引 言
　　飛機的防雷擊設(shè)計包括全機防雷擊系統(tǒng)和部件級防雷擊系統(tǒng)兩部分。而防雷擊設(shè)計的首要環(huán)節(jié)是進行雷電區(qū)域的正確劃分，從而根據(jù)不同的雷電區(qū)域采取不同的防護措施。本文主要提供一種全碳纖維復(fù)合材料飛機的全機防雷擊系統(tǒng)設(shè)計，部件級防雷擊系統(tǒng)的設(shè)計本文不做分析。
　　1 飛機雷擊環(huán)境定義
　　1.1飛機的雷擊環(huán)境
　　直接雷擊——指開始接觸到飛機表面的雷擊。
　　掃掠雷擊——指一旦飛機接觸到直接雷擊后，雷擊持續(xù)放電的接觸點不斷出現(xiàn)順氣流方向沿飛機表面跳躍移動。
　　1.2飛機的雷電效應(yīng)
　　雷電直接效應(yīng)是由雷電電弧的附著及伴隨著雷電流的高壓沖擊波和磁力所造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸形。
　　雷電間接效應(yīng)是指在電子、電氣設(shè)備和布線中雷電引起的過電壓和過電流造成的設(shè)備損壞或干擾。
　　3 飛機雷電區(qū)域劃分
　　3.1區(qū)域劃分
　　按照不同的雷電附著特性或傳遞特性可把飛機表面劃分成三個區(qū)域：
　　區(qū)域1：初始電擊附著其上面（進口或出口）可能性很大的飛機表面。亦稱初始附著區(qū)域。
　　區(qū)域2：電擊放電被氣流從區(qū)域1的初始附著點吹過來在其上面掃掠的可能性很大的飛機表面，亦稱掃掠沖擊區(qū)域。
　　區(qū)域3：除了區(qū)域1和區(qū)域2以外的所有飛機表面為區(qū)域3。在區(qū)域3，放電電弧直接附著的可能性很小，但它可能在某對初始雷電附著點或掃掠沖擊附著之間傳導(dǎo)很大的雷電流。
　　按照放電長時間懸停在飛機表面的可能性大小，區(qū)域1又進一步分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，區(qū)域2劃分為A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)是電弧在它上面長時間懸?？赡苄暂^小的區(qū)域。B區(qū)是電弧在它上面長時間懸?？赡苄暂^大的區(qū)域。
　　3.2區(qū)域的確定
　　飛機雷擊區(qū)域的劃分按照SAE ARP5414A-2005進行，采用推薦的或標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典規(guī)則確定。
　　3.2.1區(qū)域1的確定
　　首先，要確定可能的初始雷電附著點區(qū)域。一般傳統(tǒng)布局的飛機，根據(jù)飛機的雷擊經(jīng)驗，典型的雷電先導(dǎo)初始附著點位置為一些末端，如機頭、機翼/尾翼翼尖、推進器和螺旋槳槳葉的末端、發(fā)動機艙以及其他明顯的突出物。
　　其次，確定區(qū)域1A、1B、1C的位置，根據(jù)SAE ARP5414A-2005，在正常情況下，飛機將會往前飛行，當(dāng)沖擊和閃電從前端的附著點開始從頭到尾的掃過，開始形成第一個回流沖擊。這一時間飛機飛行距離決定了區(qū)域1A表面相對于初始附著點的延展部分，這個距離由飛行速度、飛機離地面的海拔高度（對于從云端到地面的沖擊）以及先導(dǎo)速度決定。區(qū)域1A延展部分的起點應(yīng)該是飛機初始附著區(qū)域的端點。
　　3.2.2區(qū)域2的確定
　　區(qū)域2：
　　1）從區(qū)域1的直接雷擊接觸點向后有掃掠雷擊可能性的表面為區(qū)域2，在區(qū)域1的前、后邊界側(cè)向內(nèi)大約0.5m范圍內(nèi)的表面；
　　2）區(qū)域1C之后機身表面為區(qū)域2A；
　　3）垂尾、平尾區(qū)域1以外的為區(qū)域2A；方向舵、升降舵為區(qū)域2B。
　　3.2.3區(qū)域1、2的橫向擴張位置的確定
　　對于機翼和尾翼處，確定區(qū)域1的辦法是確定突出的弧形部分的水平切線，然后沿著切線往里延伸大約0.5m，區(qū)域1往里延伸大約0.5m的表面區(qū)域應(yīng)該放在區(qū)域2中考慮。
　　3.2.4區(qū)域3的確定
