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飞机复合材料雷击防护技术
一般来说现代的飞机要求具有全天候飞行能力，因而大大提高航空器受到雷击的可能性。同时新型飞行器广泛采用复合材料、钛合金、各种类型的夹层结构等新材料、新结构。而且在抗雷击能力方面，与传统材料和结构相比，还存在一定的缺陷。由于其导电特性，飞机更易受雷击而产生结构及系统。备件上有损伤，影响飞行安全，所以复合材料的防雷及静电防护设计也日益受到国内外的广泛关注。不像民航，军机或通用航空器不必遵守严格的时间表，也不必面对大城市机场交通拥挤，所以这些飞机不像民用飞机遇到那么多的雷击。统计数据表明,一般来说在航行的一年周期中,客机可能会遭受一到两次雷击,由于地理位置、飞行高度、飞行航线等不同因素的影响,雷击发生的频率可能高于平均值。当飞机发生雷击时，维护人员必须通过检查找到其表面.上的连接点和分离点，然后通过评估以确保安全的飞行操作,因此如何将雷击防护与检测很好地统一起来成为了人们关注的重点。
一、飞行器雷击防护研究现状
第一个飞机雷电防护和测试标准由联邦航空管理机构和美国防御部门分别发布于咨询通报25 ~3和军用标准MIL-B-5087中。早期大多数飞机雷电防护设计活动都把注意力放在防护飞机免受雷电直接的和物理的毁坏上。自60年代中期以来,一直每两年举行一次国际雷电与静电学术会议( ICOLSE),交流与讨论飞机的雷电防护与试验研究工作。Anderson和Erickson 研究了大量的雷击中测量到的波形数据并得出一些统计数据。Piere 给出了典型及剧烈闪电情况下都存在的几种电流模型。这些对航天飞机的设计依据的闪电模型产生了影响,并且强烈影响现在飞机取证中使用的闪电模式。在1938 年，由美国国家航空咨询委员会( NA-CA)成立了-飞机安全委员会一气象和闪电专家组为航天局研究闪电对飞机的影响以及决定在飞机.上还需要哪些附加.的保护措施。Karl B. EeEachron博士是General Electric HighVoltage(通用电气高电压)试验室的负责人,是该专家组的关.键人物。他在该组的12年中,他首次在飞机部件上进行了人造闪电的试验。其它组织机构如美国国家标准部门、明尼苏达大学、雷电和瞬变研究协会,也开始从事闪电对飞机影响的研究。
早期的雷电标准未能定义可以接受的试验方法，不能指明雷电对于飞机电子和航电系统的间接作用。认识到以上的不足，FAA( Federal Aviation Administration, 美国联邦航空管理局)和DOD( Department of Defense,( 美国)国防部)于1972年要求SAE( Society of Automobile Engineers,自动工程协会)电磁兼容委员会组成一个附属委员会来负责发展先进的飞机雷电防护设计和测试的标准。从可用的自然界雷电数据中综合并形成了一个针对设计和试验为目的的、标准的雷电环境。世界范围的研究已进入到自然界雷电环境的其它领域,例如,云内闪电的特性和飞机和雷电之间的作用机理等。这方面的研究成果已经开始并入到现在的标准文件中。1999年,SAE集中发布了包括APR5412《飞机雷电环境和相应试验波形》、APR5413《飞机电子/电气系统雷电间接效应的鉴定》、ARP5415《用户手册:用于飞机电子/电气系统防雷间接效应的鉴定》等在内的一批复合材料电搭接相关规范文件。
美国航天局在1973年发布了文件名为JSC 07636的《航天飞机雷电标准文件》稍后发布了名为JSC 20007的《航天飞机雷电标准文件》,这些文件对闪电的间接效应的防护进行了规定。自此,闪电防护越来越注重间接效应的防护,有关飞机的雷电标准也日渐完善。
随着全权限控制系统开始使用敏感的微型电子线路,人们开始关注雷电环境的其它方面，包括飞机遭遇的云内和云间雷电的特性。相信这些雷击电流的幅值和作用积分小于云-地之间的,其它方面例如电流的最大变化率和多重脉冲.都是受关注的，因为这些都是雷击区域划分及闪电通道和飞机相互作用的基础。
