飞机复合材料结构机体沉积静电防护

李林

摘要：复合材料导电性较低，对静电沉积敏感。飞机复合材料结构机体静电防护就是要使其表面与金属材料表面保持大致相同的电位，为静电泄放提供通路。同时，复合材料结构机体内的部件及系统管路符合电气间距和搭接要求。

关键词：静电防护；电磁防护；泄放试验

引言

静电放电是两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起的两物体间静电电荷的转移。静电对飞机造成的电气干扰即沉积静电。复合材料隔离外部电磁场的屏蔽效能和传导电荷的能力低，静电对复合材料结构的威胁是电晕或火花放电期间的电磁场，磁场穿过复合材料表面和开口便会发生与电子设备的耦合，使某些元器件损坏，对飞机效能产生直接影响。因此要对复合材料结构及内部设备作静电防护设计并试验验证。

1 机体静电防护设计

1.1 静电产生的原因

飞机在大气中飞行，机体与空气等介质发生碰撞或摩擦及受空中电场感应产生静电；燃油系统内燃油流动或晃动也会产生静电。当电荷沉积在低电导率结构上时，由于这些表面全无或部分导电特性，使电荷运动受到限制。如果电位足够高，在这样的表面上就会发生流光放电。

1.2 静电防护设计要求

根据静电规律，静电防护设计从两方面考虑：一是如何减少静电的产生；二是如何加快静电的消散及中和。

1.3 静电防护措施

1.3.1 防静电设计方案

（一）根据静电产生原因分析，兼顾可靠性和工艺可行性，采用由外及内的立体防护措施。其设计方案为：

1）碳纤维材料部件外部铺放铜网，既传导雷击扫掠电荷也可扩散机身金属结构传来的电荷，避免电流击穿复合材料件进入机体内部；

2）碳纤维材料与金属材料接合面处铺设玻璃纤维以切断可能的电流传导路径；紧固件间隙配合并濕安装，密封钉头及螺母以防电流由外向内传导并防止电荷尖端聚集打火花，如图1；

3）整体油箱内壁等特殊部位涂抗静电涂层，配置静电放电器并与金属结构电搭接；

4）机体内零部件尖端之间控制结构空隙，避免沉积电荷火花放电，如图2；

a）金属零件不相连

b）金属零件相连

5）复合材料壁板长桁与金属肋腹板间等拱桥式结构，这种结构型式最易形成电荷积聚出现放电火花产生危害。区域内的碳纤维材料的长桁、加强筋等棱角处要严格按表1和图3、4进行细节设计并要刷涂树脂保护，长度约510mm，可避免电荷边缘积聚。

静电的产生和消散是一个复杂的过程，对于一般结构很难给出定量计算结果，只能进行定性分析。减少静电产生可以使用抗静电剂、改善结构表面质量，避免结构有凸起部位；加快静电消散也可在结构表面施加火焰喷涂铝或铺贴金属网。考虑工艺可行性及使用可靠性，在结构表面使用抗静电涂层来加快静电消散是最为可行的方法。

2 机体内系统设备的静电防护设计

由于各种原因，机体内会沉积大量静电荷，这些电荷与电子设备耦合，会损坏某些元器件，对飞机效能产生直接影响。同时，复合材料制成的机体结构降低了隔离外部电磁场的电磁屏蔽效能，雷电等外部比较强烈的高能量磁场能够使得机体内部一些灵敏的系统部件失效，因此必须对机体内部的系统设备进行静电及高频电磁防护。

通过机体结构的静电防护设计可以达到一定的电流传导、屏蔽电磁干扰及对静电荷的减少和消散，但为保障电子设备的安全、可靠及降低设备间的电磁影响，对机体内的系统管路和电子设备也要作出相应防护。

合理安排系统管路的行程和位置，保护方案为：

1）每个管路上至少安装2个电荷绝缘器，其间距不大于3660mm，以控制静电荷在管路上的聚集；

2）管路与结构之间的间距最小为6.4mm；

3）管路的间距严格按照适航要求；

4）支撑管路的夹子和卡箍采用具有一定传导性的非金属材料制成，安装在金属零件上使管路上的电荷以微弱电流形式传导到金属结构体上；

通过上述的隔离、搭接设计，可以有效的控制、传导系统设备上的静电荷，并免受强磁场干扰。

3 静电防护验证

方案设计不但要阻止静电荷的产生、集聚，同时还要采取措施安全、可控的传导、释放电荷。静电防护设计的合理性、有效性和可靠性必须经试验验证。

3.1静电防护、泄放试验

为考察复合材料机体结构在各种飞行状态下产生静电的情况及防护措施效果，对复合材料结构试样要进行各种状态下的电性能试验。通过模拟试验检测静电防护设计符合适航要求。

3.2 设计结果

检测上述设计方案的复合材料机体结构可得：

1）结构整体电阻值近似为80mΩ；

2）相连金属零件间电阻值小于2.5mΩ；

3）复合材料零件表面两点间（敷设铜网）电阻值小于10mΩ；

4）复合材料零件表面两点间（未敷设铜网）电阻值小于500mΩ；

5）金属零件与复合材料零件（敷设铜网）结合处电阻值小于（10+5）mΩ。

通过试验，上述设计方案的复合材料机体结构符合适航要求， 满足沉积静电防护。

4 结论

随着复合材料使用部位和应用面积的不断扩大，以及电气、电子设备的不断更新，复合材料电性能对飞机特性的影响也逐渐暴露出来，这些问题不解决，势必对飞机的飞行安全构成严重威胁，也影响装备效益。本文所述的飞机复合材料结构采用的静电防护设计方案经实践证明是安全可靠的。

参考文献：

[1]中国航空研究院.复合材料结构设计手册.北京：航空工业出版社，2004.9.

[2]涂冰，刘健.复合材料整体油箱防静电设计研究.探索创新交流（第7集）—第七届中国航空学会青年科技论坛文集