胡濤

隨著夏季的到來，各地雷雨天氣也越來越頻繁，嚴重影響了民航航班的起飛和降落。實際上，從事民航飛機設計、制造和適航性技術相關工作的人員都知道，民航飛機一般都具有較好的抗雷擊能力，通常情況下，雷電不會對飛機造成較大損傷。

在美國國家運輸安全局（NTSB）記錄的14余萬起飛行事故中，僅有24起同閃電有關，其中大部分是私人飛機或直升機，而且只有5起造成了人員傷亡。那么，民航飛機為什么會有如此好的防雷擊能力呢？筆者將從以下幾個方面簡要講解民航飛機是如何防雷擊的，如何具有雷電環(huán)境下的適航能力。

雷電是由空氣中或者更多是在云層中的電荷產(chǎn)生的，當云層充電到足夠高的電壓時就會擊穿空氣絕緣體從而發(fā)生閃電。最常見引起閃電的是積雨云、雷雨云，而在沙塵暴、暴風雪及火山噴發(fā)時，也會引起閃電。

最常見的雷電類型主要包括：云層和大地之間的，稱為云地間雷電;在同一云層內(nèi)電荷中心間的雷電稱為云層內(nèi)雷電;在不同云層間的雷電稱為云層內(nèi)雷電。云地間雷電和云層內(nèi)雷電是最常見的雷電類型。

雷電對飛機的影響

飛機結構是由導電材料制成的，由于閃電的發(fā)生是由云層到地面或其他云層，飛機結構就提供了一個“短路”的路徑，飛機成了雷電路徑的一部分。巨大的閃電能量和電磁脈沖輻射場可能會對飛機飛行安全造成嚴重影響。雷電對飛機的影響可以分為直接效應和間接效應。

雷電的直接效應是指閃電通道的直接附著和/或設備產(chǎn)生的物理效應。包括飛機或設備表面和結構的絕緣擊穿、爆炸、彎曲、融化、燃燒和汽化。也包括直接注入到相關導線和管道以及其他導電部件的電壓和電流。直接效應可能導致機體結構破壞，特別是復合材料結構的損壞，嚴重的可造成機毀人亡。

對結構直接效應。飛機遭遇雷擊時，閃電會在飛機結構外表面形成多個附著點，把整個飛機作為一個導體在附著點之間傳播瞬時大電流。因此，只有在電流通路上，結構零件之間電搭接或接觸不好時，才容易出現(xiàn)物理損壞。另一方面，在電流匯合到進或出點周圍，可能聚集很大的電磁力和阻性加熱，這些都可能帶來結構的損壞。在這些雷擊點上的破壞，深入來講是由電弧通路帶來的巨大的熱量和巨大的作用力造成的。

對燃油系統(tǒng)的直接效應。對飛機造成的最嚴重危害之一莫過于擊中燃油系統(tǒng)。一個只傳導1A電流的電弧就足夠點燃易燃的碳氫化合物燃氣，而實際上飛機內(nèi)射入的閃電電流高達幾千安培。有很多民用或軍用的飛機事故的起因是由閃電造成的燃油起火，經(jīng)調(diào)查最有可能的是在一些沒有專門設計成導電的結構接合處或電氣設備上產(chǎn)生的電弧或火花造成的，也有一些事故被認為可能是閃電點燃了從通氣口排出的燃油蒸汽造成的。

對電氣系統(tǒng)的直接效應。如果一個安裝在外部的設備，比如航行燈或天線，恰巧位于閃電附著點上，保護罩或整流罩可能會破碎，閃電電流就會直接進入相關的電氣導線中，沿著導線流入電源分配系統(tǒng)。伴隨的浪涌電壓會擊穿絕緣層，或者導致其他使用同一電源的電氣設備的損壞。安裝在外部的電氣設備通常包括：航行燈、天線、風擋加溫器、空速管加溫器、以及早期的用于短波無線電通訊的在尾梁上架設的長導線天線等。

當飛機遭遇雷擊時，即使閃電沒有直接擊中飛機的電氣導線，擊中飛機結構也足以在這些導線上引起較大的感應電壓和電流的浪涌。由這些感應電壓和電流造成的對電氣設備的干擾或損壞定義為間接影響。間接效應可能引起電氣/電子設備短暫或永久性功能喪失，影響航空器正常操作。