美英等国对飞机雷击展开了大量的研究,主要是通过高电压实验设备对飞机的整机或者部件的缩比模型进行实验,另外还对雷电的特性进行了直接测量,并使用真实飞机飞越雷区。这些研究为^飞机的雷击区域划分和飞机的雷击防护设计提供了依据,为飞机的雷电防护设计奠定了基础。由非导电复合材料制成的雷达罩、机翼尖端和尾翼尖端，整流罩和垂尾可以通过安装分流带或分流条防雷器或在结构外提供一个导电的金属层防雷击。对于导电复合材料CFC(碳纤维复合材料),按FAR要求如果对某些结构的破坏不会危及飞行安全,就不用实施保护措施。如果该破坏显示了飞行安全. 上的危险,必须采 用保护措施。而飞机蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或电弧喷涂金属,编织导线网,金属化的纤维或带,或将细导线编织在外层纤维中等。
近年来,国际上又有许多新产品出现。一种由纽约的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司开发的以聚合物为基料的装饰层，能够在被雷击中后迅速汽化，以消耗电能来保护内部结构，这种装饰层相比传统的网状材料要轻,可以在结构制成后贴上和撕下并且方便更换。加利福尼亚的Lighting Diversion System公司开发了一种被称为“Confor-mal Shield”的金属膜,这种薄膜具有很好的柔性，可铺在复合材料构件外表面,能对雷击进行保护。
随着全权限控制系统开始使用敏感的微型电子线路,人们开始关注雷电环境的其它方面，包括飞机遭遇的云内和云间雷电的特性。相信这些雷击电流的幅值和作用积分小于云-地之间的,其它方面例如电流的最大变化率和多重脉冲.都是受关注的，因为这些都是雷击区域划分及闪电通道和飞机相互作用的基础。
美英等国对飞机雷击展开了大量的研究,主要是通过高电压实验设备对飞机的整机或者部件的缩比模型进行实验,另外还对雷电的特性进行了直接测量,并使用真实飞机飞越雷区。这些研究为^飞机的雷击区域划分和飞机的雷击防护设计提供了依据,为飞机的雷电防护设计奠定了基础。由非导电复合材料制成的雷达罩、机翼尖端和尾翼尖端，整流罩和垂尾可以通过安装分流带或分流条防雷器或在结构外提供一个导电的金属层防雷击。对于导电复合材料CFC(碳纤维复合材料),按FAR要求如果对某些结构的破坏不会危及飞行安全,就不用实施保护措施。如果该破坏显示了飞行安全. 上的危险,必须采 用保护措施。而飞机蒙皮可采用的防雷措施主要有火焰或电弧喷涂金属,编织导线网,金属化的纤维或带,或将细导线编织在外层纤维中等。
近年来,国际上又有许多新产品出现。一种由纽约的Integument Technologies( Tonawanda N. Y)公司开发的以聚合物为基料的装饰层，能够在被雷击中后迅速汽化，以消耗电能来保护内部结构，这种装饰层相比传统的网状材料要轻,可以在结构制成后贴上和撕下并且方便更换。加利福尼亚的Lighting Diversion System公司开发了一种被称为“Confor-mal Shield”的金属膜,这种薄膜具有很好的柔性，可铺在复合材料构件外表面,能对雷击进行保护。
飞机的闪电防护技术只是减少闪电造成的危害,而不能完全避免。随着对防雷击的重视,闪电防护技术也日趋成熟,已经将防护设计,实验验证与仿真实验分析有效的结合起来,以进行最合理化的防护设计工作。
