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先进闪电防护技术确保雨天飞行安全

2017-09-25 11:29 来源:大飞机报

  有媒体报道,今年4月,冰岛航空一架从雷克雅未克飞往美国丹佛的波音757飞机,在起飞后不久便被闪电击中。但飞机仍然继续飞行了余下的8小时,顺利抵达丹佛机场。直到降落后,所有人包括机组人员才发现机头被闪电击穿了一个大洞。虽然此次雷击没有造成人员伤亡,但是闪电雷击对飞机的影响却无法令人忽视。

  闪电的产生原理及飞机的危害

  7月22日,美国佛罗里达州21岁的机务人员Dunn正值机翼下检查,突然闪电击中机身,电击直接传到他的手部,Dunn瞬间栽倒在地。经过医院检查,发现Dunn的手、脚、胸部都受伤,脑部出血,并有严重的肌肉伤害,全身出现三级烧伤。还好,这名工作人员幸免于难。

  北半球的七八月正值夏季雨水多发期,然而,天气的变化并不仅仅只是从晴天变成阴天,而是常常伴有雷雨大风等强对流天气。说到闪电打雷,大家可能都觉得习以为常了,这也许是因为当我们看到闪电、听到打雷的时候,它们似乎离我们很远。可是,当它们真正接近我们的时候,人类却显得如此渺小,它们对人类的伤害却如此之大。同时,闪电雷击对飞机也能造成严重的伤害。

  闪电是由于大气层充电产生的结果。当充电到足够高时就会击穿空气绝缘体从而形成闪电。闪电可以分成很多种类:有云层到云层的,云层之间的以及云层到地面的。大多数飞机遭遇的闪电都是云层到地面这一种类型。

  事实上,现代飞机在飞行过程中“遭雷劈”的次数比我们想象的要多很多。据统计,一架商用客机每飞行10000小时就有可能被雷击中一次,平均每年都可能遭遇一次以上的雷击。巨大的闪电能量和电磁脉冲辐射场会对飞行安全造成严重影响。

  闪电对飞机的影响包括直接效应和间接效应两部分。闪电直接效应,即闪电对飞机结构的物理损坏,可能导致机体结构破坏,特别是复合材料结构的损坏,严重的可引起飞机爆炸,造成机毁人亡。闪电间接效应,即闪电对飞机电子电气设备产生干扰,造成系统功能的暂时或永久失效,影响航空器正常操作和飞行。

  传统金属飞机闪电防护

  为了防止闪电对人类造成伤害,人们进行了深入的研究,从闪电产生原理、闪电传播、闪电危害到雷电防护,都进行了分析,并对需要进行闪电防护的对象进行闪电防护设计及验证,以达到减小闪电危害的目的。

  18世纪,富兰克林根据尖端放电原理,设计将金属棒安装在屋顶,然后,联接一根导线通向大地。当雷电轰鸣时,天上的电就会被这个金属棒吸引,顺着导线直通地下,从而保护建筑物免受雷击。这就是人们所称的“避雷针”。避雷针使人类抓住了雷电并将其传入大地。它不仅拯救了无数生命,也使万千建筑免遭雷击的破坏。

  与房屋建筑不同的是,飞机遇到雷击时,无法通过类似避雷针的结构与地面连接将闪电能量导出并引入地下。通常,避免雷击的唯一方法只能是在气象雷达的指引下,飞机尽可能避开存在的雷雨云区。因此,飞机闪电防护措施需要将闪电击中飞机造成的损伤降到最低,从而保证飞机的正常飞行。

  由于飞机无法彻底避免雷击,因此,如何提高飞机的抗雷击性能是飞机设计、制造和维护过程中必须要着重考虑的因素。

  闪电击中飞机那一刻的电流最大能达到200千安。为了降低闪电高电流造成的损伤,需要让飞机变成一个大的导体,使电流不仅能击中飞机,还能从飞机导出。雷击的电流量是无法进行改变的。所以只能最大限度地降低雷击电流流过飞机时的电阻,尽量让雷击电流顺顺当当地流过机体而不会有大的阻碍。

  现代民航飞机都有较为完善的闪电防护措施,一旦飞机遭到雷击,飞机不会受到损伤,坐在舱内的乘客也是安全的。因此,雷电也并没有那么可怕。

  在中国民用航空器章程CCAR-25部规章条款中,有专门针对“闪电防护”的规定,要求“飞机必须具有防止闪电引起的灾难性后果的保护措施”。

  以机翼的闪电防护为例,在设计中主要考虑三个因素:一是要确保当闪电击中机翼时,飞机结构产生的损伤在可接受的范围内;二是燃油系统的设计和布局,必须防止闪电产生燃油系统点火源;三是要确保机上的电子电气设备在被闪电击中后功能正常且不受损伤。

