飞机雷电直接效应综述

发布日期:2016.01.13

       飞机的雷电直接效应是指因雷电通道直接附着于飞机和/或雷电流的传导造成的飞机和/或设备的物理效应,包括表面和结构的绝缘击穿、爆炸、弯曲、熔化、燃烧以及汽化等,也包括直接注入到布线、管道、控制线缆和其他传导部件中的电压和电流,还包括一些其他的效应,如震动效应和对人员的闪光致盲。 
       雷电对飞机的直接效应包括以下方面。 
1.蚀损和熔穿
       如果雷电通道接触到金属表面,在附着点可能发生熔化。常见的证据是经常可以见到的沿着机身分布蚀损印迹,或者是机翼后缘或尾翼翼尖上的穿孔。
2.磁场力
       众所周知,有同方向电流流过时,并行导体会互相吸引。如果靠近雷电附着点的结构从电学上看由很大数量的并行导体构成,并汇聚于雷电入点或出点,那么当雷电流流动时,磁力会把这些导体往一起吸引,如果结构不够坚固,则可能造成收聚或卷边。造成的损伤与电流幅度的平方成正比,也与电流持续时间成正比。
3.结构件接口处的蚀损
       只要两个连接面(如控制面铰链或轴承)之间的电搭接不良,遭遇雷击时就可能发生熔化和蚀损。
4.阻性温升
       当导体的电阻过高或横截面积过小时,会导致温度过度上升。由于多数金属的电阻随着温度升高而增加,一个给定的电流在热的导体比未加热导体内要耗散更多的能量。低阻抗导体在此过程中增加的更多。可以通过计算确定导体的温升。
       阻性能量耗散与雷电流的作用积分成正比,对任意导体,都有一个熔化和气化的作用积分值。小口径线缆通常用于电子设备的互连或者小负载的交流电源分配,在受到全幅度雷电流时经常会熔化或气化。当爆炸的导体位于包裹的壳体内(如复合材料翼尖)时,由爆炸性蒸气造成的损伤通常是最严重的,因为爆炸能量直到压力增加到足以使包裹物破裂时才会释放。 
5.冲击波和过压
       当雷电流在电离通道中流动时,和首次回击发生时一样,大量能量在5~10微秒内传送到通道中,导致通道以超音速膨胀。圆柱形冲击波从通道中心放射状扩散开,如果遇到坚硬表面的阻碍,冲击波的动量转变为压力上升,超过冲击波本身的压力,这种压力会比自由冲击波的压力大几倍。取决于通道到飞机表面的距离,过压可能在飞机表面达到几百倍大气压,造成挤压损伤,雷电通道不需要与被损伤的表面接触,可能仅仅是从旁边扫过。气压是造成损伤的直接原因。
6.非金属结构的直接效应
       飞机上用的非金属材料包括纤维增强复合材料和其他塑料,如聚碳酸酯树脂,复合材料值得关注,因为一架飞机的很多部分是由它们组成的。聚碳酸酯只用于窗户和一些整流罩。玻璃纤维增强复合材料是非导电的,对雷电的反应与导电的碳纤维复合材料不同。
       玻璃纤维复合材料:这些材料中的一些已经开始在次要结构中替代铝,像机头,机翼和尾翼翼尖,尾锥,翼身整流罩和控制面,在一些场合,整个飞机都是由玻璃增强复合材料组成的。通常非金属材料用来覆盖金属物体,如雷达天线。如果覆盖材料是非导电的(如玻璃纤维或Kevlar),电场可能穿透覆盖物并在内部的金属物体上激发流光。这些流光在向外传播并遇上雷电先导时,就可能形成覆盖物的击穿。击穿刚开始是小孔,但随着冲击电流和伴随的爆炸及冲击波的作用,会产生更大的穿孔。
       碳纤维复合材料:用碳或硼纤维增强的材料有一些电传导性,因此,它们对雷电的反应不同于非导电材料,但也不同于那些导电性好得多的金属材料。碳纤维复合材料(CFC)广泛应用于主要结构。 在碳和其他导电复合材料中,阻性温升有完全不同的影响,当温度升高时,作为燃烧或高温分解的结果,树脂连接的碳纤维开始断裂。如果燃烧的树脂释放出的气体被包裹在材料内,则可能会发生爆炸性的释放造成对结构的损伤。这种损伤可能足以导致击穿。