此外，閃電還可能引起飛行人員短暫失明（也即閃光致盲）或受到機體或操縱手柄的直接/間接產(chǎn)生的電流的電擊，也會對飛行安全產(chǎn)生隱患。

閃光致盲是指在夜間飛行時，如果風擋前方出現(xiàn)閃電，那么它的閃光可能使飛行員短暫致盲，使飛行員難以或不能看到飛機儀表。閃光致盲可以持續(xù)一到兩分鐘。在不損失風擋可視性的前提下，沒有任何辦法能避免閃光致盲。當飛機上有兩名飛行員時，在可能發(fā)生閃電的情況下，保證一名飛行員始終觀察飛機儀表板，而不向風擋看。駕駛艙內(nèi)的設備照明燈和顯示強度都應調(diào)到最亮。

雷電防護適航性技術要求

為了保證民航飛機在雷電環(huán)境下仍能夠安全飛行，也即具有雷電環(huán)境下的適航能力，中國民航局（CAAC）和美國聯(lián)邦航空局（FAA）在其頒布的運輸類飛機適航規(guī)章（CCAR/FAR 25部）中明確要求運輸類飛機必須滿足“閃電防護”相關以下適航規(guī)章條款要求。

CCAR/FAR 25.581 閃電防護

（a）飛機必須具有防止閃電引起災難性后果的保護措施。

（b）對于金屬組件，下列措施之一可表明符合本條（a）的要求：該組件合適地搭接到飛機機體上;該組件設計成不致因閃電而危及飛機。

（c）對非金屬組件可用下列措施之一表明符合本條（a）的要求：該組件的設計使閃電的后果減至最小;具有可接受的分流措施，將產(chǎn)生的電流分流而不致危及飛機。

（d）防止閃電和靜電的電搭接和保護措施必須符合下列要求：使靜電荷的積累減至最小;使采用了正常預防措施的機組成員、旅客、服務和維修人員遭到電擊的危險減至最小;在正常和故障情況下，在具有接地的電氣系統(tǒng)的旋翼航空器上，都要設有電回流通道;使閃電和靜電對主要電氣和電子設備工作的影響減至可接受的水平。

CCAR/FAR 25.581“閃電防護”主要是對飛機結構雷電防護的規(guī)定，它要求飛機必須具有防止閃電引起的災難性后果的保護措施，也即必須要有足夠的防雷電措施。

CCAR/FAR 25.954 燃油系統(tǒng)的閃電防護

燃油系統(tǒng)的設計和布局，必須防止由于下列原因而點燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸氣：雷擊附著概率高的區(qū)域直接被閃擊;掃掠雷擊可能性高的區(qū)域被掃掠雷擊;燃油通氣口處的電暈放電和流光。

CCAR/FAR 25.954“燃油系統(tǒng)的閃電防護”主要是對飛機燃油系統(tǒng)防雷擊要求，規(guī)定燃油系統(tǒng)的設計和布局，必須防止由于閃電點燃系統(tǒng)內(nèi)的燃油蒸汽。

CCAR/FAR 25.1316 系統(tǒng)閃電防護

（a）對于其功能失效會影響或妨礙飛機繼續(xù)安全飛行和著陸的每種電氣、電子系統(tǒng)的設計和安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環(huán)境時、執(zhí)行這些功能的系統(tǒng)的工作與工作能力不受不利影響。

（b）對于其功能失效會影響或造成降低飛機能力或飛行機組處理不利運行條件能力的各種電氣和電子系統(tǒng)的設計與安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環(huán)境之后能及時恢復這些功能。

（c）必須按照遭遇嚴重閃電環(huán)境來表明對于本條（a）和（b）的閃電防護準則的符合性。申請人必須通過下列辦法來設計并驗證飛機電氣/電子系統(tǒng)對閃電影響的防護能力：確定飛機的閃擊區(qū);建立閃擊區(qū)的外部閃電環(huán)境;建立內(nèi)部環(huán)境;判定必須滿足本條要求的所有電子電氣系統(tǒng)及其在飛機上或飛機內(nèi)的位置;確定系統(tǒng)對內(nèi)部和外部閃電環(huán)境的敏感度;設計防護措施;驗證防護措施的充分性。

