摘要：飞机结构雷击损伤机理是一个复杂的多物理现象，雷击附着于飞机结构表面形成雷电流通道，雷电流进入飞机结构后产生焦耳热效应和电磁力效应，并伴随着机械力和表面爆炸等现象，造成飞机结构显著的冲击损伤。为研究雷电流冲击对结构材料变形和损伤效果的影响，实验室进行雷电流冲击试验，对棒形试验电极和喷射形试验电极的冲击效果进行了试验对比，对铝合金和碳纤维复合材料的雷击损伤效果进行了试验对比，结果表明雷电流冲击作用下，不同试验电极产生的冲击效应、不同材料及涂层的损伤形式均存在较大差异。

关键词：雷电流冲击、冲击效应、试验电极、碳纤维复合材料、损伤效果

1  引言

       飞机雷电直接效应是指因雷电通道直接附着于飞机和因雷电流传导产生的雷电流冲击，造成的飞机结构及设备的破坏，损伤形式包括：雷电附着点的熔蚀和烧伤、阻抗导致的温度升高、磁力效应、声压冲击波效应、铰合等连接处的电弧和火花等。飞机的主体框架、肋板等结构，多数是金属材质，这些结构有着非常优良的电传导性。在遭受雷击时，雷电流通道发出强烈的热冲击和爆炸效应，超强的电磁力和电阻热集中，会使得雷电附着入点或者出点位置的飞机结构发生严重的损坏。雷电流在入点和出点之间传导时，飞机结构充当着一个导体的效果，因为雷电流极易扩散，所以飞机的大部分结构上电流密度都很低，很少能造成结构的损坏，只有在结构之间的电搭接极差时，结构之间可能产生电弧，发生严重的损伤。

       近年来，碳纤维复合材料被广泛应用于飞机机身上，以降低结构重量和维护成本，相比于传统的金属飞机，碳纤维复合材料较低的导电性和导热性，会使得飞机防雷性能大大降低。飞机的机身和机翼等结构极易遭受雷击，随着复合材料在飞机上使用比重的增加，复合材料结构需要进行必要的防雷设计。为了给飞机复合材料结构提供雷击防护，可以将不同结构的金属网结构附加于复合材料外表面，以提供优良的导电性能，将雷电流从雷电附着位置分散和转移出去，以此减小雷击损伤。目前，最为常见的雷电防护措施是向复合材料表面铺贴金属网，材料主要为铜或者铝。复合材料加金属网的雷电防护效果，通过了雷电直接效应试验得到了大量验证，得到业界广泛使用。

2  雷电流冲击效应

       飞机遭受的雷电首次回击电流，在约 50µs 内迅速达到 200kA 的峰值，进入飞机结构，会产生电磁力、热激波、热膨胀过压和焦耳热效应等。雷电通道在大气中传播，空气被电离击穿并产生冲击波，由于冲击波伴随着急剧的声压变化，当冲击波前沿到达结构表面时，会表现出强烈的冲击效应，可见冲击波的作用是雷击的损伤机制的重要组成部分。

       实验室利用冲击电流发生器，模拟自然雷电最高电流峰值 200kA 的电流分量 A 和最大电荷传递量 200C 的电流分量 C，对铝合金板、金属网碳纤维板进行雷电电弧引入试验，通过改变试验电极的类型、材料的类型进行试验对比，以研究雷电流产生的冲击波对结构引起的变形、动态响应和损伤形式。

       首先研究了在雷电流冲击作用下，不同类型的试验电极对材料变形的影响。实验室选用两种类型的试验电极，一种是铜棒电极，另一种是喷射性电极，依据标准 ARP5416A 的要求，喷射性电极主体为铜棒，以此作为雷电流传导的主要介质，铜棒末端安装一个绝缘球，铜棒末端外露金属距离受试板件不小于 50mm，两者之间搭接一根直径 0.1mm 的细铜丝作为诱发引线。试验中对相同类型的受试板件施加相同的电流幅值，采取雷电电弧引入的试验方法，观察发现，伴随雷电流产生的冲击波在接触到受试板件后，会使得受试板件产生冲击震荡，受试板件被固定夹持，所以震荡会发生强烈的叠加，两种不同类型的电极产生的冲击波压力不同，使得受试板件中心位置的振荡响应有很大的不同，在喷射性电极作用下受试板件中心位移明显大于棒电极作用下的位移，说明喷射性电极造成的冲击波效应明显强于棒电极。

