引 言
　　飛機(jī)的防雷擊設(shè)計(jì)包括全機(jī)防雷擊系統(tǒng)和部件級(jí)防雷擊系統(tǒng)兩部分。而防雷擊設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行雷電區(qū)域的正確劃分，從而根據(jù)不同的雷電區(qū)域采取不同的防護(hù)措施。本文主要提供一種全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)的全機(jī)防雷擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，部件級(jí)防雷擊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文不做分析。
　　1 飛機(jī)雷擊環(huán)境定義
　　1.1飛機(jī)的雷擊環(huán)境
　　直接雷擊——指開始接觸到飛機(jī)表面的雷擊。
　　掃掠雷擊——指一旦飛機(jī)接觸到直接雷擊后，雷擊持續(xù)放電的接觸點(diǎn)不斷出現(xiàn)順氣流方向沿飛機(jī)表面跳躍移動(dòng)。
　　1.2飛機(jī)的雷電效應(yīng)
　　雷電直接效應(yīng)是由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸形。
　　雷電間接效應(yīng)是指在電子、電氣設(shè)備和布線中雷電引起的過電壓和過電流造成的設(shè)備損壞或干擾。
　　3 飛機(jī)雷電區(qū)域劃分
　　3.1區(qū)域劃分
　　按照不同的雷電附著特性或傳遞特性可把飛機(jī)表面劃分成三個(gè)區(qū)域：
　　區(qū)域1：初始電擊附著其上面（進(jìn)口或出口）可能性很大的飛機(jī)表面。亦稱初始附著區(qū)域。
　　區(qū)域2：電擊放電被氣流從區(qū)域1的初始附著點(diǎn)吹過來在其上面掃掠的可能性很大的飛機(jī)表面，亦稱掃掠沖擊區(qū)域。
　　區(qū)域3：除了區(qū)域1和區(qū)域2以外的所有飛機(jī)表面為區(qū)域3。在區(qū)域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對(duì)初始雷電附著點(diǎn)或掃掠沖擊附著之間傳導(dǎo)很大的雷電流。
　　按照放電長時(shí)間懸停在飛機(jī)表面的可能性大小，區(qū)域1又進(jìn)一步分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，區(qū)域2劃分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)是電弧在它上面長時(shí)間懸停可能性較小的區(qū)域。B區(qū)是電弧在它上面長時(shí)間懸停可能性較大的區(qū)域。
　　3.2區(qū)域的確定
　　飛機(jī)雷擊區(qū)域的劃分按照SAE ARP5414A-2005進(jìn)行，采用推薦的或標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典規(guī)則確定。
　　3.2.1區(qū)域1的確定
　　首先，要確定可能的初始雷電附著點(diǎn)區(qū)域。一般傳統(tǒng)布局的飛機(jī)，根據(jù)飛機(jī)的雷擊經(jīng)驗(yàn)，典型的雷電先導(dǎo)初始附著點(diǎn)位置為一些末端，如機(jī)頭、機(jī)翼/尾翼翼尖、推進(jìn)器和螺旋槳槳葉的末端、發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及其他明顯的突出物。
　　其次，確定區(qū)域1A、1B、1C的位置，根據(jù)SAE ARP5414A-2005，在正常情況下，飛機(jī)將會(huì)往前飛行，當(dāng)沖擊和閃電從前端的附著點(diǎn)開始從頭到尾的掃過，開始形成第一個(gè)回流沖擊。這一時(shí)間飛機(jī)飛行距離決定了區(qū)域1A表面相對(duì)于初始附著點(diǎn)的延展部分，這個(gè)距離由飛行速度、飛機(jī)離地面的海拔高度（對(duì)于從云端到地面的沖擊）以及先導(dǎo)速度決定。區(qū)域1A延展部分的起點(diǎn)應(yīng)該是飛機(jī)初始附著區(qū)域的端點(diǎn)。
　　3.2.2區(qū)域2的確定
　　區(qū)域2：
　　1）從區(qū)域1的直接雷擊接觸點(diǎn)向后有掃掠雷擊可能性的表面為區(qū)域2，在區(qū)域1的前、后邊界側(cè)向內(nèi)大約0.5m范圍內(nèi)的表面；
　　2）區(qū)域1C之后機(jī)身表面為區(qū)域2A；
　　3）垂尾、平尾區(qū)域1以外的為區(qū)域2A；方向舵、升降舵為區(qū)域2B。
　　3.2.3區(qū)域1、2的橫向擴(kuò)張位置的確定
　　對(duì)于機(jī)翼和尾翼處，確定區(qū)域1的辦法是確定突出的弧形部分的水平切線，然后沿著切線往里延伸大約0.5m，區(qū)域1往里延伸大約0.5m的表面區(qū)域應(yīng)該放在區(qū)域2中考慮。
　　3.2.4區(qū)域3的確定
　　不屬于區(qū)域1和2的表面，并且不可能有閃電附著的地方劃分為區(qū)域3。
　　3.3飛機(jī)雷擊區(qū)域劃分示意圖
