民用飞机电通路结构网络的设计

孙健宇

【摘 要】民用飞机上的任何电子电气系统都需要通过导电性较好的结构连接建立一条稳定的低阻抗电通路网络，以满足接地、导电、基准电压、防电磁干扰和闪电防护等电气性能。传统金属材料飞机自身形成了较好的结构电通路；目前较先进的碳纤维复合材料飞机由于其自身结构导电性较差，便需要设计额外的电通路结构网络（ESN）来实现上述的电气性能。通过介绍目前主流飞机的电通路结构网络方案，总结归纳出一种典型的民用飞机电通路结构网络的设计方法，对国内民用飞机的研制具有重要的意义。

【关键词】电通路结构网络（ESN）；接地；电搭接；ESN元件

【Abstract】An stable electrical network which has low resistances must be constituted of high conductive structures for any electrical and electronic equipments on civil aircraft， which provides electrical functions such as grounding、bonding、voltage reference、protection from electromagnetic interference and protection against lightning strike. A conventional metallic aircraft inherently provides electrical a high conductive network； at present the advanced composite aircraft requires additional electrical structure network（ESN） to provide electrical functions， due to poor electrical conductivity of composite structures compared to metal. the text introduces the electrical structure network designing for main models of the civil aircraft at present， and summarizes and concludes a general design method for the electrical structure network of civil aircraft， guiding the development of the civil aircraft in our country.

【Key words】Electrical structure network（ESN）； Grounding； Electrical bonding； ESN elements

0 引言

现代民用飞机上装载有各种复杂的电子电气系统，这些系统设备需要互相连接，建立一个稳定的低阻抗电流通路，形成电源和信号的回路，满足各种电气性能[1]。这个电流通路一般利用飞机机体结构件搭接而成，被称为飞机的电通路结构网络（Electrical Structure Network 简称ESN）。电通路结构网络（以下简称ESN）的建立可以避免系统设备之间产生电位差，降低设备机箱和壳体上的射频感应电势，防止静电积聚，抑制射频干扰、保证系统电子和电气性能的稳定，同时有效防止雷电放电危害，保护系统和人身安全。ESN还为系统设备提供了良好的信号参考地。传统金属飞机和复合材料飞机的ESN设计有所不同，下面分别论述。

1 传统金属飞机的ESN设计

传统金属飞机一般采用铝合金、钛合金和少量钢作为主要结构材料[2]。这些金属材料本身具有良好的导电性能，以其作为材料的零件如长桁、蒙皮、框、地板梁、立柱和地板滑轨等纵横结构件互相连接，不但形成一个可以承受各种载荷、满足强度和刚度要求的传力系统，同时也形成一个ESN网络。每个结构零件自身作为一个ESN元件，虽然已经具备较好的导电性，但仍然需要定量地满足一定电气性能要求，一般是以截面尺寸、通过电流值和单位长度的电阻值这三个参数来测定。

原则上，飞机设计员在设计零件外形尺寸时不仅要考虑结构传力要求和制造工艺性，还要考虑满足ESN设计要求，具体参数应参考电气专业的规范文件。ESN性能参数一般包括电流值、单位长度电阻值和最小截面积。但是目前一般铝合金结构零件在满足了强度设计要求后，其截面尺寸一般也都能满足ESN性能参数。

金属结构飞机的ESN设计除了需要保证结构元件自身要满足电气性能要求之外，结构元件之间的连接（即电搭接）也需要考虑。金属结构件之间的连接一般都是通过铆钉、螺栓和高锁紧固件等机械紧固件进行连接，其本身可以实现一般电搭接，如图1。对于过盈配合的高锁螺栓，电搭接路径为：结构件1螺栓杆→结构件2。结构件1和结构件2虽然相互贴合，但是它们各自表面涂有化学膜层和漆层，一般认为相互绝缘。在某些电气系统设备安装位置，其对结构连接处有比较高的电搭接要求，需要对紧固件周围的零件贴合面进行退漆处理，增加导通截面。这些位置需要满足规定的电导通设计参数并作相应的电导通测试。

金属结构飞机的ESN建立之后，最后一步就是飞机上各系统设备与ESN的电搭接，实现ESN的最终目的。机载系统电搭接按功能分类主要有天线搭接、电流回路搭接、易燃易爆区搭接、防射频干扰搭接、防雷击搭接、静电防护搭接和闪电防护搭接七类。应根据系统设备的不同要求设计搭接种类，如电子电气元件必须考虑防射频干扰，其搭接电阻要求很高，一般要求小于2-2.5mΩ，非电子电气类元件搭接要求较低，可按系统管路的搭接要求设计。具体方式就是系统与其安装支架或结构进行连接，主要采用面面搭接，如图2，与系统安装脚搭接的结构表面应去除化学膜层和漆层。但有的系统如电动马达与支架之间有阻尼垫板，无法实现面面搭接，则可以采用搭接线搭接。