       然后研究了在雷电流冲击对不同材料的冲击影响。实验室选用两种类型的试验板件，铝合金板和金属网碳纤维板。试验中对不同类型的受试板件施加相同的电流幅值，采取雷电电弧引入的试验方法，使用相同类型的试验电极，结果表明，在同一试验电极下，与铝合金板相比，金属网碳纤维板的振动效果都较小，原因是由于复合材料相对于铝合金固有的阻尼特性更有优越性。

       此外，两种不同类型的电极对受试板件的热损伤也存在差异，观察到棒电极作用下，试验后受试板件的热损伤集中呈圆形，在喷射性电极的作用下，试验后受试板件表面仅出现了分散且很小的热损伤，可见喷射性电极的绝缘球能有效地切断电弧射流的产生，从而减轻了电弧射流造成的热损伤。因此，试验电极的类型对试验结果会产生较大的影响，而标准 5416A建议试验一般都应选用喷射性试验电极。

3  雷击对复合材料的损伤效应

       雷击对复合材料结构所造成的雷电直接效应，是一个复杂的物理化学变化过程，雷电流产生的热-电-磁-力等耦合效应，包括着：雷电通道瞬间热膨胀带来的过压效应，雷电流焦耳热效应以及由此引起的复合材料气化反冲效应，雷电流通道传导至复合材料的巨大能量引起的复合材料表面和次表面的热膨胀、相变效应，高温热分解等物理化学变化，复合材料燃烧和热解使碳纤维升华，热解气体压力使复合材料分层等。

       实验室对 2mm 厚的碳纤维复合材料裸板和 2mm 厚的防雷金属网碳纤维复合材料板的雷击防护效果进行了试验对比，向两者同时施加 200kA+200C 电流试验后，碳纤维复合材料裸板发生严重分层并几乎穿透，而金属网碳纤维板只是在雷电附着位置的金属网被烧损，被金属网保护的碳纤维板基体只发生了轻微的起毛现象，损伤很小，说明金属网能对飞机的碳纤维复合材料提供很好的雷电防护效果，而材料的电导率会影响电弧根部的形状，从而影响雷电流冲击扩散的方向和对结构的损伤程度。

       雷电流冲击导致防雷金属网温度迅速升高到燃烧阶段，由于表面涂层的存在，电弧将收缩聚集，雷电流持续注入防雷金属网，导致复合材料表面会因电流产生的焦耳效应而爆炸，最后由于气体膨胀，使得涂层爆裂，进一步增强了表面产生的超压，撕扯并破坏复合材料基体。

       雷击效应的复杂性，使得损伤不仅取决于结构自身，还取决于防雷金属网和油漆厚度。虽然防雷金属网和油漆厚度并没有提高复合材料结构的载荷能力，但这两个因素在雷击引发复合材料表面爆炸的过程中，两者充当的是一定的负载，在损伤过程中起到了巨大作用。因此，研究防雷金属网类型和油漆厚度对电流损伤的影响是很有意义的。

       对于处于不同的雷电分区复合材料飞机结构，可以选择不同密度的金属网进行防护，以应对不同等级的雷电流冲击。对于金属网碳纤维结构表面，通常会喷涂一定厚度的漆层，由于漆层的喷涂厚度很难精确控制，且大多漆层为非导电漆或绝缘漆层。使用一定厚度的非导电漆层，则可能会导致雷击能量造成的伤害变大，因为涂层在雷击过程中起到了有两个作用：限制电弧根部膨胀和限制爆炸气体喷发形成气阻效应。对无漆层和有漆层的金属网碳纤维板雷击损伤试验对比发现，漆层厚度会增大结构的损伤范围；漆层厚度越厚，则电弧通道击穿漆层所需的击穿电压越高，击穿时间越长，击穿过程所释放的能量越大。同时漆层厚度越厚，则介电常数越大，使能量的扩散速度减小，从而使电弧附着点附近产生的热量更多，导致结构材料及防护层的损伤更严重。

4  结论

       本文对雷电流冲击的物理现象进行了分析，研究了不同类型试验电极对电流冲击产生的影响、不同材料对雷电流冲击的响应，以及材料漆面涂层对雷电流冲击扩散产生的影响。

       作者：谢健