飞机雷电防护研究方面，欧美科学家的工作走在世界前沿。美国早在1946年就成立了相应雷电研究所,研究了雷电现象的本质,对其产生的机理进行了分析并探讨了相关防护方法。在1964年~ 1988年间，为获得相关数据，美国航空航天局和美国空军就开展了飞机穿越雷雨区的试验并为飞机雷击防护标准的制定提供了借鉴与参考。此外，美军还专门针对F-8舰载机进行了相关的雷击试验,对飞机飞控系统受雷电的影响进行了着重分析。美国的Lloyd等人在1971年开展了对飞机的模拟雷击试验,测试了-飞机内部电子电路的感应电压并对数据进行了整理与分析。1978 年美国进行了固体火箭助推器外壳的模拟雷击试验,对其内部线缆上的感应电压、电流进行了测量,并详细分析助推器内部元器件所受雷击的影响。1984 年美国的Pryzby等人研究了复合材料在航空器_上的应用及其相应的防雷击设计方法。1994年美国航空局进行了飞机油箱的雷击试验,分析了可能发生爆炸的位置。
近年来,人们对飞行器雷击防护与检测一体化的研究有了新的发现,并取得了一定的研究成果。波音787梦想客机创新性地使用了超过50%碳纤维复合材料,并在复合结构层合板中添加导电多孔金属箔( EMF)以减小雷击对飞机造成的破坏性电磁影响。为了进一步改进飞机结构的雷击保护，波音研究与技术中心的工程师模拟了多孔金属箔复合材料的热膨胀,并得出对于提高EMF载电流容量来实现雷击保护.而言,增大网格宽度或减小纵横比是更好的策略的结论。他们还发现在相同的温度范围下，实验与仿真结果均显示铝制.EMF的防护层中会产生相对较高的位移,因此对于飞机复合结构的雷击保护,铜制EMF是更好的选择。
飞机雷电防护研究方面，欧美科学家的工作走在世界前沿。美国早在1946年就成立了相应雷电研究所,研究了雷电现象的本质,对其产生的机理进行了分析并探讨了相关防护方法。在1964年~ 1988年间，为获得相关数据，美国航空航天局和美国空军就开展了飞机穿越雷雨区的试验并为飞机雷击防护标准的制定提供了借鉴与参考。此外，美军还专门针对F-8舰载机进行了相关的雷击试验,对飞机飞控系统受雷电的影响进行了着重分析。美国的Lloyd等人在1971年开展了对飞机的模拟雷击试验,测试了-飞机内部电子电路的感应电压并对数据进行了整理与分析。1978 年美国进行了固体火箭助推器外壳的模拟雷击试验,对其内部线缆上的感应电压、电流进行了测量,并详细分析助推器内部元器件所受雷击的影响。1984 年美国的Pryzby等人研究了复合材料在航空器_上的应用及其相应的防雷击设计方法。1994年美国航空局进行了飞机油箱的雷击试验,分析了可能发生爆炸的位置。
二、材料雷击防护研究现状
相比传统的铝皮设计，现代飞机大多使用较多的复合材料,其有重量轻且强度高等优点,但目前对复合材料飞机结构件雷击损伤的研究相对较少，Metwally等人从理论分析了复合材料遭受雷击时的暂态温度场分布,并采用有限元方法计算了复合材料层合板的暂态温度场。Yoshiyasu Hrano 等人进行了碳纤维增强型复合材料( CFRP)层合板的模拟雷击试验,分别采用了8种不同的雷电流波形和4种不同厚度的复合材料层合板,分析了雷击损伤受雷电流参数和结构尺寸的影响。分析表明,在雷击过程中,层合板中出现了纤维断裂、树脂融化等现象,其中样件尺寸的影响较小,而雷电流参数和复合材料的纤维敷设的角度对损伤程度与趋势有较大的影响。Paolo Feraboli 等人研究了碳纤维环氧树脂复合材料对于雷击的抗性,通过向其中注入雷电流进行雷击试验,分析了受损后的复合材料层合板的剩余强度,并对其压缩模量进行了测量。Toshio Ogasawara 等人通过仿真手段研究了碳纤维环氧树脂复合材料层合板雷击热损伤过程,通过和Yo-shiyasuHirano等人的试验结果进行对比，揭示了造成CFRP层合板损伤的关键因素是焦耳热效应，并进一步研究了作用积分与分层面积、破坏深度之间的相关性。HirohideKawaka-mi等人在复合材料表层敷设金属网,并研究了其防雷击的效果,通过雷击实验以及损伤分析,提出金属网能够起到良好的防护效果,尽管复合材料层合板还是出现了一定的结构破坏损伤。Brick 、Oh和Schneider通过对400A衰减电弧在风洞中通过排气装置吹过几种不同表面处理的铝、钛蒙皮板情况的研究,表明引起气流离开飞机表面的条件可能迫使闪电弧在气流转向前停留在最后的接触点.上的时间更长些，也论证了飞机速度高导致电弧停留时间短的现象。三、复合材料雷击防护技术
