1、本科毕业论文（20 届）航空器防雷保护技术综述所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -航空器防雷保护技术综述摘要随着人们生活水平的提高，越来越多的人选择乘坐飞机出行，由于飞机不像陆地上的交通工具，需要在空中飞行，所以飞机的安全问题是重中之重。雷电是一种危险的自然现象，随时随地都可能发生，但是到目前为止还没有一种技术能够防止飞机遭受雷击。飞机遭受雷击后产生强大的雷电流，它严重的威胁飞行的安全和人身安全。本文介绍了雷电的产生、分类、过程及其参数，分析了雷电对飞机造成的危害，飞机机身上易遭雷击部位的划分，对机身各个
2、部位，各个零件的影响，并论述了飞机结构设计应为雷电流提供低阻抗的通路。对雷击放电敏感的部位和部件，必须根据自身的重要性采取适当的雷电防护措施，以尽可能减少雷电对飞机的损害。最后介绍了为确保雷电防护措施的可靠性而进行的验证试验方法。关键词 航空器；雷电；损伤机理；防护设计；鉴定试验哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The research of Aircraft lightning protection technologyAbstractWith the improvement of peoples living standard, more and more people choose
3、to travel by plane. The plane is not like land transportation. Need to fly in the air, so the security problem of the plane is the top priority.Lighting is a dangerous natural phenomenon. Anytime and anywhere may happens , but so far no technique can prevent aircraft from being destroyed by lighting
4、. The plane after shock produced powerful lightning current, it serious threat of flight safety and security of person. This paper introduces the generation of lightning, classification, process and characteristics. The analysis of the harm caused by lightning. The aircraft fuselage are bad, the div
5、ision of the lightning parts. the influence of various parts. .The harm from lightning Is analyzed in this paper，and it is demonstrated that low impedance pass should be provided in structure design of aircraft for lightning current. Suitable measures for lightning protection of aircraft must be ado
6、pted according to oneself importance to the place and parts that are sensitive to discharge of lightning strike，so that the damage to aircraft can be reduced by lightning strike.Eventually demonstration test means that assure reliability of measure for lightning protection is presented.Keywords: air
7、craft; thunder; damage mechanism; protective design; qualification test哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 中外航空器防雷保护研究现状 .11.3 课题研究的意义 .21.4 本文主要内容 .2第 2 章 雷电的基本原理 .42.1 雷电的概念 .42.2 雷电的分类 .52.3 雷电的过程 .52.3.1 初次击穿时期 .72.3.2 高峰值电流时期 .92.3.3 持续电流时期 .102.3.4 再次击穿时期 .102.4 雷电性
8、能数据 .102.5 电闪频谱 .122.6 雷电效应 .122.6.1 机械和热效应 .122.6.2 电效应 .13第 3 章 飞机防雷原理的介绍 .163.1 大型客机雷击区域划分 .163.2 雷电击对飞行器的影响 .173.2.1 金属飞机的雷电直接效应 .183.2.2 非金属材料的直接效应 .183.2.3 雷电对飞机的各种直接效应 .203.3 飞机防雷原理 .243.3.1 飞机在空中的防雷 .253.3.2 飞行器停泊时防雷 .273.4 飞行器防雷击设计要求 .283.4.1 结构 .283.4.2 空速管系统 .283.4.3 燃油系统 .29哈尔滨理工大学学士学位论文
