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飛機復合材料雷擊防護技術
一般來說現代的飛機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合材料、鈦合金、各種類型的夾層結構等新材料、新結構。而且在抗雷擊能力方面，與傳統材料和結構相比，還存在一定的缺陷。由于其導電特性，飛機更易受雷擊而產生結構及系統。備件上有損傷，影響飛行安全，所以復合材料的防雷及靜電防護設計也日益受到國內外的廣泛關注。不像民航，軍機或通用航空器不必遵守嚴格的時間表，也不必面對大城市機場交通擁擠，所以這些飛機不像民用飛機遇到那么多的雷擊。統計數據表明,一般來說在航行的一年周期中,客機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,雷擊發生的頻率可能高于平均值。當飛機發生雷擊時，維護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與檢測很好地統一起來成為了人們關注的重點。
一、飛行器雷擊防護研究現狀
第一個飛機雷電防護和測試標準由聯邦航空管理機構和美國防御部門分別發布于咨詢通報25 ~3和軍用標準MIL-B-5087中。早期大多數飛機雷電防護設計活動都把注意力放在防護飛機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術會議( ICOLSE),交流與討論飛機的雷電防護與試驗研究工作。Anderson和Erickson 研究了大量的雷擊中測量到的波形數據并得出一些統計數據。Piere 給出了典型及劇烈閃電情況下都存在的幾種電流模型。這些對航天飛機的設計依據的閃電模型產生了影響,并且強烈影響現在飛機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的影響以及決定在飛機.上還需要哪些附加.的保護措施。Karl B. EeEachron博士是General Electric HighVoltage(通用電氣高電壓)試驗室的負責人,是該專家組的關.鍵人物。他在該組的12年中,他首次在飛機部件上進行了人造閃電的試驗。其它組織機構如美國國家標準部門、明尼蘇達大學、雷電和瞬變研究協會,也開始從事閃電對飛機影響的研究。
早期的雷電標準未能定義可以接受的試驗方法，不能指明雷電對于飛機電子和航電系統的間接作用。認識到以上的不足，FAA( Federal Aviation Administration, 美國聯邦航空管理局)和DOD( Department of Defense,( 美國)國防部)于1972年要求SAE( Society of Automobile Engineers,自動工程協會)電磁兼容委員會組成一個附屬委員會來負責發展先進的飛機雷電防護設計和測試的標準。從可用的自然界雷電數據中綜合并形成了一個針對設計和試驗為目的的、標準的雷電環境。世界范圍的研究已進入到自然界雷電環境的其它領域,例如,云內閃電的特性和飛機和雷電之間的作用機理等。這方面的研究成果已經開始并入到現在的標準文件中。1999年,SAE集中發布了包括APR5412《飛機雷電環境和相應試驗波形》、APR5413《飛機電子/電氣系統雷電間接效應的鑒定》、ARP5415《用戶手冊:用于飛機電子/電氣系統防雷間接效應的鑒定》等在內的一批復合材料電搭接相關規范文件。
美國航天局在1973年發布了文件名為JSC 07636的《航天飛機雷電標準文件》稍后發布了名為JSC 20007的《航天飛機雷電標準文件》,這些文件對閃電的間接效應的防護進行了規定。自此,閃電防護越來越注重間接效應的防護,有關飛機的雷電標準也日漸完善。
隨著全權限控制系統開始使用敏感的微型電子線路,人們開始關注雷電環境的其它方面，包括飛機遭遇的云內和云間雷電的特性。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.都是受關注的，因為這些都是雷擊區域劃分及閃電通道和飛機相互作用的基礎。