　　不屬于區(qū)域1和2的表面，并且不可能有閃電附著的地方劃分為區(qū)域3。
　　3.3飛機雷擊區(qū)域劃分示意圖
　　飛機的雷擊區(qū)域的位置都是由飛機的幾何特性和飛機的飛行特性來確定的。飛機雷擊區(qū)域的最終確定將由飛機雷擊附著點試驗得到。圖1為某型號單發(fā)渦槳輕型公務(wù)機雷擊區(qū)域的初步理論劃分示意圖。
　　4雷電防護設(shè)計
　　飛機結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該是在飛機遭遇雷擊時能為雷電流提供低阻抗的通路。對于容易受到雷擊放電損壞的飛機結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和部件如飛機的機頭、翼尖、螺旋槳、發(fā)動機、燃油箱、活動翼面、風(fēng)擋、天線等部件，必須根據(jù)其自身重要性以及所在區(qū)域的要求采取必要的雷電防護措施，以盡可能避免或減小雷電對飛機及設(shè)備自身的損害。
　　4.1 全碳纖維復(fù)合材料機體的雷擊防護
　　資料顯示，對復(fù)合材料機體進行模擬雷擊試驗，在沒有雷擊防護層的情況下，在經(jīng)受60～100kA峰值電流和1.9C電荷量放電后就產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，說明應(yīng)用復(fù)合材料的飛機必須進行雷擊防護。
　　據(jù)了解，目前國內(nèi)外多數(shù)復(fù)合材料的飛機均使用金屬絲網(wǎng)作為雷擊防護層，可用標(biāo)準(zhǔn)紡織工藝將金屬絲織成布或針織品。全碳纖維復(fù)合材料飛機使用銅網(wǎng)作為雷擊防護層。根據(jù)模擬雷擊試驗結(jié)果，具體防雷擊方案為：
　　1）對于飛機雷擊區(qū)域1，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.14mm；
　　2）對于飛機雷擊區(qū)域2，可用銅絲網(wǎng)做復(fù)合材料的表面防護層。銅絲網(wǎng)的網(wǎng)眼數(shù)不小于20×40孔/in2，銅絲直徑至少為0.1mm。
　　4.1.1位于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料機體的雷擊防護
　　用于雷擊區(qū)域1的復(fù)合材料雷擊防護層必須能經(jīng)受200kA的高電流沖擊和500C電荷量的傳輸。處于雷擊區(qū)域1的全碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防雷擊設(shè)計可在復(fù)合材料制件的外表面上鋪一層銅絲網(wǎng)，一次固化成制件，或?qū)~絲網(wǎng)用膠粘劑粘到復(fù)合材料制件的外表面上。銅絲網(wǎng)規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.14mm。 　　4.1.2位于雷擊區(qū)域2的全碳纖維復(fù)合材料機體的雷擊防護
　　用于雷擊區(qū)域2的復(fù)合材料雷擊防護層必須能經(jīng)受100kA的高電流沖擊和傳輸200C的電荷量。處于掃掠雷擊的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊防護設(shè)計可采用在復(fù)合材料制件表面上粘一層銅絲網(wǎng)。銅絲網(wǎng)的規(guī)格為：網(wǎng)孔數(shù)不小于20×40孔/ in2，銅絲直徑至少為0.1mm，若有天線安裝的部位，為防止趨膚效應(yīng)，銅絲直徑至少為0.14mm。
　　4.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱的雷擊防護
　　對于復(fù)合材料整體油箱，雷電防護設(shè)計是復(fù)合材料整體油箱設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一。雷擊過程中的高電壓、大電流、大電量（持續(xù)高電流）對復(fù)合材料整體油箱危害極大。因此，在復(fù)合材料整體油箱設(shè)計之初，就應(yīng)選擇雷電防護系統(tǒng)。
