民用飞机翼身整流罩雷电防护技术分析及应用

王明庆

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海201210）

民用飞机翼身整流罩雷电防护技术分析及应用

王明庆

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海201210）

民用飞机翼身整流罩在飞机雷击分区中属于扫掠冲击区域。现代民用飞机翼身整流罩面板大多使用复合材料层合板，如果在雷击过程中遭遇扫掠电流，面板会产生大量热量并最终导致损坏。介绍了飞机遭遇雷击的过程及可能造成的损伤，并以某民用飞机机型为例，分析了翼身整流罩常用的一些雷电防护技术。

民用飞机；翼身整流罩；复合材料；雷电防护

当代民用飞机越来越多地采用复合材料作为机体结构的组成部分，尤其是翼身整流罩，其面板结构一般是完全使用碳纤维复合材料。与传统金属材料相比，复合材料有着更高的比强度和比刚度，能够显著地降低飞机的重量。但其劣势在于导电率远远低于金属，一旦遭遇雷击，将会对结构造成严重的损伤[1-3]。因此，在民用飞机的设计过程中，复合材料结构的雷电防护设计尤为重要。

1 雷击的过程及影响

雷电由飞机上的一个或多个附着点进入和离开飞机。所有突出的前端部位（如雷达罩、机翼前缘、短舱吊挂前缘等）都是可能的雷电进入附着点。由于飞机是运动的，当雷电由附着点进入飞机后，雷电通路沿飞机表面向后扫掠，从而在飞机结构中产生电流。民用飞机翼身整流罩一般位于机身中段下部，在典型飞机闪电环境分区中属于扫掠冲击区域[1，2]。现代民用飞机翼身整流罩一般采用树脂基碳纤维复合材料面板与铝合金骨架相结合的结构方案，铝合金是良好的导体，一般不需要特殊措施。但是当树脂基碳纤维面板遭遇雷击电流时，由于碳纤维电阻极大，在电流的传导过程中将产生大量的热量，使得碳纤维快速升温，当升至某一临界温度以上时，树脂基体开始热分解，使纤维失去基体的支持，整个复合材料零件的强度和刚度大幅度下降，最终导致结构破坏。更为严重的是，树脂燃烧或者高温分解会释放出气体，如果气体积聚在零件内部，压力不断升高时，可能会导致爆炸，从而损伤机体结构，危及飞行安全[3，4]。因此，必须为树脂基碳纤维面板设立专用的雷电传输通道，以防止结构遭到雷击而失效。

2 闪电防护技术分析

翼身整流罩的闪电防护分为碳纤维复合材料面板和内部金属骨架两部分，这是由于其材料属性不同，因而防护措施也有所差异。对于金属零件，由于其本身导电率良好，只需对其进行适当的电搭接以消除零件间隙或者零件涂层导致的接触不良。对于复材面板，常见的防护技术主要有火焰喷涂、滚轧孔金属网、编织金属网、层间混杂复合材料、铺贴金属箔等。考虑到稳定性、施工难度、成本以及可修理性等因素，这些防护措施中又以铺贴金属网（滚轧或编织）最为常用[5]。

2.1 金属零件的闪电防护

金属零件本身是良好的导体，不需要做特殊的闪电防护措施。但是由于飞机上的零件表面涂有漆层，且相邻零件之间往往留有间隙，使得电流的传导会在这些位置受阻。为了避免这类问题，相邻金属零件之间的电接触需要满足一定的规范，例如：

（1）接头与框或长桁之间至少需要两处电搭接点，其中一处位于腹板上，一处位于缘条上。

（2）相邻的长桁或框之间的距离大于800 mm时，应在两者之间增加一处额外的电搭接点。

2.2 复合材料的闪电防护

前面提到目前有多种方式对复合材料进行闪电防护，其中以铺贴金属网最为常用。这种防护方式的主要原理是将复材面板表面的扫掠电流通过金属网传递到机身金属结构并最终进入到机身的导电通路。由于复材面板的面积普遍较大，为了提高电流的导通性，可以在面板上的每个紧固件连接处使用金属凹陷垫圈，利用垫圈与金属网之间的接触以及垫圈与紧固件之间的接触将金属网与内部金属结构的导电通路连接起来，如图1所示。需要注意的是，导电通路上的各个接触部位应去除漆层及其他可能会影响电流传导的表面涂层，并注意相邻的金属结构之间不要有空隙，以保持良好的接触。

图1 某机型复合材料面板闪电防护典型案例

3 结束语

翼身整流罩的防雷击设计是飞机结构设计环节中的重要部分。本文以某民用飞机机型为例，分析了翼身整流罩闪电防护的关键要点。整流罩内部的金属结构导电性较好，不需要采取特殊措施，但应注意相邻的电搭接点之间应小于某一特定距离以尽量减小导电通路中的电阻。对于复材面板，通常采用铺贴金属网的方式对其进行闪电防护，为了增加其电流导通性，可以在每个紧固件连接处使用金属凹陷垫圈来增加金属网与整流罩内部金属结构之间的连接点。

[1]常海洋.飞机复合材料结构闪电防护技术研究[J].飞机设计，2014，34（5）：11-14.

[2]熊秀.飞机雷电直接效应综述[J].飞机设计，2001，31（4）：64-68.

[3]刘志强.不同防护形式复合材料板雷击损伤分区特性[J].复合材料学报，2015，32（1）：284-294.

[4]温浩.飞机模型雷击附着点试验研究[J].高电压技术，2006，32（7）：90-92.

[5]王天顺.飞机雷电防护[J].飞机设计，2001（4）：48-52.

Analysis and Application of Protection Technology of Civil Aircraft Wing Body Fairing Lightning

WANG Ming-qing
（Shanghai Aircraft Design&Research Institute，Commercial Aircraft Corporation of China，Shanghai 201210，China）

The wing-body（WF）fairing of civil aircraft belongs to the sweep area in the aircraft lightning partition. Modern commercial aircraft wing-body fairing panels are often composed of composite laminate.The panel will generate a lot of heat and eventually cause damage under the sweep current during the lightning hit.This article describes the process of the lightning strikes and damages may be caused，and uses a civilian aircraft model，for example，to analyze some lightning protection technology for the wing-body fairing.

civil aircraft；wing-body fairing；composite material；lightning protection

V25

B

1672-545X（2016）11-0196-02

2016-08-15

王明庆（1985-），男，上海人，硕士研究生，工程师，主要从事飞行器结构设计工作。