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飛機(jī)復(fù)合材料雷擊防護(hù)技術(shù)
一般來說現(xiàn)代的飛機(jī)要求具有全天候飛行能力，因而大大提高航空器受到雷擊的可能性。同時新型飛行器廣泛采用復(fù)合材料、鈦合金、各種類型的夾層結(jié)構(gòu)等新材料、新結(jié)構(gòu)。而且在抗雷擊能力方面，與傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)相比，還存在一定的缺陷。由于其導(dǎo)電特性，飛機(jī)更易受雷擊而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)。備件上有損傷，影響飛行安全，所以復(fù)合材料的防雷及靜電防護(hù)設(shè)計也日益受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。不像民航，軍機(jī)或通用航空器不必遵守嚴(yán)格的時間表，也不必面對大城市機(jī)場交通擁擠，所以這些飛機(jī)不像民用飛機(jī)遇到那么多的雷擊。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,一般來說在航行的一年周期中,客機(jī)可能會遭受一到兩次雷擊,由于地理位置、飛行高度、飛行航線等不同因素的影響,雷擊發(fā)生的頻率可能高于平均值。當(dāng)飛機(jī)發(fā)生雷擊時，維護(hù)人員必須通過檢查找到其表面.上的連接點和分離點，然后通過評估以確保安全的飛行操作,因此如何將雷擊防護(hù)與檢測很好地統(tǒng)一起來成為了人們關(guān)注的重點。
一、飛行器雷擊防護(hù)研究現(xiàn)狀
第一個飛機(jī)雷電防護(hù)和測試標(biāo)準(zhǔn)由聯(lián)邦航空管理機(jī)構(gòu)和美國防御部門分別發(fā)布于咨詢通報25 ~3和軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-B-5087中。早期大多數(shù)飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計活動都把注意力放在防護(hù)飛機(jī)免受雷電直接的和物理的毀壞上。自60年代中期以來,一直每兩年舉行一次國際雷電與靜電學(xué)術(shù)會議( ICOLSE),交流與討論飛機(jī)的雷電防護(hù)與試驗研究工作。Anderson和Erickson 研究了大量的雷擊中測量到的波形數(shù)據(jù)并得出一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)。Piere 給出了典型及劇烈閃電情況下都存在的幾種電流模型。這些對航天飛機(jī)的設(shè)計依據(jù)的閃電模型產(chǎn)生了影響,并且強(qiáng)烈影響現(xiàn)在飛機(jī)取證中使用的閃電模式。在1938 年，由美國國家航空咨詢委員會( NA-CA)成立了-飛機(jī)安全委員會一氣象和閃電專家組為航天局研究閃電對飛機(jī)的影響以及決定在飛機(jī).上還需要哪些附加.的保護(hù)措施。Karl B. EeEachron博士是General Electric HighVoltage(通用電氣高電壓)試驗室的負(fù)責(zé)人,是該專家組的關(guān).鍵人物。他在該組的12年中,他首次在飛機(jī)部件上進(jìn)行了人造閃電的試驗。其它組織機(jī)構(gòu)如美國國家標(biāo)準(zhǔn)部門、明尼蘇達(dá)大學(xué)、雷電和瞬變研究協(xié)會,也開始從事閃電對飛機(jī)影響的研究。