  复合材料机翼闪电防护

  近年来,复合材料在商用飞机上的大量使用已经成为一种趋势,波音、空客、庞巴迪等世界顶级商用飞机制造商都陆续将复合材料应用于飞机主承力结构,如飞机机翼。

  虽然复合材料的应用能够为飞机带来减重、降低油耗、提升乘坐舒适度等等好处,但是,受限于非金属材料不可导电的特性,复合材料主承力结构(特别是飞机机翼)的闪电防护问题成为设计过程中需要重点攻克的一大难题。

  复合材料是由碳纤维、玻璃纤维等非金属材料构成的具有特定物理性能的材料,由于是非金属材料,其不能导电的特性,要求在结构设计时进行特殊的导电处理,以达到闪电防护的目的。

  由于复合材料不可导电,为了让闪电击中飞机机翼时,能够像金属机翼一样将高电流导出,需要让机翼能够导电。于是,给机翼穿上一层导电“外衣”的措施应运而生。这层导电“外衣”就是铜网,它大概为2-4层A4纸的厚度,在它的保护下,飞机机翼就被连接成一个导电体,雷击时能够将电流传导出去。

  衬套螺栓是一种特殊的紧固件,它是复合材料机翼闪电防护设计的重要组成部分。由于螺栓与孔壁并不接触,在闪电击中紧固件时,电流通过钉杆传递,在钉杆与钉孔间隙处有放电的风险。“衬套”的使用,可以防止放电和燃油泄漏,同时也可发挥传导电流的作用。

  国内闪电分区的研究

  中国商飞北研中心结构设计技术研究部依托复合材料机翼研制攻关、宽体论证和研制等项目,严格按照适航条款要求,开展了复合材料机翼闪电防护设计、分析和试验验证等工作。

  闪电分区是确定飞机闪电防护设计的基础,与飞机的结构外形密切相关。飞机的闪电分区主要划分为三个区,分别为1区、2区和3区,其中1区为可能经历初始闪电附着以及初始回击的区域,通常位于机头、翼尖、机身尾椎和发动机前缘等区域;2区为不可能经历初始回击,但有可能经历后续回击的区域,一般是在由于飞机移动而造成闪电通道至初始附着点向后扫掠的区域,通常位于1区之后或旁边等区域;3区为可能不会经历电弧附着,但会在附着点间传导闪电电流的区域,不属于1区和2区的区域都定义为3区。对于复合材料机翼的闪电防护设计,一般只需考虑2区和3区。

  闪电环境用于说明飞机结构系统的电流、电压等参数,指导闪电防护设计,并为试验验证提供输入。飞机设计所参考的闪电环境,将自然界中的闪电环境进行理论化及简化处理,保留其主要特征,帮助闪电防护分析。闪电环境可以通过试验分析、理论计算和仿真模拟等方法获得。经过试验验证,最大直接附着闪电电流幅值在闪电1区为200KA,在闪电2区为100KA,3区传导来自1区和2区的电流。

  安全性分类是根据结构系统等失效时的危害性等级划分的,分为无安全影响、不重要级、重要级、危险级和灾难级五种等级。复合材料机翼盒段结构的失效会导致飞机失事,因此复合材料机翼盒段结构的安全性分类为灾难级。

  危害性评估是闪电防护设计工作的基础。通过评估闪电对飞机可能造成的损伤以及危险源,从而确定闪电防护方法。闪电本身携带巨大的能量,在其接触飞机后,容易对飞机结构烧蚀,产生结构损伤,或者引起燃油箱内部热点,点燃油箱,引起燃油箱爆炸。此外,闪电本身具有大电流以及大电压,会导致在燃油箱内部产生电火花,从而点燃油箱,引起燃油箱爆炸。

  闪电防护设计包括电搭接设计和防护措施两部分。电搭接设计是为了使飞机的导体全部导通,并形成一个传导闪电电流的网络,使电流快速的分散传导,从而避免由于电流集中引起的结构损伤、热点及电火花等危险源。闪电防护措施包括铜网、衬套螺栓、玻璃布、喷漆、密封、树脂防护、间隙等,铜网使电流快速扩散;衬套螺栓实现过盈配合,消除产生火花的间隙;玻璃布、喷漆增加绝缘强度,提高击穿电压,避免结构间击穿产生的火花;密封、树脂防护不但增加绝缘强度、提高击穿电压,同时能够将火花包围,避免与燃油蒸气接触而点燃油箱;控制间隙尺寸,可以降低电压击穿的可能性。

  试验验证是确保闪电防护设计有效性的重要手段。复合材料机翼研制攻关项目通过选取复材机翼盒段上最严酷的设计构型,设计壁板结构、壁板与肋连接结构、翼根连接结构等试验件构型,开展闪电电弧引入试验、闪电电流传导试验以及电晕流光试验,用于验证产生的结构损伤、热点以及电火花是否影响飞机的持续安全飞行及着陆。

  北研中心结构设计技术研究部完成复合材料机翼结构关键技术攻关和集成,从设计、试验、仿真等三个层面对复合材料机翼闪电防护进行了系统研究,后续还将开展复合材料机翼整体油箱安全性研究,从而实现全面的整体油箱防护,保证飞机飞行安全。(白鸿博 文/北研中心供图)

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