复合材料雷击防护方法研究

单泽众 赵淼 曾琼芝

摘要：目前，复合材料在民航客机上已得到的大量使用，但由于其具有极低的导电性，遭受雷击附着过程中，易造成较大面积损伤区域，严重情况下，直接威胁飞机运行安全。基于此，总结并分析复合材料常见的4种防护措施，分别是网箔防护法、表面层防护法、铝涂层防护法、成套电路防护法，可为学者对于复合材料雷击防护研究提供参考价值。

关键词：复合材料；民机；损伤；运行安全；防护措施

飞机在起飞和降落过程中，很容易发生雷击事件，在高空穿越雷暴区也可能会遭受雷击，平均每年都会遭受一次雷击，所以飞机雷击事件也常常见诸报端，有些还造成了严重的事故。2009年，一架法国航空的A330失联事故，机上人员已无生存希望，据官方推测是受到雷暴袭击。2010年，哥伦比亚一架波音737发生严重雷击事故，一人死亡，上百人受伤。2015年我国一架飞往武汉的客机遭到雷击，所幸没有造成伤亡事故。

目前，由于为了减轻重量实现更高的经济效益，制造商已经将复合材料广泛应用于新一代商用飞机的主要结构。波音787飞机于2009年正式进入航空公司服役，在结构重量方面，拥有大约50%左右的碳纤维复合材料（CFRP）。

由于复合材料具有极低的导电性，而雷击电流可在短时间内释放大量的能量，因此，复合材料很容易产生遭遇雷击电流附着很容易造成大面积损伤，极大的威胁民机的运行安全。目前，雷击防护的具体措施是首先进行雷击区域划分，其次，根据不同区域及复合材料的形状特点制定防护措施。

1 雷击区域划分

在民机的雷击防护中，必须依据雷击在民机上的附着点情况做出相应的设计。通过民用飞机的雷击区域划分，一方面可以指导飞机系统及子系统的整体布局设计；另一方面通过评估不同区域的雷击损伤危害，在雷击附着概率比较高的区域做好分流，并改善此处易受雷击影响的系统或结构的防护设计。确定民机的雷击区域划分如图1所示，分为三个部分[1]：

区域1：雷击开始最易出现的民机上的区域，称为初始附着区。根据持续时间，分为持续较短的1A区和较长的1B区。1C区则是首次雷击闪电回击可能性最大的区域。

区域2：雷击所扫过的民机上的区域，称为扫掠区。根据持续时间长短分为持续较短的2A区和较长的2B区。

区域3：民机上除区域1和2的剩余区域，遭受雷击的概率很小，但会流过大量电流。

2 雷擊防护方法分析

目前，国内外民机制造单位为降低复合材料雷击烧蚀破坏，主要采用增加复合材料导电性的防护措施，主要雷击防护方法有以下4种[2]。

（1）网箔防护法

该方法是通过贴在复合材料表面或者最外层下面的铜制或者铝制编织或者未编织金属网，提高复合材料的导电性能。其中，编制金属网由机器编织制造，但此种方法由于丝线易松开、不易喷涂、电镀、层压，已经逐渐被通过金属箔打孔方法制造出来的未编织金属网所替代[3～4]。

（2）表面层防护法

该方法是通过民机复合材料外表涂层中添加导电材料的方法，提高复合材料的导电性能[4]。具体措施如：喷涂材料添加金属粒子；漆层表面添加导电金属条等措施。

（3）铝涂层防护法

该方法是通过转移法在复合材料表面火焰喷涂一层铝防护层，即转移膜法，或者通过等离子电镀法制备铝防护层，提高复合材料的导电性能。其中，由波音公司生产的B787飞机复合材料结构中采用了网箔保护法、铝涂层防护法[5]。

（4）成套电路防护法

该方法是通过电子系统中的汇流条将雷击电流传递到民机中相关导电结构，使雷击电流通过导电结构释放出去，其中该方法应至少包括两套完整的电路系统[6]。

3 总结

4种常见的防护措施方法均能有效的提高复合材料的导电性，降低雷击对复合材料产生的损伤，并已经在民机上得到应用。因此，根据飞机不同雷击区域及该区域的飞机结构的外形尺寸，选取合适的防护措施，可为学者对于复合材料雷击防护研究提供参考价值。

参考文献：

[1]高成，宋双，郭永超，等.飞机雷击附着区域的划分仿真研究[J]. 电波科学学报，2012，27（6）：1238-1243.

[2]朱健健，李梦.航空复合材料结构雷击损伤与雷击防护的研究进展[J].材料导报，2015，29（17）：37-42.

[3]Gagné，Martin， TherriaultD . Lightning strike protection of composites[J]. Progress in Aerospace Sciences， 2014， 64：1-16.

[4]Larsson A. The interaction between a lightning flash and an aircraft in flight[J]. ComptesRendus Physique， 2002， 3（10）：1423-1444.

[5]吴志恩. 飞机复合材料构件的防雷击保护[J]. 航空制造技术， 2011（15）：88-91.

[6]赵金龙， 陈晓宁， 耿勇，等. 浅析飞机复合材料雷击防护措施与试验[J]. 玻璃钢/复合材料， 2013（6）：40-43.

项目资金：来自于中国民航大学科技创新基金项目资助.