早期的雷電標(biāo)準(zhǔn)未能定義可以接受的試驗方法，不能指明雷電對于飛機(jī)電子和航電系統(tǒng)的間接作用。認(rèn)識到以上的不足，F(xiàn)AA( Federal Aviation Administration, 美國聯(lián)邦航空管理局)和DOD( Department of Defense,( 美國)國防部)于1972年要求SAE( Society of Automobile Engineers,自動工程協(xié)會)電磁兼容委員會組成一個附屬委員會來負(fù)責(zé)發(fā)展先進(jìn)的飛機(jī)雷電防護(hù)設(shè)計和測試的標(biāo)準(zhǔn)。從可用的自然界雷電數(shù)據(jù)中綜合并形成了一個針對設(shè)計和試驗為目的的、標(biāo)準(zhǔn)的雷電環(huán)境。世界范圍的研究已進(jìn)入到自然界雷電環(huán)境的其它領(lǐng)域,例如,云內(nèi)閃電的特性和飛機(jī)和雷電之間的作用機(jī)理等。這方面的研究成果已經(jīng)開始并入到現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)文件中。1999年,SAE集中發(fā)布了包括APR5412《飛機(jī)雷電環(huán)境和相應(yīng)試驗波形》、APR5413《飛機(jī)電子/電氣系統(tǒng)雷電間接效應(yīng)的鑒定》、ARP5415《用戶手冊:用于飛機(jī)電子/電氣系統(tǒng)防雷間接效應(yīng)的鑒定》等在內(nèi)的一批復(fù)合材料電搭接相關(guān)規(guī)范文件。
美國航天局在1973年發(fā)布了文件名為JSC 07636的《航天飛機(jī)雷電標(biāo)準(zhǔn)文件》稍后發(fā)布了名為JSC 20007的《航天飛機(jī)雷電標(biāo)準(zhǔn)文件》,這些文件對閃電的間接效應(yīng)的防護(hù)進(jìn)行了規(guī)定。自此,閃電防護(hù)越來越注重間接效應(yīng)的防護(hù),有關(guān)飛機(jī)的雷電標(biāo)準(zhǔn)也日漸完善。
隨著全權(quán)限控制系統(tǒng)開始使用敏感的微型電子線路,人們開始關(guān)注雷電環(huán)境的其它方面，包括飛機(jī)遭遇的云內(nèi)和云間雷電的特性。相信這些雷擊電流的幅值和作用積分小于云-地之間的,其它方面例如電流的最大變化率和多重脈沖.都是受關(guān)注的，因為這些都是雷擊區(qū)域劃分及閃電通道和飛機(jī)相互作用的基礎(chǔ)。
美英等國對飛機(jī)雷擊展開了大量的研究,主要是通過高電壓實驗設(shè)備對飛機(jī)的整機(jī)或者部件的縮比模型進(jìn)行實驗,另外還對雷電的特性進(jìn)行了直接測量,并使用真實飛機(jī)飛越雷區(qū)。這些研究為^飛機(jī)的雷擊區(qū)域劃分和飛機(jī)的雷擊防護(hù)設(shè)計提供了依據(jù),為飛機(jī)的雷電防護(hù)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。由非導(dǎo)電復(fù)合材料制成的雷達(dá)罩、機(jī)翼尖端和尾翼尖端，整流罩和垂尾可以通過安裝分流帶或分流條防雷器或在結(jié)構(gòu)外提供一個導(dǎo)電的金屬層防雷擊。對于導(dǎo)電復(fù)合材料CFC(碳纖維復(fù)合材料),按FAR要求如果對某些結(jié)構(gòu)的破壞不會危及飛行安全,就不用實施保護(hù)措施。如果該破壞顯示了飛行安全. 上的危險,必須采 用保護(hù)措施。而飛機(jī)蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或電弧噴涂金屬,編織導(dǎo)線網(wǎng),金屬化的纖維或帶,或?qū)⒓?xì)導(dǎo)線編織在外層纖維中等。
近年來,國際上又有許多新產(chǎn)品出現(xiàn)。一種由紐約的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司開發(fā)的以聚合物為基料的裝飾層，能夠在被雷擊中后迅速汽化，以消耗電能來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種裝飾層相比傳統(tǒng)的網(wǎng)狀材料要輕,可以在結(jié)構(gòu)制成后貼上和撕下并且方便更換。加利福尼亞的Lighting Diversion System公司開發(fā)了一種被稱為“Confor-mal Shield”的金屬膜,這種薄膜具有很好的柔性，可鋪在復(fù)合材料構(gòu)件外表面,能對雷擊進(jìn)行保護(hù)。
