崔英男

民用飛機(jī)靜電放電器布置安裝設(shè)計(jì)

崔英男

崔英男

中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司

靜電放電器用來平穩(wěn)的泄放飛機(jī)上積累的電荷，防止產(chǎn)生過大的無線電噪聲對于飛機(jī)的通訊導(dǎo)航等系統(tǒng)造成干擾。本文首先簡要介紹了靜電放電器的特性，繼而給出靜電放電器較為詳細(xì)的布置設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合某新型支線客機(jī)工程經(jīng)驗(yàn)對該機(jī)型靜電放電器布置設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。對民用飛機(jī)靜電防護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價值。

1 前言

飛機(jī)表面在飛行中會累積大量靜電荷，這些靜電荷自然耗散時會產(chǎn)生寬頻譜電磁干擾，干擾頻譜高達(dá)1000 MHz，對飛機(jī)通訊、導(dǎo)航設(shè)備干擾嚴(yán)重，影響飛機(jī)安全飛行。試驗(yàn)證明，受靜電放電影響甚高頻全向信標(biāo)的航向誤差可達(dá)10°左右。因此需合理地設(shè)計(jì)、安裝靜電放電器以降低由靜電放電產(chǎn)生的電磁干擾，使其對飛機(jī)系統(tǒng)的影響降到最低。

2 靜電放電器

靜電放電器的尖端相比飛機(jī)結(jié)構(gòu)的尖端具有更大的曲率，在相同的電勢下能產(chǎn)生更高的電場強(qiáng)度，因此靜電放電器能夠在較低的電勢下產(chǎn)生電暈，降低了靜電在機(jī)體的積累程度。由于放電電勢較低，放電的能量較小，從而對導(dǎo)航等設(shè)備產(chǎn)生的干擾也隨之降低。通常要求靜電放電器對于靜電放電干擾在50mA的電流下取得優(yōu)于50 dB的降噪性能。

靜電放電器主要有兩種類型：后緣型放電器與尖端型放電器。后緣型通常安裝在機(jī)翼和安定面后緣；尖端型安裝在飛機(jī)翼尖、安定面及尾椎的尖端。兩種類型放電器均由3部分構(gòu)成：尖端部分、阻抗元件和放電器底座。放電器底座通過螺接、鉚接或膠接方式安裝在飛機(jī)表面，當(dāng)放電器損壞時，直接將放電器從底座上取下更換即可。

目前民機(jī)設(shè)計(jì)中多使用全熱塑復(fù)合材料高阻靜電放電器，此類靜電放電器和底座均由熱塑性塑料制成，放電器的尖端部分與阻性元件整合為一個部件，具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、功能組件壽命長、放電性能好、與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相容性好等優(yōu)點(diǎn)。而且由于全復(fù)合材料放電器不含有金屬組件，遭受雷擊造成放電器損壞的風(fēng)險相對含金屬部件的放電器要小。

3 靜電放電器的數(shù)量及布置安裝設(shè)計(jì)

靜電放電器數(shù)量計(jì)算

計(jì)算靜電放電器數(shù)量首先應(yīng)確定飛機(jī)飛行過程中的最大沉積靜電充電電流。最大沉積靜電充電電流計(jì)算公式為，

式中I 為靜電充電電流；qp為每粒子帶電荷量（庫倫/粒子）；c 為粒子濃度；V 為飛機(jī)速度（m/ s ）；Aeff為有效的飛機(jī)正面面積其中Apf表示飛機(jī)的投影正面面積（m2）；K 為有效面積因子，巡航時K 取0.5，進(jìn)近、著陸和起飛時K取0.25。

最大充電電流的計(jì)算流程如下，首先選擇飛機(jī)飛行狀態(tài)（即起飛、巡航、進(jìn)近或著陸），根據(jù)不同飛行狀態(tài)選擇合適的真空速（TAS）V。根據(jù)飛機(jī)各個部段的幾何尺寸，可計(jì)算不同飛行狀態(tài)下的總正面面積Apf。再根據(jù)選取飛行狀態(tài)對應(yīng)粒子的物理參數(shù)qp、c，就可利用上述公式完成某一飛行狀態(tài)下的充電電流計(jì)算。重復(fù)上述過程，對其它飛行狀態(tài)進(jìn)行充電電流計(jì)算。最后對所有計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估，確定充電電流最惡劣的情況（充電電流最大）。

根據(jù)上述步驟，對飛機(jī)在各個飛行階段中的沉積靜電充電電流進(jìn)行計(jì)算。取其中最大充電電流，為獲得飛機(jī)最大派遣率，飛機(jī)所需靜電放電器數(shù)量應(yīng)為N=Imax/imin+2。式中N 為靜電放電器的數(shù)量；Imax為飛機(jī)的最大沉積靜電充電電流；imin為靜電放電器的最小持續(xù)放電能力，設(shè)定數(shù)值為50 μA，這是對靜電放電器放電能力的保守估計(jì)。