2 复合材料飞机的ESN设计

目前国内外先进的民用客机如波音787、空客A350XWB等均开始大面积采用碳纤维复合材料机身结构，大大改善了飞机的强度、寿命、重量和经济性[3]，但是由于碳纤维复合材料的导电性能较差，其自身结构不能用作电流回路，无法形成电通路结构网络（ESN），故需要增加额外的金属导电构件来实现。

复合材料飞机的ESN主要由机体主导电结构、辅助导电结构以及其它连接元件三部分组成。复合材料飞机尽管大部分结构件如蒙皮、长桁、框和地板梁等都采用碳纤维复合材料，但是仍然有部分结构件采用铝合金、钛合金等金属材料，如地板的座椅滑轨、货舱的导轨和地板横梁（各个型号飞机的设计有所不同）。在构建ESN网络时，处于减重目的，复合材料飞机应该尽量利用自身已有的金属结构件作为机体主导电结构。

一般来说机体主导电结构是贯穿全机的结构件，且分布在纵横方向上。纵向是客舱地板滑轨或货舱地板滑轨，横向是地板横梁或类似的横向构件。机体主导电结构的ESN设计要求和第1节介绍的金属材料飞机相同，主导电结构件自身以及结构件之间连接的电导通系能参数也完全相同。

辅助导电结构是指安装在机身内部结构上的条带、线缆和搭接片等ESN元件。例如机身隔框和地板梁是复合材料结构，这就要在这两者上增加ESN条带，以便和纵向的主导电结构联接成ESN。ESN条带需要沿着机身框和地板梁的走向进行安装。对于机身框，ESN条带可以通过铝合金支架安装在框腹板上，铝合金支架与复合材料框腹板之间通过钛铆钉湿安装连接，两者之间要通过玻璃布隔离；铝合金支架与铝合金ESN条带自身通过螺钉连接。对于地板横梁，ESN条带可以直接铺设在横梁缘条上，与座椅滑轨的紧固件共螺，条带和复合材料横梁之间也要安装玻璃布进行异电位防腐隔离。无论是机身框上的ESN条带还是地板横梁上的ESN条带，都不能设计为一个整体构件，而要根据工艺要求进行分段。综合考虑重量和导电性能，ESN条带一般仍采用铝合金，截面积不小于40mm2，单个ESN条带的最大长度不超过250mm-300mm。相对而言，辅助导电结构的电通路要求比机体主导电结构低的多。

辅助导电结构如ESN条带与机体主导电结构的连接可以通过螺栓或铆钉之间连接，也可以通过中间搭接片连接，如机身框上ESN条带在与铝合金地板横梁（主导电结构）的连接处，两者通过一个铝合金搭接片实现电搭接。

机体主导电结构、辅助导电结构和复合材料结构之间虽然不需要进行电搭接，但是也并非完全隔离，其目的是尽量减少两者之间的电势差，避免短路电流和雷击对复合材材料造成损害。但是其需要满足的ESN电性能参数要求很低，只要通过金属零件和复合材料零件之间的紧固件湿安装连接就可以实现[4]。

机体主导电结构、辅助导电结构和系统设备之间的电搭接要求与传统金属飞机类似，可以参考第1节的内容。复合材料飞机ESN网络中各元素之间的连接设计要求如图3所示。

3 结束语

飞机电通路结构网络设计的四个要点就是ESN布置、ESN元件设计、ESN元件之间的连接和系统电搭接。对于传统金属飞机，前三个要素已经包含在飞机结构设计中了；对于复合材料飞机，前三者是需要进行重点研究的，并综合考虑电性能参数和重量、工艺等因素完成ESN网络的设计方案。本文所介绍的ESN方案对国内先进民用飞机的研制具有重要的意义。

【参考文献】

[1]王昂，毛德华，高占民，等.飞机设计手册第17册[M].北京：航空工业出版社，2000：141-142.

[2]王昂，毛德华，高占民，等.飞机设计手册第10册[M].北京：航空工业出版社，2000：133-134.

[3]牛春匀.实用飞机结构工程设计[M].北京：航空工业出版社，2008：620-621.

[4]牛春匀.实用飞机结构应力分析及尺寸设计[M].北京：航空工业出版社，2009：246-247.

[责任编辑：汤静]