美英等國對飛機雷擊展開了大量的研究,主要是通過高電壓實驗設備對飛機的整機或者部件的縮比模型進行實驗,另外還對雷電的特性進行了直接測量,并使用真實飛機飛越雷區。這些研究為^飛機的雷擊區域劃分和飛機的雷擊防護設計提供了依據,為飛機的雷電防護設計奠定了基礎。由非導電復合材料制成的雷達罩、機翼尖端和尾翼尖端，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構外提供一個導電的金屬層防雷擊。對于導電復合材料CFC(碳纖維復合材料),按FAR要求如果對某些結構的破壞不會危及飛行安全,就不用實施保護措施。如果該破壞顯示了飛行安全. 上的危險,必須采 用保護措施。而飛機蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或電弧噴涂金屬,編織導線網,金屬化的纖維或帶,或將細導線編織在外層纖維中等。
近年來,國際上又有許多新產品出現。一種由紐約的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司開發的以聚合物為基料的裝飾層，能夠在被雷擊中后迅速汽化，以消耗電能來保護內部結構，這種裝飾層相比傳統的網狀材料要輕,可以在結構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，可鋪在復合材料構件外表面,能對雷擊進行保護。
隨著全權限控制系統開始使用敏感的微型電子線路,人們開始關注雷電環境的其它方面，包括飛機遭遇的云內和云間雷電的特性。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.都是受關注的，因為這些都是雷擊區域劃分及閃電通道和飛機相互作用的基礎。
美英等國對飛機雷擊展開了大量的研究,主要是通過高電壓實驗設備對飛機的整機或者部件的縮比模型進行實驗,另外還對雷電的特性進行了直接測量,并使用真實飛機飛越雷區。這些研究為^飛機的雷擊區域劃分和飛機的雷擊防護設計提供了依據,為飛機的雷電防護設計奠定了基礎。由非導電復合材料制成的雷達罩、機翼尖端和尾翼尖端，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構外提供一個導電的金屬層防雷擊。對于導電復合材料CFC(碳纖維復合材料),按FAR要求如果對某些結構的破壞不會危及飛行安全,就不用實施保護措施。如果該破壞顯示了飛行安全. 上的危險,必須采 用保護措施。而飛機蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或電弧噴涂金屬,編織導線網,金屬化的纖維或帶,或將細導線編織在外層纖維中等。
近年來,國際上又有許多新產品出現。一種由紐約的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司開發的以聚合物為基料的裝飾層，能夠在被雷擊中后迅速汽化，以消耗電能來保護內部結構，這種裝飾層相比傳統的網狀材料要輕,可以在結構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，可鋪在復合材料構件外表面,能對雷擊進行保護。
飛機的閃電防護技術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,閃電防護技術也日趨成熟,已經將防護設計,實驗驗證與仿真實驗分析有效的結合起來,以進行最合理化的防護設計工作。
