王加成 林 森 彭 森

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

對于人類的飛行活動來說，雷電是危及到飛行安全的。作為大氣層中的自然現(xiàn)象，雷電可分布在海平面以上約100 km的空間內(nèi)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，民用商業(yè)飛機(jī)在運營過程中經(jīng)常在機(jī)頭、翼尖、尾翼以及短艙部位遭受雷擊。由于雷擊造成的機(jī)身損傷會嚴(yán)重影響民用航空的飛行安全。

傳統(tǒng)的民航客機(jī)廣泛采用鉚接結(jié)構(gòu)的鋁合金蒙皮，由于鋁合金具有良好的導(dǎo)電性，其制造的機(jī)體結(jié)構(gòu)很少在遭受雷擊時產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損傷。同時，鋁合金蒙皮可以為內(nèi)部的電子系統(tǒng)提供優(yōu)良的電子屏蔽。而隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前主流的短艙結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)扇罩，反推外罩都越來越多地采用加入碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料[1-2]。由于復(fù)合材料的導(dǎo)電性較差，通常在復(fù)材表面使用鋪設(shè)的金屬絲網(wǎng)、延展金屬箔、加入金屬纖維絲等方式增強(qiáng)復(fù)材蒙皮的雷電防護(hù)性能[3]。

民用客機(jī)蒙皮表面廣泛使用非導(dǎo)電漆層進(jìn)行涂裝，會在一定程度上降低復(fù)合材料蒙皮的雷電防護(hù)性能。由于難以定量通過分析計算的方式對復(fù)合材料蒙皮在受雷電打擊時的損傷情況進(jìn)行評估，因此需要建立一套復(fù)合材料的雷電防護(hù)試驗方法，通過試驗方法驗證其真實的雷電防護(hù)能力，同時考慮漆層厚度的影響。周家東[4]等對復(fù)合材料延性雷電防護(hù)金屬網(wǎng)進(jìn)行了仿真與試驗研究；李雪[5]等人通過試驗對漆層厚度在233 μm以內(nèi)的雷電損傷情況進(jìn)行了研究；付尚琛[6]等測試了不同電導(dǎo)率涂層的復(fù)合材料雷電防護(hù)效果。為研究不同漆層厚度對復(fù)合材料損傷的影響，本文采用1 A雷電分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)雷電電流，對116 μm～255 μm漆層厚度范圍內(nèi)的不同厚度復(fù)合材料蒙皮進(jìn)行研究和分析。

1 雷電直接效應(yīng)試驗驗證方法

1.1 適航要求

依據(jù)中國民用航空規(guī)章CCAR-25-R4，第25.581條款要求[7]：

a)飛機(jī)必須具有防止閃電引起的災(zāi)難性后果的保護(hù)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：

1)該組件合適地搭接到飛機(jī)機(jī)體上；

2)該組件設(shè)計成不致因閃擊而危及飛機(jī)。

c)對于非金屬組件，下列措施之一可表明符合本條(a)的要求：

1)該組件的設(shè)計使閃擊的后果減至最??；

2)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(jī)。

為滿足25.581條款要求，需對短艙復(fù)合材料結(jié)構(gòu)選取典型試驗件進(jìn)行MOC4試驗室試驗。并根據(jù)基于損傷結(jié)果進(jìn)行的剩余強(qiáng)度計算，證明短艙復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雷電防護(hù)能力和遭受雷擊后安全返航的能力。

1.2 試驗驗證方法

1.2.1 試驗方法

依據(jù)SAE ARP 5416[8]，直接效應(yīng)試驗包括：

1)高電壓放電附著試驗，用于確定受試對象出現(xiàn)的雷電附著位置；

2)大電流物理破壞試驗，用于確定雷電通道附著于或接近于受試對象時可能對受試對象產(chǎn)生的損壞。

民用飛機(jī)短艙典型的雷電附著區(qū)域通過SAE ARP 5414[9]確定，通常僅需要進(jìn)行一個大電流的電弧引入試驗來驗證結(jié)構(gòu)在熱效應(yīng)和聲效應(yīng)中的正常工作能力。

圖1 電流引入波形

參考SAE ARP5414，根據(jù)雷電附著時間和電流傳導(dǎo)方式對飛機(jī)表面區(qū)域進(jìn)行分類，可分為1A、1B、1C、2A、2B區(qū)域。對于典型的翼吊飛機(jī)，短艙前部表面屬于1A區(qū)域，中部表面屬于1C區(qū)域，反推的后部表面屬于2A區(qū)域，后核心罩及尾錐后緣末端屬于1B區(qū)域；對于典型的尾吊飛機(jī)，短艙表面大部分均屬于2A區(qū)域，僅后緣及尾錐屬于2B區(qū)域。參考SAE ARP5412[10]，僅對于間接效應(yīng)試驗需要使用H波形，因此各區(qū)域?qū)?yīng)的試驗電流波形如表1所示，各類電流波形的具體參數(shù)在SAE ARP5412中有詳細(xì)的說明。