隨著全權(quán)限控制系統(tǒng)開始使用敏感的微型電子線路,人們開始關(guān)注雷電環(huán)境的其它方面，包括飛機(jī)遭遇的云內(nèi)和云間雷電的特性。相信這些雷擊電流的幅值和作用積分小于云-地之間的,其它方面例如電流的最大變化率和多重脈沖.都是受關(guān)注的，因為這些都是雷擊區(qū)域劃分及閃電通道和飛機(jī)相互作用的基礎(chǔ)。
美英等國對飛機(jī)雷擊展開了大量的研究,主要是通過高電壓實驗設(shè)備對飛機(jī)的整機(jī)或者部件的縮比模型進(jìn)行實驗,另外還對雷電的特性進(jìn)行了直接測量,并使用真實飛機(jī)飛越雷區(qū)。這些研究為^飛機(jī)的雷擊區(qū)域劃分和飛機(jī)的雷擊防護(hù)設(shè)計提供了依據(jù),為飛機(jī)的雷電防護(hù)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。由非導(dǎo)電復(fù)合材料制成的雷達(dá)罩、機(jī)翼尖端和尾翼尖端，整流罩和垂尾可以通過安裝分流帶或分流條防雷器或在結(jié)構(gòu)外提供一個導(dǎo)電的金屬層防雷擊。對于導(dǎo)電復(fù)合材料CFC(碳纖維復(fù)合材料),按FAR要求如果對某些結(jié)構(gòu)的破壞不會危及飛行安全,就不用實施保護(hù)措施。如果該破壞顯示了飛行安全. 上的危險,必須采 用保護(hù)措施。而飛機(jī)蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或電弧噴涂金屬,編織導(dǎo)線網(wǎng),金屬化的纖維或帶,或?qū)⒓?xì)導(dǎo)線編織在外層纖維中等。
近年來,國際上又有許多新產(chǎn)品出現(xiàn)。一種由紐約的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司開發(fā)的以聚合物為基料的裝飾層，能夠在被雷擊中后迅速汽化，以消耗電能來保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這種裝飾層相比傳統(tǒng)的網(wǎng)狀材料要輕,可以在結(jié)構(gòu)制成后貼上和撕下并且方便更換。加利福尼亞的Lighting Diversion System公司開發(fā)了一種被稱為“Confor-mal Shield”的金屬膜,這種薄膜具有很好的柔性，可鋪在復(fù)合材料構(gòu)件外表面,能對雷擊進(jìn)行保護(hù)。
飛機(jī)的閃電防護(hù)技術(shù)只是減少閃電造成的危害,而不能完全避免。隨著對防雷擊的重視,閃電防護(hù)技術(shù)也日趨成熟,已經(jīng)將防護(hù)設(shè)計,實驗驗證與仿真實驗分析有效的結(jié)合起來,以進(jìn)行最合理化的防護(hù)設(shè)計工作。
飛機(jī)雷電防護(hù)研究方面，歐美科學(xué)家的工作走在世界前沿。美國早在1946年就成立了相應(yīng)雷電研究所,研究了雷電現(xiàn)象的本質(zhì),對其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析并探討了相關(guān)防護(hù)方法。在1964年~ 1988年間，為獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，美國航空航天局和美國空軍就開展了飛機(jī)穿越雷雨區(qū)的試驗并為飛機(jī)雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了借鑒與參考。此外，美軍還專門針對F-8艦載機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的雷擊試驗,對飛機(jī)飛控系統(tǒng)受雷電的影響進(jìn)行了著重分析。美國的Lloyd等人在1971年開展了對飛機(jī)的模擬雷擊試驗,測試了-飛機(jī)內(nèi)部電子電路的感應(yīng)電壓并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與分析。1978 年美國進(jìn)行了固體火箭助推器外殼的模擬雷擊試驗,對其內(nèi)部線纜上的感應(yīng)電壓、電流進(jìn)行了測量,并詳細(xì)分析助推器內(nèi)部元器件所受雷擊的影響。1984 年美國的Pryzby等人研究了復(fù)合材料在航空器_上的應(yīng)用及其相應(yīng)的防雷擊設(shè)計方法。1994年美國航空局進(jìn)行了飛機(jī)油箱的雷擊試驗,分析了可能發(fā)生爆炸的位置。
