雷电天气下飞机的适航性

胡涛

随着夏季的到来，各地雷雨天气也越来越频繁，严重影响了民航航班的起飞和降落。实际上，从事民航飞机设计、制造和适航性技术相关工作的人员都知道，民航飞机一般都具有较好的抗雷击能力，通常情况下，雷电不会对飞机造成较大损伤。

在美国国家运输安全局（NTSB）记录的14余万起飞行事故中，仅有24起同闪电有关，其中大部分是私人飞机或直升机，而且只有5起造成了人员伤亡。那么，民航飞机为什么会有如此好的防雷击能力呢？笔者将从以下几个方面简要讲解民航飞机是如何防雷击的，如何具有雷电环境下的适航能力。

雷电是由空气中或者更多是在云层中的电荷产生的，当云层充电到足够高的电压时就会击穿空气绝缘体从而发生闪电。最常见引起闪电的是积雨云、雷雨云，而在沙尘暴、暴风雪及火山喷发时，也会引起闪电。

最常见的雷电类型主要包括：云层和大地之间的，称为云地间雷电;在同一云层内电荷中心间的雷电称为云层内雷电;在不同云层间的雷电称为云层内雷电。云地间雷电和云层内雷电是最常见的雷电类型。

雷电对飞机的影响

飞机结构是由导电材料制成的，由于闪电的发生是由云层到地面或其他云层，飞机结构就提供了一个“短路”的路径，飞机成了雷电路径的一部分。巨大的闪电能量和电磁脉冲辐射场可能会对飞机飞行安全造成严重影响。雷电对飞机的影响可以分为直接效应和间接效应。

雷电的直接效应是指闪电通道的直接附着和/或设备产生的物理效应。包括飞机或设备表面和结构的绝缘击穿、爆炸、弯曲、融化、燃烧和汽化。也包括直接注入到相关导线和管道以及其他导电部件的电压和电流。直接效应可能导致机体结构破坏，特别是复合材料结构的损坏，严重的可造成机毁人亡。

对结构直接效应。飞机遭遇雷击时，闪电会在飞机结构外表面形成多个附着点，把整个飞机作为一个导体在附着点之间传播瞬时大电流。因此，只有在电流通路上，结构零件之间电搭接或接触不好时，才容易出现物理损坏。另一方面，在电流汇合到进或出点周围，可能聚集很大的电磁力和阻性加热，这些都可能带来结构的损坏。在这些雷击点上的破坏，深入来讲是由电弧通路带来的巨大的热量和巨大的作用力造成的。

对燃油系统的直接效应。对飞机造成的最严重危害之一莫过于击中燃油系统。一个只传导1A电流的电弧就足够点燃易燃的碳氢化合物燃气，而实际上飞机内射入的闪电电流高达几千安培。有很多民用或军用的飞机事故的起因是由闪电造成的燃油起火，经调查最有可能的是在一些没有专门设计成导电的结构接合处或电气设备上产生的电弧或火花造成的，也有一些事故被认为可能是闪电点燃了从通气口排出的燃油蒸汽造成的。

对电气系统的直接效应。如果一个安装在外部的设备，比如航行灯或天线，恰巧位于闪电附着点上，保护罩或整流罩可能会破碎，闪电电流就会直接进入相关的电气导线中，沿着导线流入电源分配系统。伴随的浪涌电压会击穿绝缘层，或者导致其他使用同一电源的电气设备的损坏。安装在外部的电气设备通常包括：航行灯、天线、风挡加温器、空速管加温器、以及早期的用于短波无线电通讯的在尾梁上架设的长导线天线等。

当飞机遭遇雷击时，即使闪电没有直接击中飞机的电气导线，击中飞机结构也足以在这些导线上引起较大的感应电压和电流的浪涌。由这些感应电压和电流造成的对电气设备的干扰或损坏定义为间接影响。间接效应可能引起电气/电子设备短暂或永久性功能丧失，影响航空器正常操作。

此外，闪电还可能引起飞行人员短暂失明（也即闪光致盲）或受到机体或操纵手柄的直接/间接产生的电流的电击，也会对飞行安全产生隐患。

闪光致盲是指在夜间飞行时，如果风挡前方出现闪电，那么它的闪光可能使飞行员短暂致盲，使飞行员难以或不能看到飞机仪表。闪光致盲可以持续一到两分钟。在不损失风挡可视性的前提下，没有任何办法能避免闪光致盲。当飞机上有两名飞行员时，在可能发生闪电的情况下，保证一名飞行员始终观察飞机仪表板，而不向风挡看。驾驶舱内的设备照明灯和显示强度都应调到最亮。

雷电防护适航性技术要求

为了保证民航飞机在雷电环境下仍能够安全飞行，也即具有雷电环境下的适航能力，中国民航局（CAAC）和美国联邦航空局（FAA）在其颁布的运输类飞机适航规章（CCAR/FAR 25部）中明确要求运输类飞机必须满足“闪电防护”相关以下适航规章条款要求。

CCAR/FAR 25.581 闪电防护

（a）飞机必须具有防止闪电引起灾难性后果的保护措施。

（b）对于金属组件，下列措施之一可表明符合本条（a）的要求：该组件合适地搭接到飞机机体上;该组件设计成不致因闪电而危及飞机。

（c）对非金属组件可用下列措施之一表明符合本条（a）的要求：该组件的设计使闪电的后果减至最小;具有可接受的分流措施，将产生的电流分流而不致危及飞机。

（d）防止闪电和静电的电搭接和保护措施必须符合下列要求：使静电荷的积累减至最小;使采用了正常预防措施的机组成员、旅客、服务和维修人员遭到电击的危险减至最小;在正常和故障情况下，在具有接地的电气系统的旋翼航空器上，都要设有电回流通道;使闪电和静电对主要电气和电子设备工作的影响减至可接受的水平。