CCAR/FAR 25.1316“系統(tǒng)的閃電防護”主要是對飛機機載系統(tǒng)和設備雷電防護的規(guī)定，它要求飛機重要的電子電氣系統(tǒng)的設計與安裝，必須保證在飛機遭遇閃電環(huán)境之后，這些系統(tǒng)的工作與工作能力不受不利影響或能及時恢復其功能。

雷電防護適航性設計與驗證

運輸類飛機適航規(guī)章（CCAR/FAR 25部）是各種民用運輸類飛機設計、制造和適航取證必須要滿足的適航性技術要求，其中的“閃電防護”相關要求也不例外。

為了滿足上述“閃電防護”適航性要求，保證飛機在閃電環(huán)境下的適航性，大多數(shù)民航飛機設計和制造時會采取了以下措施以確保飛機在遭受雷電后的安全：

（1）飛機結構設計成良好的導通性（低電阻值），避免遭遇閃電時產(chǎn)生過熱。

（2）所有關鍵性結構或蓋板進行強化設計，保證在遭遇閃電后不會熔化或擊穿。

（3）在復合材料結構中加入避雷條，如雷達罩上裝有放電條。

（4）對于閃電產(chǎn)生的電磁干擾等間接效應：金屬的飛機外殼為內(nèi)部設備提供屏蔽保護，使電荷分布在飛機外部。對于最為關鍵的設備提供高等級的保護，如飛機電子儀器的電線包括電源通訊及控制線都加裝有接地金屬網(wǎng)保護。采取冗余技術（多套設備互為備份）。

（5）安裝密封性佳、防止火花引爆的結構油箱和燃油管路，或在燃油箱中充入氮氣等惰性氣體。

為了保證飛機閃電防護措施的充分性以及對CCAR/FAR 25部“閃電防護”適航性要求的符合性，在飛機閃電防護適航性合格審查時通過下述六個步驟進行保證：

（1）確定閃電分區(qū)

每種飛機的具體分區(qū)都不一樣，分區(qū)與飛機的幾何形狀、材料、操作等因素有關，因此對每種飛機應該建立各自的閃電分區(qū)。

（2）建立與分區(qū)有關的閃電環(huán)境

外部閃電環(huán)境是閃電與飛機外部相互作用的結果。用一組飛機表面的電流分量和電壓波形表示。電壓波形代表與閃電附著前階段有關的電場效應，電流分量是必須予以防范的電流。不同的閃電分區(qū)，閃電環(huán)境不一樣，遭受的電流分量和電壓波形也就不一樣。

（3）進行閃電危害評估

所有飛機結構、系統(tǒng)和部件的閃電效應必須被評估，以確定任何閃電損害可能的安全后果。這個評估必須確定哪些飛機的結構、系統(tǒng)和部件，因雷擊造成的失效或故障會有助于或導致立即或稍后的災難性后果。

（4）進行雷電防護設計

設計可依據(jù)以前的實踐經(jīng)驗，設計指南，或者以前的認證手冊數(shù)據(jù)。對于新的設計，需要進行試驗以證明其性能。

（5）符合性驗證

通過證明結構件、系統(tǒng)和部件可以安全地承受可能遇到的閃電環(huán)境來驗證符合性。驗證可以通過與類比、試驗、分析計算，或者三者結合來進行。分析計算和試驗方法的嚴格程度取決于前面所述的安全性分類。

2014年5月1日，德國漢莎航空公司一架A321-200客機從法蘭克福飛往雅典途中遭遇閃電擊中，幸運的是飛機最后返航并安全著陸，機上212名乘客和機組人員也安然無恙。這也正是因為該型飛機進行了上述的防雷擊適航性設計和驗證，從而保證了其具有雷電環(huán)境下的適航性。

雖然飛機設計、制造、試驗驗證等方面已經(jīng)做好了防雷擊的措施，但畢竟雷電的威力大、具有不確定性，再好的防雷擊措施都有可能出現(xiàn)問題，要想真正避免雷擊事件發(fā)生，還需要嚴格執(zhí)行繞飛雷雨區(qū)域等相關規(guī)定，采用氣象雷達預先探測雷雨區(qū)域，提前執(zhí)行繞飛程序才是安全飛行的基本保障。所以，我們在乘坐航班出行時由于雷雨天氣導致的航班推遲起飛、備降其他機場等航班延誤情況也都是出于安全考慮而不得不采取的措施。