在大型客机的薄金属和复合材料外壳内,成千上万的敏感半导体元件执行着从导航到发动机控制等关键功能,因此保护敏感电子设备对于确保乘客和机组人员的安全至关重要。Mel Clark等人通过编写MicroNotes系列手册,整理了从飞机喘振要求到适合于各种情况的TVS参数等数据,使得设计人员可以直接从设备图表中进行选择,更高效地针对具体情况选择正确的TVS来节省设计时间。近年来,人们对飞行器雷击防护与检测一体化的研究有了新的发现,并取得了一定的研究成果。波音787梦想客机创新性地使用了超过50%碳纤维复合材料,并在复合结构层合板中添加导电多孔金属箔( EMF)以减小雷击对飞机造成的破坏性电磁影响。为了进一步改进飞机结构的雷击保护，波音研究与技术中心的工程师模拟了多孔金属箔复合材料的热膨胀,并得出对于提高EMF载电流容量来实现雷击保护.而言,增大网格宽度或减小纵横比是更好的策略的结论。他们还发现在相同的温度范围下，实验与仿真结果均显示铝制.EMF的防护层中会产生相对较高的位移,因此对于飞机复合结构的雷击保护,铜制EMF是更好的选择。
2011年，Woodard将NASA开发的SansEC传感技术应用于充气式太空舱和行星探测车上,通过加热地表来检测水并识别可能存在冰融化的响应等方法进行空间探测。SansEC传感器由放置在非导电表面。上的薄导电膜制成,还可以用作传感蒙皮,每个传感器都可以根据具体测量进行定制并很好地结合到空间系统中。2015 年,美国宇航局兰利研究中心的Dudley等人开发了一种开路谐振传感器,用于非导电和导电航空航天复合材料的原位损伤检测和诊断。该概念是将一组SansEC传感器应用于飞机表面，在复合材料上形成“智能皮肤”层, Langley研究中心的高级研究人员George Szatkowski和Kenneth Dudley表示，它可以测量电气、机械、热和化学现象,更重要的是,它可以检测和识别复合材料中的分层、刺破、空隙和裂缝。通过雷击测试、实验性损伤测试和计算建模,他们证明了SansEC传感器可以有效地用于雷击保护和复合材料的原位损伤检测，并验证了使用高磁导率材料来控制传感器和复合基板之间的电磁场耦合的可行性。
性事故。由于复合材料导电性能差,当遭受雷击时在短时间内很难将电流导走,产生了过高的温度,从而使得复合材料产生深度分层或被严重烧蚀,引起结构的破坏。更严重的是，当滞留在构件上的电荷冲过与其接触的导体间隙时,会产生火花甚至接触油箱内的燃油蒸汽从而引发爆炸事故;同时，雷击电流在飞机上感应电磁场,进入飞机内部并在飞机电气导线上产生瞬间浪涌电压，这些浪涌电压会干扰或损坏电气或电子设备,危及飞机正常使用。因此飞行器的雷击防护设计越来越受重视。本文在介绍飞行器雷击防护和复合材料雷击防护技术的基础上,介绍了一种新型飞行器雷击防护技术，该技术将雷击防护、结冰探测、电磁屏蔽等多功能结合在一起，是未来飞行器雷击防护技术发展的新方向。
四、结语
全金属飞机具有良好的导电性,电荷分布在接近放电端的外表面.上，并能对内部起到电磁屏蔽作用,金属飞机遭遇雷击时机身外表面能将电荷顺利导走，而不会造成重大灾难性事故。由于复合材料导电性能差,当遭受雷击时在短时间内很难将电流导走,产生了过高的温度,从而使得复合材料产生深度分层或被严重烧蚀,引起结构的破坏。更严重的是，当滞留在构件上的电荷冲过与其接触的导体间隙时,会产生火花甚至接触油箱内的燃油蒸汽从而引发爆炸事故;同时，雷击电流在飞机上感应电磁场,进入飞机内部并在飞机电气导线上产生瞬间浪涌电压，这些浪涌电压会干扰或损坏电气或电子设备,危及飞机正常使用。因此飞行器的雷击防护设计越来越受重视。本文在介绍飞行器雷击防护和复合材料雷击防护技术的基础上,介绍了一种新型飞行器雷击防护技术，该技术将雷击防护、结冰探测、电磁屏蔽等多功能结合在一起，是未来飞行器雷击防护技术发展的新方向。
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