近年來,人們對飛行器雷擊防護(hù)與檢測一體化的研究有了新的發(fā)現(xiàn),并取得了一定的研究成果。波音787夢想客機(jī)創(chuàng)新性地使用了超過50%碳纖維復(fù)合材料,并在復(fù)合結(jié)構(gòu)層合板中添加導(dǎo)電多孔金屬箔( EMF)以減小雷擊對飛機(jī)造成的破壞性電磁影響。為了進(jìn)一步改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的雷擊保護(hù)，波音研究與技術(shù)中心的工程師模擬了多孔金屬箔復(fù)合材料的熱膨脹,并得出對于提高EMF載電流容量來實現(xiàn)雷擊保護(hù).而言,增大網(wǎng)格寬度或減小縱橫比是更好的策略的結(jié)論。他們還發(fā)現(xiàn)在相同的溫度范圍下，實驗與仿真結(jié)果均顯示鋁制.EMF的防護(hù)層中會產(chǎn)生相對較高的位移,因此對于飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的雷擊保護(hù),銅制EMF是更好的選擇。
飛機(jī)雷電防護(hù)研究方面，歐美科學(xué)家的工作走在世界前沿。美國早在1946年就成立了相應(yīng)雷電研究所,研究了雷電現(xiàn)象的本質(zhì),對其產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析并探討了相關(guān)防護(hù)方法。在1964年~ 1988年間，為獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，美國航空航天局和美國空軍就開展了飛機(jī)穿越雷雨區(qū)的試驗并為飛機(jī)雷擊防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了借鑒與參考。此外，美軍還專門針對F-8艦載機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的雷擊試驗,對飛機(jī)飛控系統(tǒng)受雷電的影響進(jìn)行了著重分析。美國的Lloyd等人在1971年開展了對飛機(jī)的模擬雷擊試驗,測試了-飛機(jī)內(nèi)部電子電路的感應(yīng)電壓并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理與分析。1978 年美國進(jìn)行了固體火箭助推器外殼的模擬雷擊試驗,對其內(nèi)部線纜上的感應(yīng)電壓、電流進(jìn)行了測量,并詳細(xì)分析助推器內(nèi)部元器件所受雷擊的影響。1984 年美國的Pryzby等人研究了復(fù)合材料在航空器_上的應(yīng)用及其相應(yīng)的防雷擊設(shè)計方法。1994年美國航空局進(jìn)行了飛機(jī)油箱的雷擊試驗,分析了可能發(fā)生爆炸的位置。
二、材料雷擊防護(hù)研究現(xiàn)狀