表1 各分區(qū)對應(yīng)的電流試驗波形[10]

1.2.2 試驗裝置與設(shè)備

試驗應(yīng)參照并遵循SAE ARP5416 規(guī)定的雷電直接效應(yīng)試驗方法進(jìn)行，電流波形采用1.2.1節(jié)中闡述的電流分量A(Ah)、B、C(C*)和D，電流分量以特定的組合方式連續(xù)依次注入試驗件，試驗原理如圖2、圖3所示。

圖2 試驗裝置架構(gòu)

圖3 試驗件布置

電流發(fā)生器與電極相連，波形測量儀一端與試驗件搭接，另一端與電流發(fā)生器形成回路。電極與試驗件間距不小于50 mm，試驗件下方布置有穿透電流檢測裝置，檢測裝置與試驗件間距應(yīng)不大于短艙內(nèi)部設(shè)備與短艙蒙皮最小間距。試驗件采用接地連接，電極處的金屬引導(dǎo)線直徑不超過0.1 mm。

2 漆層厚度對試驗結(jié)果的影響研究

2.1 漆層厚度影響機(jī)理分析

短艙復(fù)合材料蒙皮表面通常使用防腐蝕環(huán)氧底漆、底色漆結(jié)合清漆作為表面涂層，用于表面防護(hù)及飛機(jī)涂裝作用。因此，在短艙遭受雷電直接效應(yīng)打擊時，雷電通道通過電弧引入點與短艙導(dǎo)電結(jié)構(gòu)形成的電流通路，將穿透短艙結(jié)構(gòu)表面漆層。

當(dāng)電流因雷擊進(jìn)入短艙結(jié)構(gòu)蒙皮時，通?？梢苑纸獬啥鄺l電流弧根，同時在蒙皮表面形成多個附著注入點。如此，每個單獨的電流弧根產(chǎn)生的能量將降低為總能量的1/n2，如式1所示。其中,n為電流分散的數(shù)量，I為總電流。因此，在存在若干條分散電流的情況下，總的耗散能量與單點電流注入相比就會顯著減少。這表明弧根分散現(xiàn)象可有效降低短艙蒙皮的損傷程度[3]。

(1)

短艙復(fù)合材料表面通常鋪設(shè)有一層銅網(wǎng)鋪層，其上覆蓋的油漆涂層通常具有絕緣特性，將減少雷電引入點處的弧根分散效應(yīng)，趨向于使雷電通道保持附著在蒙皮表面的一點上，因此漆層往往使電弧的附著集中于一小塊區(qū)域，從而增加了該區(qū)域的熱效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷程度加深。最嚴(yán)重時將造成復(fù)合材料蒙皮的擊穿，損傷蒙皮內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備，從而危害飛行安全。

我又請學(xué)生看文章的第9自然段：“整整十三年零五個月過去了……滿園的創(chuàng)傷使我的心仿佛又給放在油鍋里熬煎。”然后問學(xué)生這一段中“滿園的創(chuàng)傷”表現(xiàn)在哪里，從而引導(dǎo)學(xué)生體會原來是非常美好的一個院子，現(xiàn)在變成了“無縫的墻”，這里的墻不僅指的是實體的墻，還指人與人之間關(guān)系的隔膜。“文革”不只是對經(jīng)濟(jì)的破壞，也是對人精神的戕害，這種災(zāi)難不僅是經(jīng)濟(jì)的衰敗，是社會的衰敗，更是人心的衰敗。所以，這“滿園的創(chuàng)傷”不僅是說這個小環(huán)境的改變，更是為了表明大環(huán)境的改變，這也正是巴金寫這篇文章及《隨想錄》的真正背景。

此外，雷電能量的傳遞速度V與漆層介電常數(shù)ε的關(guān)系如式(2)所示[11]，其中c代表光速。

(2)

在特定的表面漆層厚度范圍內(nèi)，通常漆層越厚，產(chǎn)生的介電常數(shù)會越大，從而降低雷電能量的傳遞速度，導(dǎo)致雷電引入點處產(chǎn)生的熱量更加集中，致使相應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雷電打擊損傷更加嚴(yán)重，從而降低雷電直接效應(yīng)防護(hù)的能力。

