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飞机雷电防护的适航要求与试验

发布时间:2013-05-13 文章来源:本站  浏览次数:4824
    自人类诞生以来,对雷电就产生了许多美丽的遐想和神话传说,也许正是雷电,使人类懂得了火,从而给人类带来最初的文明和进步,但对于人类的的航空活动来说,雷电则是危险的。雷电是由大气层中不同湿度和温度的气流相对运动而形成的自然现象,一般分布在15千米左右以下的空间内,雷电电压可高达亿伏以上量级,当云层之间或云层对地之间的电场强度达到约1000千伏每米量级时,大气就会被电离,形成导电的等离子体气流,从而产生泄放和中和电荷的等离子体导电通道。通道上电流巨大,温度极高,使通道上的气流瞬间膨胀,便产生了明亮耀眼的闪电和震耳欲聋的雷鸣。
在地球大气中,平均每天约发生800万次雷电。其中幅值高达到200千安以上的雷电流占0.5%,电流的上升速率最高可达每秒1000千安培左右。有统计表明,一架固定航线的飞机,平均每年要遭到一次雷击,由此造成的飞行安全事故时有发生,有些是灾难性的。特别是现代先进飞机,为提高飞机飞行性能,大量采用了现代电子技术,如计算机飞控系统,通信导航系统,同时还大量采用了先进复合材料,如碳纤维复合材料等。但遗憾的是,这些先进的电子技术和材料技术,对雷电相当敏感,遭到雷击后损失更大。迄今为止,至少有2500架飞机被雷电击毁。因此,将大气雷电环境给飞行安全带来的影响减至最小,一直是人们努力追求的目标。
为了减少损失,在相关适航条例中,对飞机的雷电防护设计提出了严格的要求,以此来确保飞机在雷电环境中的安全性。因此,当设计一架新型飞机,或对已有飞机进行改进改型设计时,均需切实考虑飞机的雷电防护性能,并将其贯穿于飞机设计的始终。由于电场位形对导电物体的几何分布敏感,而飞机的外形或结构往往又是非常复杂的,根据电磁场理论,采用常规的算法很难得出精确解。因此,在飞机设计过程中,必须进行充分的的实验室雷电试验,依据有效地雷电试验数据指导设计,以满足飞机适航取证的要求。
飞机雷电防护的适航要求
我国飞机适航条例CCAR25部(等效FAR25部)中,就飞机雷电防护提出了严格的要求。其中,25.581条款对飞机的总体及其组件提出了雷电防护的要求,26.954条款对飞机的燃油系统提出了雷电防护的要求,25.1316条款对飞机的电气电子系统提出了雷电防护要求,并需对这些要求进行验证。
为满足适航要求,飞机需进行有效地雷电防护设计,为验证其设计的有效性,相关设计需通过严格的地面模拟雷电冲击试验。目前国际上通行的飞机雷电防护试验要求,主要是美、英等国的科学家在大量自然雷电特性统计基础上制定的相关雷电试验波形,通常为雷电压附着点试验和雷电流能量冲击试验,最早由美国SAE的AE4L报告给出并发布于七十年代中期。在其后的一系列军、民用飞行器(包括飞机、直升机、导弹和火箭)的雷电防护试验标准中,基本采用了这个报告所给出的波形。在地面雷电模拟试验中,在满足雷电试验特性的条件下,还考虑了雷电试验的经济性,因此将自然界的雷电过程分解为实验室的雷电压试验和雷电流试验。在雷电压试验中,分别有最高可达百万伏量级的高压A波、C波、B波和D波等波形,以满足不同的雷电压试验要求。在雷电流试验中,分别有雷电流A分量、B分量、C分量、D分量和E波、H波等不同参数的波形以满足不同的雷电流试验要求,其中A分量的电流峰值可达200千安培,作用时间小于等于500毫秒,作用积分为2百万安培平方秒。各分量主要用于能量冲击试验即雷电直接效应试验,电流变化率可达每微妙10万安培。
飞机雷电防护的适航审查
