复合材料尾翼结构导电通路设计研究

钟 涛，谭小辉，谭一鸣

（中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司，陕西 汉中 723000）

飞机设计的发展变革是一代代新材料的发展变革推进的，可以说“一代材料，一代飞机”。从初期的布、木材等材料发展到铝合金材料一直到现在的复合材料，飞机的每一次重大设计技术变革都是随着材料的发展进行的。目前，复合材料在飞机上大量应用，复合材料的用量已经成为飞机先进性的一个重要衡量指标。但随着复合材料的大量应用，之前一些在金属机体结构上使用的设计方法、设计思路已经无法适用，一些在金属机体结构上不考虑的问题需要在复合材料结构上重点考虑，复合材料结构的导电通路设计就是这类问题。

目前，国际上大量的先进复合材料是碳纤维/环氧类复合材料。环氧树脂是绝缘体，碳纤维虽然是导体，但是无法实现搭接并且电阻较大，所以整个复合材料结构是电的不良导体，无法达到形成导电通路的条件。现在，国际上先进的飞机大量使用复合材料，采用各类方式建立导电通路，保证机体结构电完整性。比如空中客车公司最新的客机A350XWB，在机身上大量使用复合材料壁板的条件下，仍然保留了铝合金框架。除了工艺、成本等方面的考虑外，很大程度上是由于建立使用复合材料壁板的条件下建立导电通路的原因。

以某飞机复合材料尾翼设计为例，对复合材料导电通路设计进行研究。

1  复合材料尾翼的功能和结构特点

尾翼是安装在飞机尾部的一种装置，一般由安定面和舵面组成。安定面主要用于增加飞机飞行的俯仰和方向稳定性，尾翼舵面可以用来控制飞机俯仰、偏航和倾斜以改变飞机的飞行姿态。

复合材料尾翼是单垂尾、低平尾布局。垂平尾均采用双梁式多肋结构，与机身使用接头连接，接头与尾翼大梁连接。舵面位于尾翼后部，采用多支臂方式悬挂于尾翼后部，垂尾和平尾相互对立，无直接连接关系。

2  复合材料尾翼的导电通路要求

复合材料尾翼的导电通路要求主要有以下几点：

（1）保证尾翼与金属机身为等势体，电气上是一个整体；

（2）机身和尾翼之间建立静电通路，保证在静电放电器上释放静电；

（3）在雷击条件下保证尾翼结构无损伤；

（4）防止内部结构的损坏；

（5）保证外部安装设备的电搭接。

依据以上复合材料尾翼的导电通路设计要求，对部件表面、内部骨架和电搭接进行专门设计，保证飞行安全和设备安全。

3  复合材料尾翼导电通路设计

复合材料尾翼导电通路设计采用3种方式进行，具体如下：

（1）表面金属化的方式，主要目的是使复合材料表面和金属机身表面消除电位差，实现静电放电器与蒙皮的搭接电阻最低。

表面金属化的方法主要有3种：一是表面喷涂金属；二是表面铺贴金属网；三是表面复合金属网胶膜。表面喷涂金属需要对制件表面进行粗糙化处理，且需要大型的设备，成本较高，同时喷涂的是海绵化的金属，如果封边被破坏，很容易吸水脱落，近些年新型飞机使用越来越少；表面铺贴金属网需要在铺放完毕后在表面增加一层复合材料保护层，工艺复杂，效率较低，不推荐使用；一般来讲，复合材料尾翼采用的是表面复合金属网胶膜的方法进行表面金属化处理。

表面复合金属网胶膜与产品一同成型固化，无需多余工艺和材料。但需要注意，一般按照雷击分区在1区和2区、静电放电器连接区，以及安装设备需要电搭接的部位，要选择高密度小网眼的复合金属网胶膜，其他雷击分区在3区的选择低密度大网眼的复合金属网胶膜以降低结构重量。

飞机尾翼翼尖部位及其后缘容易大面积积聚静电荷。在这些部位需要设置静电放电器，主要用于降低机体表面电晕门限电压，以低噪声方式相对平稳地释放机体上的静电荷，要求在静电放电器与机体表面之间建立导电通路，搭接电阻应小于0.1～0.5Ω，使电荷不从机体表面释放而全部由静电放电器释放。需要注意的是，在复合材料表面一般采用高阻放电器，而不采用低阻放电器。

（2）建立内部导电框架的方式，采用金属梁、肋骨架或者金属带板搭接方式，主要目的是使内部形成完整的导电通道，将内部可能产生的静电、雷电通过框架导通到金属机身上，避免产生内部破坏。

由于重量、功能等方面的限制，飞机尾翼大梁和肋均采用复合材料结构，需要另外专门设计导电通路。尾翼安定面和舵面的上下端肋由于传力要求采用铝合金肋，同时在复合材料前缘在大梁处与蒙皮对接部位设置铝合金对接带板并且与上下端肋充分搭接，从而形成一个导电回路，同时下端肋通过翼身对接接头与机体导通。

如有必要，在复合材料肋、梁与蒙皮连接面设计金属箔与导电回路搭接，形成对复合材料梁、肋的保护。同时舵面悬挂接头与梁连接时应通过连接件或其他方式与安定面上的金属部分导通，形成稳定通路。