　　飛機(jī)的雷擊區(qū)域的位置都是由飛機(jī)的幾何特性和飛機(jī)的飛行特性來確定的。飛機(jī)雷擊區(qū)域的最終確定將由飛機(jī)雷擊附著點(diǎn)試驗(yàn)得到。圖1為某型號(hào)單發(fā)渦槳輕型公務(wù)機(jī)雷擊區(qū)域的初步理論劃分示意圖。
　　4雷電防護(hù)設(shè)計(jì)
　　飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在飛機(jī)遭遇雷擊時(shí)能為雷電流提供低阻抗的通路。對(duì)于容易受到雷擊放電損壞的飛機(jī)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件如飛機(jī)的機(jī)頭、翼尖、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油箱、活動(dòng)翼面、風(fēng)擋、天線等部件，必須根據(jù)其自身重要性以及所在區(qū)域的要求采取必要的雷電防護(hù)措施，以盡可能避免或減小雷電對(duì)飛機(jī)及設(shè)備自身的損害。
　　4.1 全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)
　　資料顯示，對(duì)復(fù)合材料機(jī)體進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)，在沒有雷擊防護(hù)層的情況下，在經(jīng)受60～100kA峰值電流和1.9C電荷量放電后就產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，說明應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)必須進(jìn)行雷擊防護(hù)。
　　據(jù)了解，目前國內(nèi)外多數(shù)復(fù)合材料的飛機(jī)均使用金屬絲網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層，可用標(biāo)準(zhǔn)紡織工藝將金屬絲織成布或針織品。全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)使用銅網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層。根據(jù)模擬雷擊試驗(yàn)結(jié)果，具體防雷擊方案為：
　　1）對(duì)于飛機(jī)雷擊區(qū)域1，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護(hù)層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.14mm；
　　2）對(duì)于飛機(jī)雷擊區(qū)域2，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護(hù)層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.1mm。
　　4.1.1位于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)
　　用于雷擊區(qū)域1的復(fù)合材料雷擊防護(hù)層必須能經(jīng)受200kA的高電流沖擊和500C電荷量的傳輸。處于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊設(shè)計(jì)可在復(fù)合材料制件的外表面上鋪一層銅絲網(wǎng)，一次固化成制件，或?qū)~絲網(wǎng)用膠粘劑粘到復(fù)合材料制件的外表面上。銅絲網(wǎng)規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.14mm。 　　4.1.2位于雷擊區(qū)域2的全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體的雷擊防護(hù)
　　用于雷擊區(qū)域2的復(fù)合材料雷擊防護(hù)層必須能經(jīng)受100kA的高電流沖擊和傳輸200C的電荷量。處于掃掠雷擊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)可采用在復(fù)合材料制件表面上粘一層銅絲網(wǎng)。銅絲網(wǎng)的規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.1mm，若有天線安裝的部位，為防止趨膚效應(yīng)，銅絲直徑至少為0.14mm。
　　4.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱的雷擊防護(hù)
　　對(duì)于復(fù)合材料整體油箱，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)是復(fù)合材料整體油箱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。雷擊過程中的高電壓、大電流、大電量（持續(xù)高電流）對(duì)復(fù)合材料整體油箱危害極大。因此，在復(fù)合材料整體油箱設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)選擇雷電防護(hù)系統(tǒng)。