CCAR/FAR 25.581“闪电防护”主要是对飞机结构雷电防护的规定，它要求飞机必须具有防止闪电引起的灾难性后果的保护措施，也即必须要有足够的防雷电措施。

CCAR/FAR 25.954 燃油系统的闪电防护

燃油系统的设计和布局，必须防止由于下列原因而点燃系统内的燃油蒸气：雷击附着概率高的区域直接被闪击;扫掠雷击可能性高的区域被扫掠雷击;燃油通气口处的电晕放电和流光。

CCAR/FAR 25.954“燃油系统的闪电防护”主要是对飞机燃油系统防雷击要求，规定燃油系统的设计和布局，必须防止由于闪电点燃系统内的燃油蒸汽。

CCAR/FAR 25.1316 系统闪电防护

（a）对于其功能失效会影响或妨碍飞机继续安全飞行和着陆的每种电气、电子系统的设计和安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境时、执行这些功能的系统的工作与工作能力不受不利影响。

（b）对于其功能失效会影响或造成降低飞机能力或飞行机组处理不利运行条件能力的各种电气和电子系统的设计与安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境之后能及时恢复这些功能。

（c）必须按照遭遇严重闪电环境来表明对于本条（a）和（b）的闪电防护准则的符合性。申请人必须通过下列办法来设计并验证飞机电气/电子系统对闪电影响的防护能力：确定飞机的闪击区;建立闪击区的外部闪电环境;建立内部环境;判定必须满足本条要求的所有电子电气系统及其在飞机上或飞机内的位置;确定系统对内部和外部闪电环境的敏感度;设计防护措施;验证防护措施的充分性。

CCAR/FAR 25.1316“系统的闪电防护”主要是对飞机机载系统和设备雷电防护的规定，它要求飞机重要的电子电气系统的设计与安装，必须保证在飞机遭遇闪电环境之后，这些系统的工作与工作能力不受不利影响或能及时恢复其功能。

雷电防护适航性设计与验证

运输类飞机适航规章（CCAR/FAR 25部）是各种民用运输类飞机设计、制造和适航取证必须要满足的适航性技术要求，其中的“闪电防护”相关要求也不例外。

为了满足上述“闪电防护”适航性要求，保证飞机在闪电环境下的适航性，大多数民航飞机设计和制造时会采取了以下措施以确保飞机在遭受雷电后的安全：

（1）飞机结构设计成良好的导通性（低电阻值），避免遭遇闪电时产生过热。

（2）所有关键性结构或盖板进行强化设计，保证在遭遇闪电后不会熔化或击穿。

（3）在复合材料结构中加入避雷条，如雷达罩上装有放电条。

（4）对于闪电产生的电磁干扰等间接效应：金属的飞机外壳为内部设备提供屏蔽保护，使电荷分布在飞机外部。对于最为关键的设备提供高等级的保护，如飞机电子仪器的电线包括电源通讯及控制线都加装有接地金属网保护。采取冗余技术（多套设备互为备份）。

（5）安装密封性佳、防止火花引爆的结构油箱和燃油管路，或在燃油箱中充入氮气等惰性气体。

为了保证飞机闪电防护措施的充分性以及对CCAR/FAR 25部“闪电防护”适航性要求的符合性，在飞机闪电防护适航性合格审查时通过下述六个步骤进行保证：

（1）确定闪电分区

每种飞机的具体分区都不一样，分区与飞机的几何形状、材料、操作等因素有关，因此对每种飞机应该建立各自的闪电分区。

（2）建立与分区有关的闪电环境

外部闪电环境是闪电与飞机外部相互作用的结果。用一组飞机表面的电流分量和电压波形表示。电压波形代表与闪电附着前阶段有关的电场效应，电流分量是必须予以防范的电流。不同的闪电分区，闪电环境不一样，遭受的电流分量和电压波形也就不一样。

（3）进行闪电危害评估

所有飞机结构、系统和部件的闪电效应必须被评估，以确定任何闪电损害可能的安全后果。这个评估必须确定哪些飞机的结构、系统和部件，因雷击造成的失效或故障会有助于或导致立即或稍后的灾难性后果。

（4）进行雷电防护设计

设计可依据以前的实践经验，设计指南，或者以前的认证手册数据。对于新的设计，需要进行试验以证明其性能。

（5）符合性验证

通过证明结构件、系统和部件可以安全地承受可能遇到的闪电环境来验证符合性。验证可以通过与类比、试验、分析计算，或者三者结合来进行。分析计算和试验方法的严格程度取决于前面所述的安全性分类。

2014年5月1日，德国汉莎航空公司一架A321-200客机从法兰克福飞往雅典途中遭遇闪电击中，幸运的是飞机最后返航并安全着陆，机上212名乘客和机组人员也安然无恙。这也正是因为该型飞机进行了上述的防雷击适航性设计和验证，从而保证了其具有雷电环境下的适航性。

虽然飞机设计、制造、试验验证等方面已经做好了防雷击的措施，但毕竟雷电的威力大、具有不确定性，再好的防雷击措施都有可能出现问题，要想真正避免雷击事件发生，还需要严格执行绕飞雷雨区域等相关规定，采用气象雷达预先探测雷雨区域，提前执行绕飞程序才是安全飞行的基本保障。所以，我们在乘坐航班出行时由于雷雨天气导致的航班推迟起飞、备降其他机场等航班延误情况也都是出于安全考虑而不得不采取的措施。