飞机复合材料结构设计和分析
张曾霞
摘 要：复合材料结构性能是各向异性的，相较金属材料，其有效电导率要小得多，且电磁性能和对电磁危害的敏感度方面差异也很大。复合材料封闭体的屏蔽效能通常与封闭体形状和内部复杂程度等相关。因此，对金属结构的飞机雷电防护设计原则重新进行考核，以建立复合材料结构飞机的设计方法。
关键词：雷电防护；电磁防护；模拟试验
引言
现代飞机大量采用复合材料制造飞机蒙皮类机体结构。復合材料相较金属材料导电性能差且各向异性，其制成大型飞机蒙皮后，将大大降低蒙皮隔离外部电磁场的电磁屏蔽效能和传导电荷的能力。
雷电是飞机所遭遇的最严重的电磁危害。雷电不仅会干扰飞机电子设备的正常使用，还会击伤复合材料零件，引发严重的灾难事故。复合材料机翼整体油箱的雷电放电防护设计是飞机机体结构电磁屏蔽防护设计的重要部分。
1结构雷电防护设计
1.1 雷电防护设计要求
雷电损伤危及飞机安全，非金属结构件的设计应使雷击后果减至最小，因此要采取有效措施把复合材料与雷电电流隔离开，既防止雷电电流附着在复合材料构件上，又要阻止雷电电流在复合材料内传输，同时使复合材料结构件有低阻抗传导雷电电流的通路。
1.2 雷电防护措施
1.2.1 防雷击设计分析
机翼整体油箱位于中机身下部，受机腹整流罩和机身的保护其处于非直接雷击区。碳纤维复合材料具有弱的导电性，因此复合材料整体油箱具有相对较大的电阻值，但又具有一定的电连续性，当外翼的闪电电流传至中央翼盒与外翼的接合处时，仅有弱小的电流流经中央翼盒整体油箱，绝大部分电流直接传导至机身金属结构。为确保整体油箱的安全性和可靠性，可采取电流传导设计和隔离设计相结合的方式。
1.2.2 雷击防护方案
（一）考虑整体油箱处于扫掠雷击2A区，相关结构雷击防护的主要措施：
1）外翼必须与机身直接进行电搭接（通过金属零部件相连接）；
2）在复合材料件表面铺敷金属材料形成良好的电通路来传导雷击电流，并对特殊区域采取隔离。
（二）防雷击设计
1）要作到直接电搭接，外翼要通过前、后梁的金属对接接头与复合材料整体油箱盒段相连，这样外翼传来的雷击电流通过对接接头和翼盒金属根肋及机身连接框传至机身；
2）要在复合材料翼盒整体油箱表面形成电通路，可考虑在复材零件表面铺放金属箔条或金属网。按相关适航条例要求，整体油箱是高风险部位，必须保证外部电流不能击穿复合材料结构或电流流经结构内部导致树脂熔化、分层。若铺放金属箔条必须确保各箔条相互接触且铺放密度较大，这样会加大结构重量和制造工艺难度；若共固化铺放整体铜网，可最大限度的保证零件表面电流通路。在复合材料整体油箱表面铺放密度0.075 千克/米2（.015 lb/ft2）铜网。在铜网与碳纤维零件表面间铺覆一层玻璃布并至少延展出铜网边缘25毫米（1in）左右以防电化学腐蚀。湿安装紧固件并密封两端钉头。对零件进行界面、填角密封。通过上述设计对零件表面、紧固件、零件界面进行三个层级的防护，如图2。
复合材料飞机蒙皮结构若不进行有效的雷电防护处理，在直接遭受雷击时会产生严重的损伤（纤维分层断裂），使强度、刚度下降较大，不能保证整体油箱安全。复合材料结构的防护系统从原理上可分为两类：一类是提供雷电电流通道的导电层防护系统；另一类是使防护对象与雷电电流通道隔离的绝缘防护系统。导电防护系统可在复合材料表面加金属网、金属分流条、火焰喷涂铝等。绝缘防护系统是在复合材料表面覆盖薄膜或涂层形式的高介电强度材料。防护方式的选用，不但要考虑防护效果情况，还要综合考虑结构重量、经济成本及生产可行性，同时还要兼顾特殊部位的细节设计要求，如紧固件的绝缘、铺垫玻璃布、填角密封等。采用的雷电防护系统，要经试验验证复合材料整体油箱内部不产生电晕和流光。
2油箱内系统设备的电磁防护设计
由于各种原因，油箱内会沉积大量静电荷，这些电荷与电子设备耦合，产生沉积静电，会损坏某些元器件，对飞机效能产生直接影响。同时，复合材料制成的整体油箱壁板降低了隔离外部电磁场的电磁屏蔽效能，雷电等外部比较强烈的高能量磁场能够使得复合材料整体油箱内部的静电发生电磁感应，导致一些灵敏的系统部件失效，因此必须对油箱内部的系统设备进行静电及高频电磁防护。
整体油箱的雷电防护设计可以达到一定的雷电电流传导、屏蔽电磁干扰及对静电荷的减少和消散，为确保电子设备的安全、可靠及降低设备间的电磁影响，对油箱内的系统管路和电子设备也要作出相应防护。
合理的安排系统管路的行程和位置，保护方案为：
1）每个管路上至少安装2个电荷绝缘器，其间距不大于3660mm，以控制静电荷在管路上的聚集；
2）管路与结构之间的间距最小为6.4mm；
3）管路的间距安装严格按照适航要求；
4）支撑管路的夹子和卡箍采用具有一定传导性的非金属材料制成，安装在金属零件上使管路上的电荷以微弱电流形式传导到金属结构体上；
通过上述的隔离、搭接设计，可以有效的控制、传导系统设备上的静电荷，免受强磁场干扰。
3雷电防护验证
雷电放电防护及电磁屏蔽防护相互关联。方案设计不但要阻止静电荷的产生、集聚，同时还要采取措施安全、可控的传导、释放电荷。防护设计的合理性、有效性和可靠性必须经试验验证。
3.1 雷电模拟试验
为了验证复合材料整体油箱和细节设计结果，要按相应的适航要求对油箱进行燃油蒸气点火及电晕和流光的直接效应试验，并根据试验结果调整防护设计参数。
3.2 设计结果
通过检测，复合材料整体油箱按上述防护要求设计可得：
1）整体油箱电阻值近似为80mΩ；
2）相连金属零件之间电阻值小于2.5mΩ；
3）复合材料零件表面两点间（敷设铜网）电阻值小于10mΩ；
4）复合材料零件表面两点间（未敷设铜网）电阻值小于500mΩ；
5）金属零件与复合材料零件（敷设铜网）结合处电阻值小于（10+5）mΩ。
通过模拟试验，上述设计方案的复合材料整体油箱雷电放电及电磁屏蔽防护设计满足要求。
4结论
随着复合材料使用部位和应用面积的不断扩大，以及电气、电子设备的不断更新，复合材料电性能对飞机特性的影响也逐渐暴露出来。结构机体的电磁屏蔽设计就是通过采用一些技术措施来提高复合材料结构机体的电磁屏蔽效能，满足飞机的电磁屏蔽要求。
参考文献：
[1] 中国航空研究院. 复合材料结构设计手册. 北京：航空工业出版社，2004.9.
[2] 白晓秋，欧霞，杨霍燕. 复合材料整体油箱雷电防护试验研究. 航空科学技术，2016 Vol. 27 No.06 62-66.
[3] 涂冰，刘健.复合材料整体油箱防静电设计研究. 探索 创新 交流（第7集）—第七届中国航空学会青年科技论坛文集