飞机雷电防护适航审查的符合性方法通常有分析计算方法、类比方法和地面模拟雷电试验方法。分析计算方法主要用于飞机某些能得出准确解的局部结构和部件的计算。类比方法主要是将外形、结构和用途都基本相同的飞机或结构与部件,与已通过适航审查的飞机或结构与部件进行对比,当确实相同时,也可以认为满足要求。地面模拟雷电试验方法,主要用于新机型的研制、设计和老机型的改进或改型设计。由于飞机外形的不规则性及机械结构与电气系统的多样性与复杂性,电场与磁场的精确解非常困难,因此,雷电试验的方法被认为是最有效的方法。这个过程,类似于飞机机械结构设计加工完成后,仍需由力学试验来验证其可靠性的过程。
飞机的雷电防护试验
在新飞机设计之初,就需同时进行严格有效的雷电防护设计。一旦飞机的气动外形确定后,便开始飞机雷电区域的划分,这通常由雷电附着点试验来完成,可采用雷电压A波、C波和D波等波形。飞机的不同部位、结构或部件包括电子电气系统等部件,在进行雷电防护设计时,首先需确定自己所处飞机上的雷电防护区域。不同的区域,对雷电防护设计的要求是不同的。目前国际上通行的做法是将飞机表面划分为三个区域或五个区。为便于开展此项试验,又时可采用不小于1:30的缩比模型进行试验,但模型飞机的电气机构特征应与原机一样。在确定了飞机的雷电区域划分后,飞机的各个局部即可根据自己在飞机上的不同位置,进行有针对性的雷电防护设计,当设计完成后,再根据不同区域雷电试验的要求选择雷电试验波形。
在Y7-200A飞机上,机头雷达罩为雷击1区,进行了雷电压A波和D波的雷电附着点试验以及雷电流A分量和B分量的能量冲击试验,取得了非常有价值的试验数据。区域1通常为机头、翼尖、旋翼、垂尾、座舱、外挂物等突出的部件,这些部位还常安装有电子电气部件,如空速管、航行灯、天线等,在雷击发生时所承受的雷击能量相对较大,因此设计要求较高。区域2为雷电等离子体弧的扫掠区,所承受的雷击能量相对于1区弱些。区域3为传导区,一般不会直接遭到雷击,通常只考虑雷击电流的传导,雷电防护要求相对较低。当所采用的碳纤维复合材料位于区域1时,由于雷击能量大,需进行抗击雷电高能量的设计,如表面喷涂铝等措施。而当其位于区域3时,表面可不喷涂或少量喷涂铝。但当复合材料用于电子仪器舱口盖时,由于要求口盖有高的电磁屏蔽能力,则复合材料需进行高导电能力的处理。
雷电试验完成后,需判断其是否复合飞机的安全要求,通常可用现场观察的方法以及探伤和力学试验的方法来判断。达不到要求时应重新设计,并再次试验。这个过程一般也称为工程试验。
雷电防护鉴定试验
在飞机或其结构与部件完成了雷电防护设计和工程验证试验后,为取得适航认证,还需进行雷电防护鉴定试验。此时,试验件应是实际的并获得适航认可的装机件或其中的一部分,在确定试验件所处雷电区域、试验点的数量和分布以及适用的试验波形和每点的试验次数后,还要准备好调试雷电波形成的试验件。因试验装置很难保证一开始的试验波形就是符合要求的雷电波形,而一旦不符合要求的试验波形作用到鉴定试验件上,其试验结果就很难评价。目前我国已有单位可开展飞机的雷电防护试验,包括鉴定试验。
结论
大气雷电环境会给飞机的安全带来影响,飞机在设计的初始阶段就需认真考虑此类问题。若在飞机造出后再做这方面的工作,很可能对飞机的适航取证带来困难,一旦重新设计,在经济上和时间上都会带来很大的损失。
飞机的雷电防护试验,是一项投入很大、技术要求很高的试验,且具有一定的危险性,稍有不慎,轻则损害设备或试验无效,重则危及人身安全。目前我国的试验条件在整机试验和间接效应试验方面还有待完善,由于投入很大,飞机型号任务数量有限,应吸取以往一些实验室建设的经验教训,避免重复投入,加强支持现有实验室的完善和建设,研究新的科研模式,提高效费比,以合理的投入,使我国能够拥有一个试验能力达到或接近国际一流水平的飞行器雷电防护实验室。
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