相比傳統(tǒng)的鋁皮設(shè)計，現(xiàn)代飛機(jī)大多使用較多的復(fù)合材料,其有重量輕且強(qiáng)度高等優(yōu)點,但目前對復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件雷擊損傷的研究相對較少，Metwally等人從理論分析了復(fù)合材料遭受雷擊時的暫態(tài)溫度場分布,并采用有限元方法計算了復(fù)合材料層合板的暫態(tài)溫度場。Yoshiyasu Hrano 等人進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料( CFRP)層合板的模擬雷擊試驗,分別采用了8種不同的雷電流波形和4種不同厚度的復(fù)合材料層合板,分析了雷擊損傷受雷電流參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的影響。分析表明,在雷擊過程中,層合板中出現(xiàn)了纖維斷裂、樹脂融化等現(xiàn)象,其中樣件尺寸的影響較小,而雷電流參數(shù)和復(fù)合材料的纖維敷設(shè)的角度對損傷程度與趨勢有較大的影響。Paolo Feraboli 等人研究了碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對于雷擊的抗性,通過向其中注入雷電流進(jìn)行雷擊試驗,分析了受損后的復(fù)合材料層合板的剩余強(qiáng)度,并對其壓縮模量進(jìn)行了測量。Toshio Ogasawara 等人通過仿真手段研究了碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板雷擊熱損傷過程,通過和Yo-shiyasuHirano等人的試驗結(jié)果進(jìn)行對比，揭示了造成CFRP層合板損傷的關(guān)鍵因素是焦耳熱效應(yīng)，并進(jìn)一步研究了作用積分與分層面積、破壞深度之間的相關(guān)性。HirohideKawaka-mi等人在復(fù)合材料表層敷設(shè)金屬網(wǎng),并研究了其防雷擊的效果,通過雷擊實驗以及損傷分析,提出金屬網(wǎng)能夠起到良好的防護(hù)效果,盡管復(fù)合材料層合板還是出現(xiàn)了一定的結(jié)構(gòu)破壞損傷。Brick 、Oh和Schneider通過對400A衰減電弧在風(fēng)洞中通過排氣裝置吹過幾種不同表面處理的鋁、鈦蒙皮板情況的研究,表明引起氣流離開飛機(jī)表面的條件可能迫使閃電弧在氣流轉(zhuǎn)向前停留在最后的接觸點.上的時間更長些，也論證了飛機(jī)速度高導(dǎo)致電弧停留時間短的現(xiàn)象。三、復(fù)合材料雷擊防護(hù)技術(shù)
在大型客機(jī)的薄金屬和復(fù)合材料外殼內(nèi),成千上萬的敏感半導(dǎo)體元件執(zhí)行著從導(dǎo)航到發(fā)動機(jī)控制等關(guān)鍵功能,因此保護(hù)敏感電子設(shè)備對于確保乘客和機(jī)組人員的安全至關(guān)重要。Mel Clark等人通過編寫MicroNotes系列手冊,整理了從飛機(jī)喘振要求到適合于各種情況的TVS參數(shù)等數(shù)據(jù),使得設(shè)計人員可以直接從設(shè)備圖表中進(jìn)行選擇,更高效地針對具體情況選擇正確的TVS來節(jié)省設(shè)計時間。近年來,人們對飛行器雷擊防護(hù)與檢測一體化的研究有了新的發(fā)現(xiàn),并取得了一定的研究成果。波音787夢想客機(jī)創(chuàng)新性地使用了超過50%碳纖維復(fù)合材料,并在復(fù)合結(jié)構(gòu)層合板中添加導(dǎo)電多孔金屬箔( EMF)以減小雷擊對飛機(jī)造成的破壞性電磁影響。為了進(jìn)一步改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的雷擊保護(hù)，波音研究與技術(shù)中心的工程師模擬了多孔金屬箔復(fù)合材料的熱膨脹,并得出對于提高EMF載電流容量來實現(xiàn)雷擊保護(hù).而言,增大網(wǎng)格寬度或減小縱橫比是更好的策略的結(jié)論。他們還發(fā)現(xiàn)在相同的溫度范圍下，實驗與仿真結(jié)果均顯示鋁制.EMF的防護(hù)層中會產(chǎn)生相對較高的位移,因此對于飛機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)的雷擊保護(hù),銅制EMF是更好的選擇。
