2022年飞机雷电防护设计与鉴定试验 .pdf

飞机设计第 29 卷飞机设计AIRCRAFT DESIGNVol. 29 No. 5Oct2009第 29卷第 5 期2009 年10 月文章编号：1673-4599（2009） 05-0054-06飞机雷电防护设计与鉴定试验摘要： 飞机遭受雷击后产生强大的雷电流，它严重的威胁飞行的安全。本文分析了雷电造成的危害，并论述了飞机结构设计应为雷电流提供低阻抗的通路。对雷击放电敏感的部位和部件，必须根据自身的重要性采取适当的雷电防护措施，以尽可能减少雷电对飞机的损害。最后介绍了为确保雷电防护措施的可靠性而进行的验证试验方法 。关键词： 损伤机理；防护设计；鉴定试验中图分类号： V221文献标识码： ADesign of LightningProtection and CertificationTest for AircraftWANG Tian-shun1，LEI Hong1，LI Feng2，XIE Xiang-jun2(1. Shenyang Aircraft Design & ResearchInstitute，Shenyang 110035，China )(2. PLA MilitaryRepresentative Office in Shenyang Aircraft Industries （group ）Co Ltd.，Shenyang 110034，China )Abstract:Formidable lightningcurrent is produced after the aircraft suffers lightning.It imperilsvolatile safety badly. The harm from lightning is analyzed in this paper，and it is demonstrated thatlow impedance pass should be provided in structure design of aircraft for lightning current. Suitablemeasuresfor lightning protection of aircraft must be adopted according to oneself importance to theplace and parts that are sensitive to discharge of lightning strike，so that the damage to aircraft canbe reduced by lightning strike.Eventually demonstration test means that assure reliabilityof measure for lightningprotection ispresentedKey words: damagemechanism；protection design；evaluation test收稿日期： 2009- 03- 10；修订日期：2009- 09- 16王天顺1，雷虹1，李锋2，解向军2（1. 沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035 ）（ 2. 中国人民解放军驻沈阳飞机工业（集团）有限公司军事代表室，辽宁沈阳110034 ）飞机在飞行中遭受雷击事件，在国内外时有发生 。雷击往往给飞机造成重大损失，尤其严重的是击穿飞机的油箱而引起爆炸。飞机遭雷击后，雷电产生强大的电流，形成电磁场、光辐射、冲击波和电弧，这些现象都严重威胁飞机的安全 。1978年12月，美国一架C- 130运输机在执行任务时，进入雷暴区后不久，燃油箱就遭到雷击，引起爆炸造成机毁人亡。 国际航空 1996年第9期报道了一架B- 2轰炸机在一次训练飞行中，在3 000 m空中被雷电击中，造成机翼表面损坏。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 5 期王天顺等：飞机雷电防护设计与鉴定试验1997年5月14日，我国某航空公司B757飞机执行上海至厦门航班任务时，进入福州管制区后，当飞机从两块积雨云之间穿过时，遭遇冰雹和雷击，飞机雷达罩、驾驶舱风挡及左发动机整流罩包皮等多处受损1。