　　4.2.1全碳纖維復(fù)合材料整體油箱防雷擊設(shè)計(jì)的主要原則
　　1）復(fù)合材料整體油箱應(yīng)布置在飛機(jī)遭受雷擊概率較小的區(qū)域，如雷擊區(qū)域2或3，盡量布置在3區(qū)。對(duì)機(jī)翼整體油箱來說，應(yīng)布置在機(jī)翼的根部或中部；
　　2）在復(fù)合材料整體油箱的外表面應(yīng)該為雷擊電流構(gòu)建通道，這些通道應(yīng)與飛機(jī)的雷擊電流傳輸通路有良好的電連接；
　　3）在油箱區(qū)，凡存在燃油、燃油蒸汽和空氣混合氣體的空間，不得因雷擊產(chǎn)生放電火花。
　　4.2.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱外部的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)
　　由于復(fù)合材料整體油箱的上、下壁板是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)表面的一部分，因此其雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)思路及外表面雷電防護(hù)方法與復(fù)合材料機(jī)體的雷電防護(hù)相同。
　　4.2.3全碳纖維復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)
　　1）金屬緊固件尾部及連接細(xì)節(jié)雷電防護(hù)設(shè)計(jì)：當(dāng)結(jié)構(gòu)材料允許雷擊電流通過結(jié)構(gòu)骨架傳導(dǎo)時(shí)，容易在緊固件尾部或緊固件與骨架連接處產(chǎn)生放電火花，為此需用密封膠覆蓋、用專用防護(hù)帽的方法或其他可靠的方法保證不產(chǎn)生放電火花；
　　2）復(fù)合材料緊固件：在滿足強(qiáng)度要求并能提供充足的緊固件品種規(guī)格和工藝保證的前提下使用。可避免將雷擊電流導(dǎo)入油箱內(nèi)部，從而避免火花的出現(xiàn)；
　　3）油箱內(nèi)的金屬構(gòu)件：復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部應(yīng)盡量避免有金屬構(gòu)件。對(duì)于不可避免的金屬構(gòu)件應(yīng)通過搭接線與飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)保證良好搭接，并要防止內(nèi)部導(dǎo)體電暈和流光。
　　4）油箱內(nèi)部的部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到：當(dāng)雷擊電流通過油箱時(shí)，不會(huì)在油箱內(nèi)部產(chǎn)生任何可能點(diǎn)燃燃油蒸汽的火花。
　　4.3設(shè)備的雷電防護(hù)
　　對(duì)于設(shè)備，根據(jù)設(shè)備所執(zhí)行的功能，要求設(shè)備廠商必須參照符合設(shè)備預(yù)期用途以及在飛機(jī)上安裝要求的試驗(yàn)電平和波形對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進(jìn)行。
　　對(duì)于安裝在飛機(jī)外部的設(shè)備，還需要設(shè)備廠商進(jìn)行雷電直接效應(yīng)試驗(yàn)，用于確定外部安裝設(shè)備耐受雷擊直接效應(yīng)的能力，施加于外部安裝設(shè)備的試驗(yàn)類型和嚴(yán)酷等級(jí)取決于設(shè)備指定的類別。指定的設(shè)備試驗(yàn)類別應(yīng)與設(shè)備安裝位置所在的雷電放電區(qū)域相符合，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第23章進(jìn)行。
　　4.4雷電間接效應(yīng)防護(hù)
　　飛機(jī)內(nèi)電子電氣系統(tǒng)和部件（全機(jī)用電設(shè)備，包括發(fā)動(dòng)機(jī)電氣、操縱系統(tǒng)等），可能會(huì)因?yàn)槔讚粢疬^電壓和過電流造成損壞或干擾的，要進(jìn)行雷電間接效應(yīng)防護(hù)。由于全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)的屏蔽能力比金屬飛機(jī)差，所以雷電間接效應(yīng)的防護(hù)更加重要。
　　雷電間接效應(yīng)通常以兩種形式出現(xiàn)：
　　1）雷電通過天線、空速管加溫線、航行燈導(dǎo)線、金屬操縱線系及各種金屬管路等，將雷電電流直接引入飛機(jī)，可能出現(xiàn)浪涌電壓；
　　2）沿著機(jī)體流動(dòng)的雷電電流在飛機(jī)線路中、金屬操縱線系、各種金屬管路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流。
　　4.4.1明確設(shè)備防護(hù)的要求
　　關(guān)于電子電氣設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護(hù)要求：