飛機雷電防護研究方面，歐美科學家的工作走在世界前沿。美國早在1946年就成立了相應雷電研究所,研究了雷電現象的本質,對其產生的機理進行了分析并探討了相關防護方法。在1964年~ 1988年間，為獲得相關數據，美國航空航天局和美國空軍就開展了飛機穿越雷雨區的試驗并為飛機雷擊防護標準的制定提供了借鑒與參考。此外，美軍還專門針對F-8艦載機進行了相關的雷擊試驗,對飛機飛控系統受雷電的影響進行了著重分析。美國的Lloyd等人在1971年開展了對飛機的模擬雷擊試驗,測試了-飛機內部電子電路的感應電壓并對數據進行了整理與分析。1978 年美國進行了固體火箭助推器外殼的模擬雷擊試驗,對其內部線纜上的感應電壓、電流進行了測量,并詳細分析助推器內部元器件所受雷擊的影響。1984 年美國的Pryzby等人研究了復合材料在航空器_上的應用及其相應的防雷擊設計方法。1994年美國航空局進行了飛機油箱的雷擊試驗,分析了可能發生爆炸的位置。
近年來,人們對飛行器雷擊防護與檢測一體化的研究有了新的發現,并取得了一定的研究成果。波音787夢想客機創新性地使用了超過50%碳纖維復合材料,并在復合結構層合板中添加導電多孔金屬箔( EMF)以減小雷擊對飛機造成的破壞性電磁影響。為了進一步改進飛機結構的雷擊保護，波音研究與技術中心的工程師模擬了多孔金屬箔復合材料的熱膨脹,并得出對于提高EMF載電流容量來實現雷擊保護.而言,增大網格寬度或減小縱橫比是更好的策略的結論。他們還發現在相同的溫度范圍下，實驗與仿真結果均顯示鋁制.EMF的防護層中會產生相對較高的位移,因此對于飛機復合結構的雷擊保護,銅制EMF是更好的選擇。
飛機雷電防護研究方面，歐美科學家的工作走在世界前沿。美國早在1946年就成立了相應雷電研究所,研究了雷電現象的本質,對其產生的機理進行了分析并探討了相關防護方法。在1964年~ 1988年間，為獲得相關數據，美國航空航天局和美國空軍就開展了飛機穿越雷雨區的試驗并為飛機雷擊防護標準的制定提供了借鑒與參考。此外，美軍還專門針對F-8艦載機進行了相關的雷擊試驗,對飛機飛控系統受雷電的影響進行了著重分析。美國的Lloyd等人在1971年開展了對飛機的模擬雷擊試驗,測試了-飛機內部電子電路的感應電壓并對數據進行了整理與分析。1978 年美國進行了固體火箭助推器外殼的模擬雷擊試驗,對其內部線纜上的感應電壓、電流進行了測量,并詳細分析助推器內部元器件所受雷擊的影響。1984 年美國的Pryzby等人研究了復合材料在航空器_上的應用及其相應的防雷擊設計方法。1994年美國航空局進行了飛機油箱的雷擊試驗,分析了可能發生爆炸的位置。
二、材料雷擊防護研究現狀
相比傳統的鋁皮設計，現代飛機大多使用較多的復合材料,其有重量輕且強度高等優點,但目前對復合材料飛機結構件雷擊損傷的研究相對較少，Metwally等人從理論分析了復合材料遭受雷擊時的暫態溫度場分布,并采用有限元方法計算了復合材料層合板的暫態溫度場。Yoshiyasu Hrano 等人進行了碳纖維增強型復合材料( 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種不同厚度的復合材料層合板,分析了雷擊損傷受雷電流參數和結構尺寸的影響。分析表明,在雷擊過程中,層合板中出現了纖維斷裂、樹脂融化等現象,其中樣件尺寸的影響較小,而雷電流參數和復合材料的纖維敷設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氧樹脂復合材料對于雷擊的抗性,通過向其中注入雷電流進行雷擊試驗,分析了受損后的復合材料層合板的剩余強度,并對其壓縮模量進行了測量。Toshio Ogasawara 等人通過仿真手段研究了碳纖維環氧樹脂復合材料層合板雷擊熱損傷過程,通過和Yo-shiyasuHirano等人的試驗結果進行對比，揭示了造成CFRP層合板損傷的關鍵因素是焦耳熱效應，并進一步研究了作用積分與分層面積、破壞深度之間的相關性。HirohideKawaka-mi等人在復合材料表層敷設金屬網,并研究了其防雷擊的效果,通過雷擊實驗以及損傷分析,提出金屬網能夠起到良好的防護效果,盡管復合材料層合板還是出現了一定的結構破壞損傷。Brick 、Oh和Schneider通過對400A衰減電弧在風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表面的條件可能迫使閃電弧在氣流轉向前停留在最后的接觸點.上的時間更長些，也論證了飛機速度高導致電弧停留時間短的現象。三、復合材料雷擊防護技術