雷电对飞机产生直接影响表现为燃烧、熔蚀、爆炸和结构变形等，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、容性耦合 、雷电脉冲在结构件和接地线电阻上产生压降等3种成分组合而成 。飞机的雷电防护在飞机设计中占有相当重要的地位，现代飞机结构中采用非金属材料日渐增多，同时又越来越趋向于采用电传操纵和自主导航设备，因此，飞机的防雷击问题越来越受到航空界的普遍关注。1雷电的损伤机理1.1物理效应在雷击前阶段，飞机周围高电场的引发是来自飞机尖端部位的电子流，如果电子流经过有易燃油气混合物存在的燃油口，就有可能发生点燃现象，若火苗窜入油箱，就会导致猛烈的燃油爆炸。在雷电的高峰值电流阶段，会在几微秒内传送大量能量，将导致物质材料汽化，并能造成结构性破坏 。雷电电流流经飞机时，会在搭接不良的结构交接部位出现打火现象。附着到整体油箱外壳上的雷电也会在油箱上烧出孔洞，或者使表面发热以致点燃存在的易燃气体。在雷击的恒定电流阶段，会给飞机结构带来严重的燃烧和腐蚀性破坏 。如果在雷电电弧存在的整个时间内，雷电通道停止在飞机的某一点上，会导致在飞机的蒙皮上形成直径几厘米的孔洞。1.2电磁效应电磁效应指的是由电流或电压使机载设备遭受破坏或失常，即使这些电流或电压可能是由于雷电电弧直接附着到一个外部的电气装置上引起的，例如翼尖的一个导航灯。如果雷电将其防护玻璃损坏或烧穿其金属罩并接触到灯泡的灯丝，则电流将进入导线，从灯泡流至电源汇流条。这种瞬时电流将导线烧毁或汽化，或者击穿绝缘物，破坏其他电气设备。即使雷电不直接接触导线，也会在飞机的周围建立起变化的电磁场。电磁场能够透过金属蒙皮，或者直接穿透诸如接缝、孔洞或其它非金属部位。由于场随时间变化，因此会在飞机内部的电路中感应出瞬时电压和电流。当雷电电流流经飞机构架上的高阻抗部位时，也会产生大的电压和电流。雷电可以在电起爆装置及其发火线路等附件上感应出相当大的电流，单极屏蔽线虽然能够通过采用屏蔽和滤波的方法，把单极发火系统设计成在规定辐射环境中能保持安全和可靠使用，但是安全开关仍然易于因雷电电磁脉冲或其他形式的电磁干扰感应的大电流而发生电压击穿。对于与电起爆装置并联的单极发火系统来说，虽然浪涌电流可以绕过安全开关，但是，由于电起爆装置的发火系统之间能够形成回路，因此雷电电磁脉冲在该环路中感应的浪涌电流照样能对其造成破坏 。若电起爆装置的发火线路处于辐射场中，能起接收天线的作用。当电路的任一部分存在接地点时，则会提供共模电流的通路使电荷释放。如果该通道的阻抗很高，就会积累更高的电压，足以在电起爆装置中引起电压击穿而导致非正常起爆 。由于雷电产生的辐射是脉冲的，因此可能存在极高的瞬时电压。对于双脚线电起爆装置来说，如果两导线因弯曲而造成的不对称，那么这种辐射场将对电路构成更大的威胁2。2防雷击设计2.1结构飞机结构的设计应该为雷电流提供低阻抗的通路，对雷击放电敏感的飞机系统和部件，必须根据自身的重要性采取适当的雷电防护措施，以尽可能减少雷电对飞机的危害，雷电防护措施的可靠性应通过分析或试验来验证。整个飞机框架之间，以及蒙皮与飞机基本结构之间，必须有稳定的低阻抗搭接通路，以使强大的雷电电流安全通过而无过热，在任何间隙处都不会产生电火花。在雷电电流流动的两个端点上，必须有良好的电气连接，如翼尖到翼尖，水平安定面到机身最前面的金属部件之间的整体电阻值都应小于50m。传递雷电流所用的搭接线，在雷电弧不可能附着并有足够数量的搭接线来传递雷电流的情况下，单根铜线的截面应不小于4 mm2。对于雷电弧可能附着的搭接线，铜线的截面应不小于20mm2。如采用铝线，其截面的冲击载流能力应与铜线相当 。搭接线与其接头应采用压接，不允许用焊接方式连接。55名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 飞机设计第 29 卷由于雷电脉冲频谱的主要能量集中在10 kHz以下，因此雷电脉冲对窄缝隙的电磁穿透相对较小。一个幅度为几万V/m的雷电脉冲，对窄缝隙的穿透场强只有几十V/m3。因此良好的屏蔽设计对于降低雷电造成的危害是十分有效的。在直接雷击区，雷击导电通道应有能力传输200 kA的峰值电流和在1 s2 s内传输 200 C的电量；在扫掠雷击区，雷击导电通道应有能力传输 100 kA 的峰值电流，并且无高热和起火现象。