       其他塑料:透明的丙烯酸树脂或聚碳酸酯树脂经常用作座舱罩和挡风玻璃,这些材料经常位于雷电可能附着或扫掠的位置。多数聚碳酸酯有非常好的绝缘性能,能够成功抵御雷电或流光的击穿。电场会透过座舱罩并在内部的导电物体上引发流光,不过如果座舱罩的绝缘性足够高,这些流光就不能击穿座舱罩。
7.燃油系统的直接效应
       雷电对飞机的燃油系统有潜在的危害。仅仅传导1安培电流的电弧或火花就足以引燃易燃蒸气,而雷电可能向一架飞机注入数千安培的电流。有几十架民用和军用飞机的事故就是由于雷电引燃造成的,而且曾有小燃料箱内的起火和爆炸发生。尽管某些情况下确切的引燃源还不是很清楚,但最大的可能是发生在一些结构连接处或管道设施上的电弧或火花,这些结构连接处或管道都没有按传导电流来设计。一些事故已经确定是因雷电引燃从口排出的燃料蒸气而引起的,雷击也可能造成整体式油箱表皮的熔孔,从而引燃内部的蒸气。油箱内部由非导电材料制成的物体感应的流光也可能引燃燃料蒸气。
8.对电力系统的直接效应
       如果外部安装的电力设备,如航行灯或天线,刚好成为雷电附着点,防护球或罩子可能被击碎从而使部分雷电流直接进入相连的电力线缆。例如,对于翼尖上的航行灯,雷电可能击碎防护球和灯泡,这就可能使雷电通道直接接触到灯丝,从而雷电流直接流进电缆,从灯泡进入电源分配总线上。即使只有很小一部分雷电流进入到线束中,也可能导致线缆熔化或气化,如前所述。伴随的电压浪涌可能造成绝缘击穿或对该电源分配总线上的其他设备造成伤害。被雷电击中的外部安装设备失效,并且最严重时造成该电源分配总线上的其他设备也失效,由此严重影响了飞机的飞行安全。这种效应有许多例子,涉及所有种类的飞机。此类易受影响的部件包括航行灯、天线、空气数据探头加热器,偶尔也包括螺旋桨叶或挡风玻璃加热器。
9.推进系统的直接效应
       除了少数短暂性中断的事故,还没有关于雷电效应对活塞式发动机性能造成不利影响的报告。金属螺旋桨和旋桨毂盖经常遭受雷击,但造成的影响仅限于桨叶的蚀损或旋桨毂盖上烧焦的小孔。雷电流必须流过螺旋桨叶片和发动机曲轴轴承,轴承可能因此而出现蚀损坑,因此需拆卸下来检查以保证符合制造商的使用说明。木质螺旋桨,尤其是没有金属前缘的,可能遭受更大的伤害,但还没有公布的数据。 
       涡轮机熄火:已报告的对涡轮式喷气飞机引擎的雷电效应表明,这些效应也仅限于对发动机运转的短暂干扰。发生在涡轮螺旋桨飞机和涡轮式喷气飞机上的雷击之后的发动机熄火、压缩机熄火、涡轮机速度降低等现象已有报告,这些飞机包括内部安装发动机和机身进气口的军用飞机,以及发动机装在机身上的商用喷气式飞机。目前还没有将发动机熄火或压缩机熄火现象在地面试验中进行复现,也没有对干扰机制进行定性分析。一般认为这些现象是由于雷电通道沿机身向后扫掠时相关的冲击波导致的进气中断而造成的。雷电通道可能靠近发动机进气口的前端,如果有冲击电流,伴随的冲击波足以扰乱发动机运行。非常陡的温度梯度分布可能也很重要。已报告的这些效应在较小的军用或商用喷气式飞机上比大型运输机上发生的更多一些。因此,小型引擎看起来比大型引擎更易受进气中断的影响。
       操作方面的影响:在某些情况下发动机完全熄火,而其他情况下可能只是暂时熄火或减速。在多数时候,发动机可以成功重启或恢复全动力。如果飞机的涡轮发动机(特别是小发动机)的进气口靠近机身,飞机的飞行员在发生雷击时应该预料到发动机有动力降低的可能,从而准备好采取快速的矫正措施。
       仅有少数报告是关于安装在机翼上的涡轮喷气式飞机引擎的雷电效应,因为这些通常是大的引擎,雷电的冲击波一般不足以产生明显的进气中断,目前还没有关于此类引擎的熄火或减速的报告。



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