　　4.2.1全碳纖維復(fù)合材料整體油箱防雷擊設(shè)計的主要原則
　　1）復(fù)合材料整體油箱應(yīng)布置在飛機遭受雷擊概率較小的區(qū)域，如雷擊區(qū)域2或3，盡量布置在3區(qū)。對機翼整體油箱來說，應(yīng)布置在機翼的根部或中部；
　　2）在復(fù)合材料整體油箱的外表面應(yīng)該為雷擊電流構(gòu)建通道，這些通道應(yīng)與飛機的雷擊電流傳輸通路有良好的電連接；
　　3）在油箱區(qū)，凡存在燃油、燃油蒸汽和空氣混合氣體的空間，不得因雷擊產(chǎn)生放電火花。
　　4.2.2全碳纖維復(fù)合材料整體油箱外部的雷電防護設(shè)計
　　由于復(fù)合材料整體油箱的上、下壁板是飛機機體結(jié)構(gòu)表面的一部分，因此其雷電防護的設(shè)計思路及外表面雷電防護方法與復(fù)合材料機體的雷電防護相同。
　　4.2.3全碳纖維復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部的雷電防護設(shè)計
　　1）金屬緊固件尾部及連接細(xì)節(jié)雷電防護設(shè)計：當(dāng)結(jié)構(gòu)材料允許雷擊電流通過結(jié)構(gòu)骨架傳導(dǎo)時，容易在緊固件尾部或緊固件與骨架連接處產(chǎn)生放電火花，為此需用密封膠覆蓋、用專用防護帽的方法或其他可靠的方法保證不產(chǎn)生放電火花；
　　2）復(fù)合材料緊固件：在滿足強度要求并能提供充足的緊固件品種規(guī)格和工藝保證的前提下使用。可避免將雷擊電流導(dǎo)入油箱內(nèi)部，從而避免火花的出現(xiàn)；
　　3）油箱內(nèi)的金屬構(gòu)件：復(fù)合材料整體油箱內(nèi)部應(yīng)盡量避免有金屬構(gòu)件。對于不可避免的金屬構(gòu)件應(yīng)通過搭接線與飛機金屬結(jié)構(gòu)保證良好搭接，并要防止內(nèi)部導(dǎo)體電暈和流光。
　　4）油箱內(nèi)部的部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)做到：當(dāng)雷擊電流通過油箱時，不會在油箱內(nèi)部產(chǎn)生任何可能點燃燃油蒸汽的火花。
　　4.3設(shè)備的雷電防護
　　對于設(shè)備，根據(jù)設(shè)備所執(zhí)行的功能，要求設(shè)備廠商必須參照符合設(shè)備預(yù)期用途以及在飛機上安裝要求的試驗電平和波形對設(shè)備進行試驗，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進行。
　　對于安裝在飛機外部的設(shè)備，還需要設(shè)備廠商進行雷電直接效應(yīng)試驗，用于確定外部安裝設(shè)備耐受雷擊直接效應(yīng)的能力，施加于外部安裝設(shè)備的試驗類型和嚴(yán)酷等級取決于設(shè)備指定的類別。指定的設(shè)備試驗類別應(yīng)與設(shè)備安裝位置所在的雷電放電區(qū)域相符合，具體要求根據(jù)RTCA /DO 160F 第23章進行。
　　4.4雷電間接效應(yīng)防護
　　飛機內(nèi)電子電氣系統(tǒng)和部件（全機用電設(shè)備，包括發(fā)動機電氣、操縱系統(tǒng)等），可能會因為雷擊引起過電壓和過電流造成損壞或干擾的，要進行雷電間接效應(yīng)防護。由于全碳纖維復(fù)合材料飛機的屏蔽能力比金屬飛機差，所以雷電間接效應(yīng)的防護更加重要。
　　雷電間接效應(yīng)通常以兩種形式出現(xiàn)：
　　1）雷電通過天線、空速管加溫線、航行燈導(dǎo)線、金屬操縱線系及各種金屬管路等，將雷電電流直接引入飛機，可能出現(xiàn)浪涌電壓；
　　2）沿著機體流動的雷電電流在飛機線路中、金屬操縱線系、各種金屬管路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和電流。
　　4.4.1明確設(shè)備防護的要求
　　關(guān)于電子電氣設(shè)備的雷電間接效應(yīng)防護要求：
　　1）不得造成物理損壞；