雷电电流可能进入飞机及可能流经的所有部位，均应采取雷电防护措施，如航行灯、闪光灯 、燃油加油口盖、油量表口盖 、加油套管 、油箱通气管、天线 、雷达天线罩 、座舱盖 、全静压管 、翼尖和翼尾 、 油箱挂架 、武器及其挂架、升降舵 、方向舵 、副翼 、襟翼等 。无防护涂层的复合材料是不能用在直接雷击区和扫掠雷击区。用在直接雷击区的复合材料，外表面应喷涂0.15 mm厚的铝膜，或者用98 g/m2的铝丝网与复合材料一次成形。用在扫掠雷击区的复合材料，外表面应喷涂0.10 mm厚的铝膜，或者用 49 g/m2的铝丝网与复合材料一次成形。2.2空速管系统飞机雷电抑制器主要用于对飞机空速管系统的电源进行雷电防护，可有效的降低雷电危害，吸收 、抑制雷击过电压和过电流4。雷电抑制器由半导体陶瓷材料组成，其主要成分是锌、铋 、锑、钴、锰等金属及其氧化物，经合理配比、模压、烧结 、老化等各工序形成的一种新型非线性器件 。烧结后的基片具有两相结构，即由氧化铋构成的晶粒界层和由氧化锌构成的晶粒。晶粒部分具有 N型半导体特性，晶粒界层具有P型半导体特性，在晶粒与界层之间具有硅稳压管样的非线性伏安特性 。2.3燃油系统飞机燃油系统包括油箱、导管 、通气口 、放油口 、加油口盖和检修门等。燃油系统的维护口盖、通气口 、放油口 、加油口盖应尽量安置在放电电弧直接附着可能性很小的区域，以免油箱爆炸、燃烧。设置在雷电初始附着区和扫掠冲击区的金属燃油箱，其铝蒙皮厚度至少为2 mm5，油箱内部部件与其他结构设计应保证雷电电流流过油箱时，在其内部不产生点燃燃油蒸气的火花。油箱及油箱内可能带静电的附件，均应搭接到基本结构，金属部位与基本结构的搭接电阻值应不大于2 000 。复合材料整体油箱，应安置在遭受雷击概率较小的区域，并采用喷镀铝或铝丝网作为防护措施。铝丝网在复合材料油箱蒙皮周边与飞机的雷击电流传输通路应有可靠的电连接，油箱蒙皮与骨架之间用紧固件连接时，要采取措施防止遭到雷击时这些紧固件处产生电火花。每只油箱至少应有两处搭接到基本结构，油箱的防护设施与基本结构的搭接电阻值应不大于10 m。安装在复合材料结构件上的燃油管与基本结构的搭接电阻值最大不应超过0.1 6。2.4操纵系统在升降舵 、方向舵 、副翼 、襟翼等操纵面，均应有搭接线跨接到各个铰链，使操纵面与基本结构搭接，以分流铰链或轴承上流过的雷电流。操纵面只有一个铰链时，至少用2根搭接线跨接在铰链上 。为保护操纵钢索或拉杆，各段操纵钢索、拉杆以及驾驶杆应通过搭接线搭接到基本结构，并使该系统的放电通路长度至少为系统各部件到基本结构全部搭接线总长度的10倍7。2.5雷达罩雷击能在极短的时间内传送大量的电流，由于雷达罩是非金属材料，传递电荷十分困难，因此，这种电荷的快速传送会使雷达罩材料很快高温汽化 。如果这一过程发生在有限的空间内，就能产生很大的气压，压力值可达到大面积结构损伤的程度，未加防护的雷达罩受到雷击时，常常遭受严重的损伤。空速管和分流条能够构成良好的雷达罩雷电防护体系 。如果机头桁条与机身之间有良好的搭接，带有约 90锥角的机头桁条尖端的锥形区域后方的雷达罩部分区域可以得到防护。作为机头桁条分流器的空速管位于雷达罩的尖部，在电气上与罩内敷设的接地铜管短接。管内穿过空速管加温导线的火线，铜管作为负线，这样就避免了雷击电流的感应耦合。威胁加温电缆绝缘的电压，仅有沿铜管的电阻性压降。若阻性压降过大，将从雷电抑制器上释放。间断型纽扣式分流条是在一条薄的玻璃钢层压带上铆上一排小型金属铆钉，压带上敷有高电阻层 。将这一层压带按雷达罩母线方向牢固地粘接在雷达罩上，其根部与飞机结构有良好的电搭接，它与机头桁条分流器共同构成良好的飞机雷电防护体系 。56名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 5 期（a ）图2。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 飞机设计第 29 卷（a)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 第 5 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -