互编织金属丝等防护方式。

3.2 雷电间接效应防护

雷电间接效应形成的感应会对飞机电子电气设备与系统造成干扰、故障或损坏，因此需要进行防护设计，控制飞机电缆中的雷电感应电压和电流，提高电子电气设备的耐受能力。间接效应防护的最低要求是间接效应不能造成机载电气设备的物理损坏，不能对飞机和飞行人员有安全威胁的干扰，包括向机组人员传递对飞机安全构成威胁的各类误导性信息。

对雷电间接效应的防护方法通常为利用飞机结构所能提供的屏蔽，避免将设备和线路布置在最易受雷电电磁场影响的区域内，对机上线路采用良好的屏蔽和接地措施，设计提高机载设备的防护性能，达到满足安全裕度的要求。图3为屏蔽层接地的若干形式。

图3 屏蔽层接地的若干形式

3.3 飞机燃油系统防护

飞机燃油系统进行雷电防护的主要目标是在飞机受到雷击时防止燃油点燃而损坏飞机，燃油系统防护包括油箱本身、油箱通气管路、燃油排放管路、油箱检修口、燃油输送管路、电气控制装置与仪表等。

整体油箱的蒙皮结构使燃油直接与飞行器外蒙皮的内表面接触。飞机挂架或翼尖所携带的外部燃油箱也属于整体型油箱。如果整体油箱蒙皮位于雷电附着区，则须采取措施确保雷电不会熔穿油箱蒙皮，或防止蒙皮内表面受热升温至燃油蒸气的燃点。典型的燃油箱加油口盖改进设计如图4所示，图4（a）中给出了在没有防护措施的加油口盖内表面上发生打火的位置，图4（b）表示了可成功阻止内部打火的加油口盖设计形式。

图4 燃油箱加油口盖的设计

4 雷电防护设计的发展趋势

我国对飞机的雷电防护设计研究起步较晚，以前对飞机的雷电防护要求主要集中于个别潜在危害区域，如燃油箱、天线及其它外部“进入点”，缺少整体系统性的雷电防护设计理念。近年来，随着对飞机遭受雷电及其效应认识的增加，飞机雷电防护要求和相关的标准都发生了巨大的变化。中国民用航空局（CAAC）在跟踪借鉴美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）关于雷电防护要求的基础上，发布了完整的国内雷电防护适航管理条款，明确规定了对飞机机身、燃油系统、电子、导航系统及其他系统的防护要求。目前，我国新型军民两用飞机的设计制造均需开展严格的雷电防护合格审定，确定雷击区域和雷电环境，制定防护准则，对飞机各个部分进行相关的雷电防护措施设计，以期将雷电对飞机的危害降到最低，保证机上机组人员与所有乘客的飞行安全。