在大型客機的薄金屬和復合材料外殼內,成千上萬的敏感半導體元件執行著從導航到發動機控制等關鍵功能,因此保護敏感電子設備對于確保乘客和機組人員的安全至關重要。Mel Clark等人通過編寫MicroNotes系列手冊,整理了從飛機喘振要求到適合于各種情況的TVS參數等數據,使得設計人員可以直接從設備圖表中進行選擇,更高效地針對具體情況選擇正確的TVS來節省設計時間。近年來,人們對飛行器雷擊防護與檢測一體化的研究有了新的發現,并取得了一定的研究成果。波音787夢想客機創新性地使用了超過50%碳纖維復合材料,并在復合結構層合板中添加導電多孔金屬箔( EMF)以減小雷擊對飛機造成的破壞性電磁影響。為了進一步改進飛機結構的雷擊保護，波音研究與技術中心的工程師模擬了多孔金屬箔復合材料的熱膨脹,并得出對于提高EMF載電流容量來實現雷擊保護.而言,增大網格寬度或減小縱橫比是更好的策略的結論。他們還發現在相同的溫度范圍下，實驗與仿真結果均顯示鋁制.EMF的防護層中會產生相對較高的位移,因此對于飛機復合結構的雷擊保護,銅制EMF是更好的選擇。
2011年，Woodard將NASA開發的SansEC傳感技術應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等方法進行空間探測。SansEC傳感器由放置在非導電表面。上的薄導電膜制成,還可以用作傳感蒙皮,每個傳感器都可以根據具體測量進行定制并很好地結合到空間系統中。2015 年,美國宇航局蘭利研究中心的Dudley等人開發了一種開路諧振傳感器,用于非導電和導電航空航天復合材料的原位損傷檢測和診斷。該概念是將一組SansEC傳感器應用于飛機表面，在復合材料上形成“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、機械、熱和化學現象,更重要的是,它可以檢測和識別復合材料中的分層、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和復合材料的原位損傷檢測，并驗證了使用高磁導率材料來控制傳感器和復合基板之間的電磁場耦合的可行性。
性事故。由于復合材料導電性能差,當遭受雷擊時在短時間內很難將電流導走,產生了過高的溫度,從而使得復合材料產生深度分層或被嚴重燒蝕,引起結構的破壞。更嚴重的是，當滯留在構件上的電荷沖過與其接觸的導體間隙時,會產生火花甚至接觸油箱內的燃油蒸汽從而引發爆炸事故;同時，雷擊電流在飛機上感應電磁場,進入飛機內部并在飛機電氣導線上產生瞬間浪涌電壓，這些浪涌電壓會干擾或損壞電氣或電子設備,危及飛機正常使用。因此飛行器的雷擊防護設計越來越受重視。本文在介紹飛行器雷擊防護和復合材料雷擊防護技術的基礎上,介紹了一種新型飛行器雷擊防護技術，該技術將雷擊防護、結冰探測、電磁屏蔽等多功能結合在一起，是未來飛行器雷擊防護技術發展的新方向。
四、結語
全金屬飛機具有良好的導電性,電荷分布在接近放電端的外表面.上，并能對內部起到電磁屏蔽作用,金屬飛機遭遇雷擊時機身外表面能將電荷順利導走，而不會造成重大災難性事故。由于復合材料導電性能差,當遭受雷擊時在短時間內很難將電流導走,產生了過高的溫度,從而使得復合材料產生深度分層或被嚴重燒蝕,引起結構的破壞。更嚴重的是，當滯留在構件上的電荷沖過與其接觸的導體間隙時,會產生火花甚至接觸油箱內的燃油蒸汽從而引發爆炸事故;同時，雷擊電流在飛機上感應電磁場,進入飛機內部并在飛機電氣導線上產生瞬間浪涌電壓，這些浪涌電壓會干擾或損壞電氣或電子設備,危及飛機正常使用。因此飛行器的雷擊防護設計越來越受重視。本文在介紹飛行器雷擊防護和復合材料雷擊防護技術的基礎上,介紹了一種新型飛行器雷擊防護技術，該技術將雷擊防護、結冰探測、電磁屏蔽等多功能結合在一起，是未來飛行器雷擊防護技術發展的新方向。
中為智能防雷器浪涌保護器http://www.gscyr.cn/