　　1）不得造成物理損壞；
　　2）不得產(chǎn)生立即危及飛機(jī)及其機(jī)組人員安全的干擾，或產(chǎn)生嚴(yán)重妨礙飛機(jī)任務(wù)完成的干擾。
　　系統(tǒng)和部件的雷電關(guān)鍵類別取決于其自身對(duì)飛機(jī)的重要性、所在的雷電分區(qū)以及雷電的敏感性。根據(jù)飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、蒙皮材料、電磁“窗口”大小（如外部非金屬區(qū)）設(shè)備的安裝部位、導(dǎo)線的布置、設(shè)備接口進(jìn)行分析，確定瞬態(tài)控制等級(jí)（TCL）和設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計(jì)等級(jí)（ETDL）。關(guān)鍵設(shè)備、分系統(tǒng)根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進(jìn)行試驗(yàn)。RTCA /DO 160F 第22章試驗(yàn)波形等同SAE ARP5412A-2005的相關(guān)試驗(yàn)波形。
　　4.4.2選擇設(shè)備的最佳安裝位置
　　設(shè)計(jì)過程中，盡量將電子設(shè)備布置在雷電產(chǎn)生的電磁場最弱的區(qū)域，采取的主要措施有：
　　1）電子設(shè)備盡量遠(yuǎn)離門、窗、口蓋等開口處。對(duì)于安裝在駕駛艙、起落架艙、機(jī)翼前后緣、尾段等相對(duì)敞開區(qū)域的設(shè)備，采用金屬機(jī)箱屏蔽，對(duì)于含有數(shù)字電路和模擬電路的設(shè)備如靠近擋風(fēng)板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的鋁合金做成電磁屏蔽盒；
　　2）盡可能將電子設(shè)備布置為朝向飛機(jī)結(jié)構(gòu)的中心，而不布置在飛機(jī)外蒙皮；
　　3）設(shè)備安裝的設(shè)備架上能為電子設(shè)備提供接地面且與飛機(jī)接地網(wǎng)有良好的搭接；
　　4）金屬線系和管路應(yīng)有良好的搭接。
　　4.4.3選擇線路的最佳位置
　　電線、電纜應(yīng)進(jìn)行分類布設(shè)。
　　電纜敷設(shè)遠(yuǎn)離門、窗、口蓋等開口處和曲率較小的結(jié)構(gòu)或蒙皮。
　　線束盡可能靠近接地平面或結(jié)構(gòu)件敷設(shè)，可利用成形的結(jié)構(gòu)件作電纜槽，提供屏蔽。
　　盡可能使導(dǎo)體位于磁場強(qiáng)度較弱的結(jié)構(gòu)角落，如避開突出的結(jié)構(gòu)件頂部，盡可能敷設(shè)在“U”型件的內(nèi)部。
　　當(dāng)有機(jī)外未屏蔽或屏蔽效能不高區(qū)域的電線和電纜進(jìn)入機(jī)身內(nèi)部時(shí)，將機(jī)外所有電纜進(jìn)行屏蔽保護(hù)，屏蔽層接地線應(yīng)盡量短，并良好搭接，以避免遭受雷擊或外部強(qiáng)電磁輻射時(shí)電線和電纜上的感應(yīng)電壓和電流損壞電線和電纜以及與電線和電纜連接的機(jī)內(nèi)設(shè)備。
　　不要使燃油傳感器導(dǎo)線的走向與通氣管、導(dǎo)油管導(dǎo)向走向一致或平行。導(dǎo)線可以貼著蒙皮走，但應(yīng)避免與雷擊電流流向一致。
　　在非金屬機(jī)翼蒙皮下的電纜，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的布設(shè)方向，用鋁箔材料或良導(dǎo)體金屬導(dǎo)線管，保護(hù)電纜導(dǎo)線。鋁箔材料或金屬導(dǎo)線管應(yīng)和全機(jī)的接地網(wǎng)搭接，形成良好的電氣通路。
　　雷電流通過低導(dǎo)電率材料的蒙皮（如鈦、碳纖維）區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，應(yīng)遠(yuǎn)離這些區(qū)域布設(shè)電纜。由于空間有限，可采用電氣隔離的方法：
　　1）可采用扭絞線作為電源線；
　　2）采用屏蔽電纜或屏蔽扭絞線，并將它們的兩端均搭接到全機(jī)的接地網(wǎng)上；
　　3）用瞬態(tài)抑制器，以保護(hù)電網(wǎng)的安全；
　　4）電氣設(shè)備和線束的安裝應(yīng)滿足要求。
　　4.4.4選擇良好的接地
　　設(shè)備應(yīng)根據(jù)要求選擇良好的搭接，并進(jìn)行搭接電阻的檢查。
　　對(duì)全碳纖維復(fù)合材料飛機(jī)，全機(jī)設(shè)備進(jìn)行良好的搭接顯得尤為重要，為方便設(shè)備的搭接，全機(jī)應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的搭接網(wǎng)絡(luò)。
　　5結(jié)論
　　雷電對(duì)飛機(jī)的飛行安全影響較大，全碳纖維材料飛機(jī)的雷擊防護(hù)在飛機(jī)的研制過程中是非常重要的，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)采用敷設(shè)銅網(wǎng)作為雷擊防護(hù)層是可行的。