2.2 試驗研究

本次試驗研究選用現(xiàn)代民用客機(jī)短艙普遍使用的碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料平板試驗件，由(0，90)°與±45°的預(yù)浸料交替鋪設(shè)共同固化制成，該試驗件鋪層設(shè)計與實際短艙蒙皮結(jié)構(gòu)基本鋪層設(shè)計一致。采用兩組鋪層數(shù)分別為6層和7層的試驗件，均在其表面鋪設(shè)有金屬銅網(wǎng)，同時噴涂不同的漆層厚度，厚度分別為116 μm、145 μm、235 μm和256 μm。為減少邊際效應(yīng)，試驗采用的試驗件尺寸均為500 mm×500 mm，采用1A雷電分區(qū)的電流分量A、B、C*依次注入試驗件。不同漆層厚度的復(fù)合材料試驗件在雷電電流注入后的試驗結(jié)果如圖4～圖11所示。

圖4 6層、116 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖5 7層、116 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖6 6層、145 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖7 7層、145 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖8 6層、235 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖9 7層、235 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖10 6層、256 μm漆層厚度試驗損傷情況

圖11 7層、256 μm漆層厚度試驗損傷情況

試驗結(jié)果表明，漆層厚度達(dá)到235 μm時，6層鋪層試驗件出現(xiàn)了試驗件擊穿情況；在漆層厚度達(dá)到256 μm時，7層鋪層試驗件同樣出現(xiàn)了試驗件擊穿情況。

試驗后，采用無損檢測C掃的方式，對復(fù)合材料的損傷面積大小進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 6層試驗件不同漆層厚度損傷情況

圖13 7層試驗件不同漆層厚度損傷情況

3 試驗結(jié)果分析

通過對比各組不同厚度漆層試驗件的試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

1)各組試驗件的漆層在雷電電弧引入點附近均被擊穿并產(chǎn)生焦黑痕跡，復(fù)合材料板均帶有不同程度的損傷；

2)116 μm與145 μm厚度的試驗件損傷面積大小無明顯差別，甚至于145 μm厚度的損傷大小略小于116 μm厚度。這表明在較小的漆層厚度范圍內(nèi)，雷電引起的復(fù)合材料蒙皮損傷無明顯差異，這主要是由于漆層較薄，電流通道容易擊穿并在引入點處產(chǎn)生弧根分散，不會造成大能量的聚集，該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[12]中結(jié)果一致；

3)6層鋪層試驗件在漆層厚度達(dá)到235 μm時出現(xiàn)了試驗件被擊穿情況；7層鋪層試驗件在漆層厚度達(dá)到256 μm時，出現(xiàn)了試驗件擊穿情況。該結(jié)果證明了復(fù)合材料蒙皮越厚，雷電防護(hù)能力越強(qiáng)；

4)試驗結(jié)果顯示，漆層厚度達(dá)到235 μm以上時，損傷面積大小存在較明顯的增加現(xiàn)象。說明漆層厚度達(dá)到一定厚度后，嚴(yán)重影響了雷電引入點處的弧根分散，造成了雷電能量的大量聚集，該現(xiàn)象與本文中機(jī)理分析中的表述一致。

4 結(jié)論

本文闡述了民用飛機(jī)短艙復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雷電直接效應(yīng)試驗方法，同時通過對漆層厚度影響的理論研究以及試驗研究，得出以下結(jié)論：

1)對于雷電最嚴(yán)酷區(qū)域1A雷電分區(qū)，在較薄的漆層厚度影響下，漆層對短艙復(fù)合材料的雷電直接效應(yīng)防護(hù)能力無明顯的影響；

2)當(dāng)漆層厚度達(dá)到一定厚度時，較厚的漆層將顯著降低短艙復(fù)合材料的雷電直接效應(yīng)防護(hù)能力，最嚴(yán)重的情況將擊穿復(fù)合材料蒙皮，危害短艙內(nèi)系統(tǒng)的安全運行；

3)本文研究的是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)蒙皮，導(dǎo)電能力以及強(qiáng)度與復(fù)合材料本身的物理特性有關(guān)，不同的復(fù)合材料均需要進(jìn)行試驗測試，以獲取設(shè)計參數(shù)。在復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)出現(xiàn)雷擊損傷后，應(yīng)進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析和導(dǎo)電性能測試，當(dāng)不滿足強(qiáng)度以及導(dǎo)電性要求時，應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)，避免損傷擴(kuò)展甚至危及飛行安全的情況出現(xiàn)。

在今后的研究中，可以考慮針對不同材料的涂層對復(fù)合材料蒙皮的雷電防護(hù)能力的影響進(jìn)行試驗研究。