布置設(shè)計(jì)

靜電放電器主要布置在電暈發(fā)生的尖端部位，靜電荷較集中的地方。機(jī)翼尖端部位的后緣、垂直和水平尾翼的后尖部位是最主要的布置部位。

通常將第一個放電器放在最外部，第二個放在第一個向內(nèi)約0.5 m處。其余的可放在距離0.5 m到1 m處。放電器的位置可依安裝方便作少量調(diào)整，但應(yīng)避免靜電放電器相距小于30 cm以防相互屏蔽而起不到應(yīng)有的作用。還應(yīng)在機(jī)翼和尾翼翼尖安裝1到2個尖端型放電器，用以提供冗余防護(hù)。

某型號飛機(jī)靜電放電器數(shù)量計(jì)算及其布置設(shè)計(jì)

某型號飛機(jī)為新一代民用支線客機(jī)，其載客量分別為110人。

根據(jù)該型號主要外部結(jié)構(gòu)尺寸，再結(jié)合亞音速飛機(jī)沉積粒子參數(shù)，可依據(jù)3.1節(jié)中的計(jì)算流程得出該型號飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的沉積靜電充電電流，如表1。

表1 某型號飛機(jī)各個飛行狀態(tài)沉積粒子參數(shù)及沉積靜電充電電流

所以，依據(jù)公式N=Imax/imin，我們可以算出

N=1655.34μA/50μA=33.1。即需安裝34個靜電放電器。但考慮到冗余設(shè)計(jì)，靜電放電器安裝推薦數(shù)目為34+2=36個，最小數(shù)目為34-34×20％=28個（即將設(shè)計(jì)中所有冗余考慮全部去除）。

根據(jù)3.2中的布置設(shè)計(jì)原則，從外端起第1 至第2個放電器間間距取0.3 m，從第2個起均相距0.6 m。由此得到該型號飛機(jī)的靜電放電器布置如下：左右翼稍小翼各布置4個后緣型放電器；左右翼尖后緣各布置后緣放電器6個；左右升降舵尖端后緣各布置后緣型放電器3個、尖端型放電器1個；方向舵和垂直安定面后緣布置后緣型放電器4個、尖端型放電器1個；尾椎布置后緣型放電器3個?？傆?jì)布置后緣型放電器30個，尖端型放電器6個，共36個。

靜電放電器的安裝

靜電放電器可通過鉚接、螺接或粘接方式固定在機(jī)體表面。對于全復(fù)材靜電放電器通常使用導(dǎo)電膠膠結(jié)的方式安裝在飛機(jī)表面。金屬底座靜電放電器的金屬底座可通過螺接或鉚接安裝至飛機(jī)表面，通過緊固件搭接與貼合面搭接取得較低的搭接電阻。但是金屬底座材料應(yīng)與飛機(jī)蒙皮兼容，注意防止發(fā)生電化學(xué)腐蝕。底座安裝后應(yīng)進(jìn)行添角密封，避免水蒸氣進(jìn)入貼合處造成腐蝕。全復(fù)合材料放電器更適合通過膠接方式安裝于復(fù)合材料蒙皮表面，膠結(jié)安裝時可使用導(dǎo)電膠或非導(dǎo)電膠，但使用非導(dǎo)電膠必須保證放電器與機(jī)體緊密壓緊接觸，否則存在不導(dǎo)電的風(fēng)險。

后緣型放電器的安裝應(yīng)盡可能和正常的氣流方向保持一致，尖端型放電器可接受最大不超過22.5°的傾角。底座距機(jī)翼后緣應(yīng)在13 mm以內(nèi)，但必須保證在任何擾動的情況下，靜電放電器的任何部位不會觸碰機(jī)體。

使用導(dǎo)電膠膠結(jié)安裝的形式，應(yīng)確保導(dǎo)電膠不含金屬與碳材料，與金屬和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)兼容，不會腐蝕底座和機(jī)體。完整安裝后，系統(tǒng)的阻值應(yīng)該在6至150 MΩ之間。不同部件的典型測量值應(yīng)分別為：導(dǎo)電膠電阻大約1 MΩ，底座電阻大約1 MΩ，尖端部分電阻15至40 MΩ。

4 結(jié)束語

從工程經(jīng)驗(yàn)看來，合理選擇靜電放電器的類型、數(shù)量以及安裝的位置和形式，能夠有效降低沉積靜電對通訊導(dǎo)航等設(shè)備的干擾，減小對飛機(jī)安全飛行的影響。但需要注意選擇合適的靜電放電器產(chǎn)品以及安裝方式。安裝形式以及安裝工藝的選擇對于靜電放電器的性能有著直接且重要的影響。對于膠結(jié)安裝形式，導(dǎo)電膠的性能對于整體防護(hù)性能有很大的影響。最后靜電放電器的防護(hù)效果必須通過相應(yīng)試驗(yàn)給予驗(yàn)證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.069