2011年，Woodard將NASA開發(fā)的SansEC傳感技術(shù)應(yīng)用于充氣式太空艙和行星探測車上,通過加熱地表來檢測水并識別可能存在冰融化的響應(yīng)等方法進(jìn)行空間探測。SansEC傳感器由放置在非導(dǎo)電表面。上的薄導(dǎo)電膜制成,還可以用作傳感蒙皮,每個傳感器都可以根據(jù)具體測量進(jìn)行定制并很好地結(jié)合到空間系統(tǒng)中。2015 年,美國宇航局蘭利研究中心的Dudley等人開發(fā)了一種開路諧振傳感器,用于非導(dǎo)電和導(dǎo)電航空航天復(fù)合材料的原位損傷檢測和診斷。該概念是將一組SansEC傳感器應(yīng)用于飛機(jī)表面，在復(fù)合材料上形成“智能皮膚”層, Langley研究中心的高級研究人員George Szatkowski和Kenneth Dudley表示，它可以測量電氣、機(jī)械、熱和化學(xué)現(xiàn)象,更重要的是,它可以檢測和識別復(fù)合材料中的分層、刺破、空隙和裂縫。通過雷擊測試、實驗性損傷測試和計算建模,他們證明了SansEC傳感器可以有效地用于雷擊保護(hù)和復(fù)合材料的原位損傷檢測，并驗證了使用高磁導(dǎo)率材料來控制傳感器和復(fù)合基板之間的電磁場耦合的可行性。
性事故。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性能差,當(dāng)遭受雷擊時在短時間內(nèi)很難將電流導(dǎo)走,產(chǎn)生了過高的溫度,從而使得復(fù)合材料產(chǎn)生深度分層或被嚴(yán)重?zé)g,引起結(jié)構(gòu)的破壞。更嚴(yán)重的是，當(dāng)滯留在構(gòu)件上的電荷沖過與其接觸的導(dǎo)體間隙時,會產(chǎn)生火花甚至接觸油箱內(nèi)的燃油蒸汽從而引發(fā)爆炸事故;同時，雷擊電流在飛機(jī)上感應(yīng)電磁場,進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部并在飛機(jī)電氣導(dǎo)線上產(chǎn)生瞬間浪涌電壓，這些浪涌電壓會干擾或損壞電氣或電子設(shè)備,危及飛機(jī)正常使用。因此飛行器的雷擊防護(hù)設(shè)計越來越受重視。本文在介紹飛行器雷擊防護(hù)和復(fù)合材料雷擊防護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,介紹了一種新型飛行器雷擊防護(hù)技術(shù)，該技術(shù)將雷擊防護(hù)、結(jié)冰探測、電磁屏蔽等多功能結(jié)合在一起，是未來飛行器雷擊防護(hù)技術(shù)發(fā)展的新方向。
四、結(jié)語
全金屬飛機(jī)具有良好的導(dǎo)電性,電荷分布在接近放電端的外表面.上，并能對內(nèi)部起到電磁屏蔽作用,金屬飛機(jī)遭遇雷擊時機(jī)身外表面能將電荷順利導(dǎo)走，而不會造成重大災(zāi)難性事故。由于復(fù)合材料導(dǎo)電性能差,當(dāng)遭受雷擊時在短時間內(nèi)很難將電流導(dǎo)走,產(chǎn)生了過高的溫度,從而使得復(fù)合材料產(chǎn)生深度分層或被嚴(yán)重?zé)g,引起結(jié)構(gòu)的破壞。更嚴(yán)重的是，當(dāng)滯留在構(gòu)件上的電荷沖過與其接觸的導(dǎo)體間隙時,會產(chǎn)生火花甚至接觸油箱內(nèi)的燃油蒸汽從而引發(fā)爆炸事故;同時，雷擊電流在飛機(jī)上感應(yīng)電磁場,進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部并在飛機(jī)電氣導(dǎo)線上產(chǎn)生瞬間浪涌電壓，這些浪涌電壓會干擾或損壞電氣或電子設(shè)備,危及飛機(jī)正常使用。因此飛行器的雷擊防護(hù)設(shè)計越來越受重視。本文在介紹飛行器雷擊防護(hù)和復(fù)合材料雷擊防護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,介紹了一種新型飛行器雷擊防護(hù)技術(shù)，該技術(shù)將雷擊防護(hù)、結(jié)冰探測、電磁屏蔽等多功能結(jié)合在一起，是未來飛行器雷擊防護(hù)技術(shù)發(fā)展的新方向。
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