（3）采用搭铁线的方式，在接头、活动铰链的部位设置搭铁线，保证各安定面、舵面与机身是电连续的，同时保证雷击大电流不通过活动部件，以免造成损坏，影响飞机操纵。

作为传递雷电流的搭铁线雷电流不直接附着的情况下，铜线截面积不小于20mm2，铝线截面冲击载流能力与铜线相当，搭铁线要求连接牢固，不影响舵面活动；舵面与安定面之间的搭接电阻不大于5000μΩ[1]。

同时，为了满足静电放电要求，安定面顶部整流罩应采用金属结构，保证其与导电通路之间的搭接电阻同样不大于5000μΩ[1]。

按照以上的设计，整个垂尾、平尾分别形成完整的导电通路与金属机身导通，保证静电、雷电等有合理的通道释放，保护结构本体不出现损坏，设计完成后需要对复合材料尾翼结构导电通路效果进行验证。

4  复合材料尾翼结构导电通路验证

复合材料尾翼结构导电通路效果目前主要通过表面电阻测试实验和雷击实验进行考核。

4.1  表面电阻测试实验

复合材料尾翼结构静电通路可以通过表面电阻测试进行考核，按照表面电阻测试一般要求，用欧姆表测试单位面积内取样点之间的电阻率。目前，国内没有明确的飞机表面电阻测试标准，采用各飞机各编制的测试要求，测试结果不高于相同测试条件下相同飞机的金属机体表面电阻，即认为符合要求。

4.2  雷击实验

复合材料尾翼末端位置同时存在雷电1区和2区，雷击条件复杂，无法通过仿真模拟进行考核验证，必须通过1∶1模型雷击实验进行验证，必要时进行雷击后损伤部件剩余强度实验，以考核导电通路的设计合理性和防雷击措施的有效性。雷击实验按照相关标准RTCA/DO-160《机载设备环境条件与测试规程》[2]、HB6167.25《雷电直接效应实验》[3]和GJB3567A《军用飞机雷电防护鉴定实验方法》[4]，实验方法成熟，考核依据明确。

实验时尾翼安定面和舵面应该组合进行并按实际情况连接搭铁线，以测试雷电流是否完全由搭铁线导走和验证雷电流对轴承、悬挂接头等的实际破坏情况。

5  未来复合材料结构导电通路设计展望

未来，复合材料导电性主要通过导电纤维和导电树脂两方面的研究进行发展。

5.1  导电纤维

导电纤维是指在聚合物中混入导电介质所纺制成的化学纤维或金属纤维、碳纤维等，具有优异的消除和防止静电的性能，且比电阻值持久不变并基本上不受湿度影响。目前按导电成分划分，导电纤维主要有4种：金属纤维、炭黑系纤维、导电型金属化合物纤维和导电高分子型纤维。

但是，目前使用的导电纤维导电填料的用量过大，分散性与取向性较低，比重大；纤维的力学性能相对较差；制备与加工成本高；成型工艺较差，技术实用化低，无法大规模应用。

导电纤维在改善以上问题后，可以在飞机结构件上使用。同时更先进的碳纳米管/聚合物复合材料正在迅速发展，该类材料在机械性能和其他性能优异的条件下大幅提高结构的导电性能，甚至可以接近金属材料，在不改变结构构型的条件下，可以做到结构导电通路与金属相同。

5.2  导电树脂

由于树脂属于有机高分子化合物，本身的导电性极差，可以视为绝缘体。导电树脂就是一种导电高分子材料，导电高分子材料分为结构型导电和复合型导电两大类。结构型导电高分子材料（或称本征高分子导电材料）是指分子结构本身能导电或经过掺杂处理之后具有导电功能的共轭聚合物，如聚乙炔、聚苯胺、聚毗咯、聚噬吩、聚吠喃等。复合型导电高分子材料是指以聚合物为基体，通过加入各种导电性填料（如炭黑、金属粉末、金属片、碳纤维等），并采用物理化学方法复合制得的，既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多相复合材料。

目前产业化应用主要是复合型高分子材料，其制备方法、加工成型与一般高分子材料基本相同或类似，制备方便，有较强的实用性，故已较为广泛应用。但是在复合材料结构件上，该类材料由于有其他材料掺入，所以机械性能相对下降，对结构强度影响较大，不宜使用。

未来导电高分子材料树脂应该向结构型导电高分子材料发展，该类材料在保持自身机械性能的条件下提高了导电性能，作为结构件的机体材料具有广阔的发展空间。目前，结构型导电高分子材料由于结构的特殊性与制备及提纯的困难，大多还处于实验室研究阶段，获得实际应用的较少，而且多数为半导体材料。但是随着材料科学的进步，该类高分子材料为机体的复合材料能够成为一个前沿发展方向。

6  结束语

复合材料尾翼结构导电通路设计，目的在于充分考虑结构在电气方面的要求，通过合理布置、选材、表面处理和电搭接等方式，使结构之间保持稳定的低阻抗通路，防止静电、雷电等对复合材料结构的破坏。毕竟，飞机尾翼导电通路的设计优劣直接影响飞行性能和安全。