　　2）不得產(chǎn)生立即危及飛機及其機組人員安全的干擾，或產(chǎn)生嚴(yán)重妨礙飛機任務(wù)完成的干擾。
　　系統(tǒng)和部件的雷電關(guān)鍵類別取決于其自身對飛機的重要性、所在的雷電分區(qū)以及雷電的敏感性。根據(jù)飛機的機體結(jié)構(gòu)、蒙皮材料、電磁“窗口”大?。ㄈ缤獠糠墙饘賲^(qū)）設(shè)備的安裝部位、導(dǎo)線的布置、設(shè)備接口進行分析，確定瞬態(tài)控制等級（TCL）和設(shè)備瞬態(tài)設(shè)計等級（ETDL）。關(guān)鍵設(shè)備、分系統(tǒng)根據(jù)RTCA /DO 160F 第22章進行試驗。RTCA /DO 160F 第22章試驗波形等同SAE ARP5412A-2005的相關(guān)試驗波形。
　　4.4.2選擇設(shè)備的最佳安裝位置
　　設(shè)計過程中，盡量將電子設(shè)備布置在雷電產(chǎn)生的電磁場最弱的區(qū)域，采取的主要措施有：
　　1）電子設(shè)備盡量遠離門、窗、口蓋等開口處。對于安裝在駕駛艙、起落架艙、機翼前后緣、尾段等相對敞開區(qū)域的設(shè)備，采用金屬機箱屏蔽，對于含有數(shù)字電路和模擬電路的設(shè)備如靠近擋風(fēng)板或窗口的，最好用壁厚大于1mm的鋁合金做成電磁屏蔽盒；
　　2）盡可能將電子設(shè)備布置為朝向飛機結(jié)構(gòu)的中心，而不布置在飛機外蒙皮；
　　3）設(shè)備安裝的設(shè)備架上能為電子設(shè)備提供接地面且與飛機接地網(wǎng)有良好的搭接；
　　4）金屬線系和管路應(yīng)有良好的搭接。
　　4.4.3選擇線路的最佳位置
　　電線、電纜應(yīng)進行分類布設(shè)。
　　電纜敷設(shè)遠離門、窗、口蓋等開口處和曲率較小的結(jié)構(gòu)或蒙皮。
　　線束盡可能靠近接地平面或結(jié)構(gòu)件敷設(shè)，可利用成形的結(jié)構(gòu)件作電纜槽，提供屏蔽。
　　盡可能使導(dǎo)體位于磁場強度較弱的結(jié)構(gòu)角落，如避開突出的結(jié)構(gòu)件頂部，盡可能敷設(shè)在“U”型件的內(nèi)部。
　　當(dāng)有機外未屏蔽或屏蔽效能不高區(qū)域的電線和電纜進入機身內(nèi)部時，將機外所有電纜進行屏蔽保護，屏蔽層接地線應(yīng)盡量短，并良好搭接，以避免遭受雷擊或外部強電磁輻射時電線和電纜上的感應(yīng)電壓和電流損壞電線和電纜以及與電線和電纜連接的機內(nèi)設(shè)備。
　　不要使燃油傳感器導(dǎo)線的走向與通氣管、導(dǎo)油管導(dǎo)向走向一致或平行。導(dǎo)線可以貼著蒙皮走，但應(yīng)避免與雷擊電流流向一致。
　　在非金屬機翼蒙皮下的電纜，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)線的布設(shè)方向，用鋁箔材料或良導(dǎo)體金屬導(dǎo)線管，保護電纜導(dǎo)線。鋁箔材料或金屬導(dǎo)線管應(yīng)和全機的接地網(wǎng)搭接，形成良好的電氣通路。
　　雷電流通過低導(dǎo)電率材料的蒙皮（如鈦、碳纖維）區(qū)域會產(chǎn)生電磁干擾，應(yīng)遠離這些區(qū)域布設(shè)電纜。由于空間有限，可采用電氣隔離的方法：
　　1）可采用扭絞線作為電源線；
　　2）采用屏蔽電纜或屏蔽扭絞線，并將它們的兩端均搭接到全機的接地網(wǎng)上；
　　3）用瞬態(tài)抑制器，以保護電網(wǎng)的安全；
　　4）電氣設(shè)備和線束的安裝應(yīng)滿足要求。
　　4.4.4選擇良好的接地
　　設(shè)備應(yīng)根據(jù)要求選擇良好的搭接，并進行搭接電阻的檢查。
　　對全碳纖維復(fù)合材料飛機，全機設(shè)備進行良好的搭接顯得尤為重要，為方便設(shè)備的搭接，全機應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的搭接網(wǎng)絡(luò)。
　　5結(jié)論
　　雷電對飛機的飛行安全影響較大，全碳纖維材料飛機的雷擊防護在飛機的研制過程中是非常重要的，對機體結(jié)構(gòu)采用敷設(shè)銅網(wǎng)作為雷擊防護層是可行的。