民用飞机活动翼面闪电防护设计方法

黄海峰

【摘 要】针对目前民用飞机活动翼面复合材料及关联运动机构发展趋势，研究在复合材料翼面结构及运动机构进行闪电防护设计方法及途径，以满足相应的适航性。

【关键词】民用飞机；活动翼面；复合材料；闪电防护；运动机构

中图分类号： V224 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.010

【Abstract】This article research the Lighting protection in the airplane composite control surface and related kinetic mechanism to satisfy the need of airworthiness ，according to the development trend of airplane composite control surface and related kinetic mechanism.

【Key words】Civil Aircraft； Control Surface； Composite； Lighting protection； Kinetic mechanism

0 引言

雷电作为自然环境中的常见现场，在地球上时刻在发生。商用客机的航线密集程度急剧增长，飞行的商用飞机遭受雷击的可能性非常高，据统计，平均每1000架次飞行就可能遭受1次不同程度的雷击。遭受雷击后的飞机如果没有可靠的闪电防护措施，就可能造成过大的损伤、飞行功能的丧失，最终可能导致机毁人亡的惨剧。英国《飞行国际》2008年4月9日报道：保加利亚首都索非亚的工程师正在修理一架汉莎航空公司的波音737-300客机，该机在起飞前往法兰克福后遇雷击，升降舵受到损伤，并带有一般操纵系统缆线的破坏。

飞机遭受雷击时，雷击的高电压会击穿绝缘材料或局部结构，雷击时的大电流会使导电不连续的部位起火。材料被烧蚀造成结构的性能大幅下降，甚至失效。对于结构整体油箱区，会引起油箱着火。

由于闪电直接效应对飞机的影响最直接，并且对机体结构可能造成的损伤最明显，因此对闪电直接效应进行防护就成了机体结构闪电防护重点。雷击对复合材料结构的直接效应损伤有以下四种情况：

（1）雷击的高电压，造成复合材料结构被击穿。

（2）雷击的电弧和持续电流使复合材料的基体结构烧蚀和蒸发掉，复材纤维失去基体的支持，其强度和刚度都大大下降，复合材料结构失去承载能力。

（3）雷击电弧和持续大电流加热，使封闭内腔的复合材料结构的腔内压力迅速增加，腔体膨胀，最终造成结构破坏。

（4）雷击时的冲击的波和磁场力引起结构破坏。

1 适航条款规章

民用飞机复合材料使用比例呈现越来越高的趋势，譬如在活动翼面部件即飞机控制面（副翼、扰流板、方向舵、升降舵）及增升装置（襟翼、缝翼）等部件上使用越来越广泛，上述部件一般位于飞机的尖端凸起部位易遭受闪电损伤。针对于此适航当局对闪电防护提出特殊要求在某型飞机闪电直接效应防护专项审定基础如下：

●25.581闪电防护

a）飞机必须具有防止闪电引起的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：

（1）该组件合适地搭接到飞机机体上；

（2）该组件设计成不致因闪击而危及飞机。

c）对于非金属组件，下列措施之一可表明符合本条（a）的要求：

（1）该组件的设计使闪击的后果减至最小；

（2）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。

●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：

a）雷击附着概率高的区域直接被闪击；

b）扫掠雷击可能性高的区域被扫掠雷击；

c）燃油通气口处的电晕放电和流光。

●符合性方法

机体结构、整体油箱结构的闪电直接效应防护的符合性方法见表2。

a）581 a）条款执行MOC1/7；

b）581 b）581 c）条款执行MOC1/4/7；

c）954 a）954 b）条款执行MOC1；

d）954 c）条款执行MOC1/4。

2 活动翼面部件设计特点对闪电防护的影响

活动翼面中一般未布置油箱，因此主要考虑与与飞机机体的电导通以及复合材料本身的闪电防护。

●活动翼面复合材料应用对闪电防护的影响

（1）廣泛使用在蒙皮、梁、肋等框架结构上使用复合材料；

（2）复材结构连接紧固件与复合材料基材导电性差异；

（3）活动翼面复材部件繁多，部件之间运动机构复杂。

●活动翼面运动机构对闪电防护的影响

（1）螺栓连接为间隙配合，一般涂有润滑脂及密封剂；

（2）铰链使用轴承，轴承一般使用润滑脂或PE（特氟隆涂层，不导电）；

（3）运动部位运动行程较长如缝翼滑轨及襟翼滑轮架导轨。

因此主要考虑上述特点针对性的对活动翼面部件进行闪电防护设计。

3 活动翼面部件闪电防护设计方法

3.1 相对静止连接闪电防护设计

活动翼面部件固定部件金属/金属一般使用紧固件导通，金属/复材一般对复材进行特殊设计、如复材外表面铺贴胶膜（内含金属网歌）、表面喷涂铝，紧固件采用埋头垫圈及埋头紧固件连接增大电导通面积见图1。

大跨距复材之间也可以采用电搭接带板的形式形成通路。

3.2 運动部件连接闪电防护设计

●定轴转动部位闪电传导设计

（1）每件运动部件应至少布置2处电搭接点，作为破损安全考虑。

（2）电搭接线两端端子安装平面应平行或小角度，端子处连接应尽量避免窜动。

（3）搭接线应避免与转动平面形成跨接，应布置在运动平面一侧。且长度应选择合适，避免搭接线收到过渡拉伸或钩挂附近突出结构，一般比最小长度长约25-40mm为宜。

●直线/圆弧线等运动部件闪电传导设计

缝翼部件滑轨沿圆弧线在机翼套筒中进行收缩，以完成缝翼的收放。

襟翼部件通过下部滑轮架在导轨上前进后退实现襟翼的打开及偏转。

运动部件之间一般通过布置搭接线，通过两端端子连接两端运动部件。

一般搭接线长度在200mm左右，上述部件因运动行程在400～800mm之间，造成运动部件之间搭接线布置困难，且在起降等翼面收放过程中难以保证完全电导通。

因此主要考虑在翼面收起零位状态的电导通，通过两部件上变形接触的金属片形成电通路传导到滑轨等基础机体结构。

设计要点如下：

（1）每处机构需布置至少2个变形搭接片，搭接片材料应选用不锈钢或铜片。

（2）搭接片不可涂漆或密封剂。

（3）搭接片应为可拆卸设计，便于长时间使用后损坏失去弹性。

（4）动部件段搭接片接触区应翘起，固定部件上搭接片应预弯使其紧贴滑轨表面，保证电搭接的可靠性。

3.3 闪电防护通路截面及阻抗

主搭接通路如为铜制，横截面积不应小于3，除非在单一导体承担孤立部件的全部放电电流，其切面面积不应小于6。铝制的主搭接通路的截面积大小应按同等的承受电涌的能力来设计。最大电阻值可以大于2.5毫欧的搭接。防雷击搭接（最大100毫欧）。

4 结语

根据民用飞机适航条款结合活动翼面上典型结构及复材使用情况，给出了相关限制因素及设计参方法，可以指导结构闪电防护设计。

【参考文献】

[1]《中国民用航空规章.第25部.运输类飞机适航标准》CCAR25-R4.中国民用航空总局，2011.

[2]赵毅.飞机复合材料蒙皮结构闪电直接防护分析[J]，科技信息，2013年第17期，页62-67.