9、- IV -3.4.4 操纵系统 .293.4.5 雷达罩 .293.4.6 突出物 .303.4.7 电爆装置 .313.4.8 玻璃纤维机翼缘中的导航灯 .31第 4 章 鉴定试验 .324.1 全尺寸部件附着点试验 .324.1.1 实验目的 .324.1.2 实验波形 .324.2 结构的直接效应试验 .334.2.1 实验目的 .334.2.2 实验波形 .334.3 燃油蒸气点火的直接效应试验 .334.3.1 实验目的 .334.4 电晕和流光的直接效应试验 .344.4.1 试验目的 .344.4.2 试验波形 .344.5 外部电气电子设备的间接效应试验 .344.5.1 试
10、验目的 .344.5.2 试验波形 .34结论 .36致谢 .37参考文献 .38附录 A .40哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景闪电是一种高电压和大电流的自然放电现象，在地球的大气层中，平均每天发生约 800 万次闪电。由雷击引起的飞行事故也时有发生，1969年美国阿波罗 12 号宇宙飞船在发射升空时遭到雷击；1988 年越南一架客机在曼谷上空遭雷击，76 人遇难；2000 年我国武航一架飞机在降落时遭雷击，51 人遇难。通常一架固定航线的飞机，平均每年要遭到一次雷击。据 2009 年统计，过去 57 年发生过 18 起有报告的雷击引起灾难性事故，至少 7
11、14 人遇难。为了提高飞机的综合性能，现代大型客机越来越多地使用了先进复合材料、电子电气设备和系统，它们对外部电磁环境的敏感程度要高得多，因而遭到雷击时损失更大。目前我国正研制大型客机，为保证大型客机及机载设备的安全，必须对防雷击设计与试验进行研究。1.2 中外航空器防雷保护研究现状 我国雷电防护研究自1994年以来，由于我国航空工业的快速发展，开始研制飞机雷电防护实验装置，先后开展过运七、运八、歼八、直十一等各类飞机、直升机的改型及其他新型号的雷电防护实验研究。为我国飞机大量采用先进的复合材料和先进的电器电子系统提供了大量重要的技术数据和图片资料，使国产飞机的防雷性能得到了极大提高。合肥航太
12、电物理技术研究所，建成我国内首台飞行器雷电防护试验装置，并成功地完成了多项国家急需的飞行器雷电防护试验研究课题，在Y7-200A型飞机雷电防护实验中，其雷达罩雷电防护性能取得了重要数据，并提出了改进方案；2007年合肥航太简称与国际水平相当的大型飞机雷电实验室，中国首架支线客机在此成功接受首次雷电安全性实验；沈阳飞机设计研究所进一步完善了飞机雷电防护设计的鉴定试验中索要注意的问题；中航工业哈尔滨飞机工业集团在飞机复合材料构件的防雷击保护研究中取得了重大进展。 美国对飞机雷击的研究1977年美国国家运输安全委员会（National Transportation Safety board NTSB
13、）向美国民用飞机管理部门、制造商以及政府研究部门提出要关注飞机遭受雷击问题，在国家航空航天管理局总部的积极支持下，Langly研究中心承担了该项研究任务。1978年Langly先在一架双水獭飞机 DHC-6上进行试验，开始只在雷雨边界区飞行，在1980年国家飞机安全会议上提出了初步报告。首先得出了雷击与飞行中飞机产生的紊流没有多大关系的结论。接着又用一架F106-B进行改装称之为NASA F106-B，将电磁受感器哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -装在飞机各处；将带有屏蔽的记录系统装在武器舱内，并配备录相，照相设备以记录雷击时瞬间的电磁波变化和闪光情况；武器舱并装有记录雷击时大气模型的设备；
14、安装一个用复合材料制造的垂直尾翼，其他座舱盖、进气道、机翼即仍然保持原合金结构，以减少雷击危害。DHC-6和F106-B的试验是在俄克拉马州和弗吉尼亚州地面基地的合作，以及国家海洋大气管理局（NOAA） 、国家暴雷雨（Severe National Strom）试验室以及NASA的wallop飞行设计部门的配合和 LTI（Lightning Technologies Inc.）的参与下进行的。先在地面进行有关模拟试验，然后上天在机上照相机和地面雷达的配合下进行飞行。为了试验中的安全，飞机安装了防止电流冲击的保护设备，对电子设备进行了屏蔽。并将JP-5汽油代替容易挥发的JP-4汽油，1983年开
15、始将表面脱漆，以减少电流在结构上的停留时间和蒙皮局部熔化。该飞机在雷电季节在雷雨区飞行了1496次，其中714次经受过雷击，发现F106-B垂尾后上方和蒙皮搭缝不严处有烧蚀点。结论中比较明朗的如：复合材料外层结构中应考虑材料金属化，例如将细金属丝镶人碳纤维蒙皮；以及蒙皮之间应避免缝隙和油箱舱的密封等。1.3 课题研究的意义雷电能量和雷电电磁脉冲使得飞行事故时有发生，这些事故大多是灾难性的，它严重影响着航空航天的安全 1。在现代航空航天技术发展中，为减轻飞机结构重量和提高飞机测控系统性能而飞速发展起来的复合材料技术和微电子测控技术，对雷电更敏感，遭到雷击时损失更大。因此，在现代飞机设计中，飞机的
16、雷电防护性能指标已是其常规设计指标，这已为国际航空界所公认 2。本文分析了雷电造成的危害，并论述了飞机结构设计应该为雷电流提供低阻抗的通路。对于对雷击放电敏感的部位和部件，必须根据其自身的重要性采取适当的雷电防护措施，以尽可能减少雷电对飞机的损害。1.4 本文主要内容第一章 绪论 主要介绍了当今国内外对航空器防雷保护的研究成果和课题研究的意义，雷电对航天航空活动及设备的影响，并提出了课题研究在民用飞机防雷保护研制生产中的实际意义和应用前景。第二章 雷电的基本原理 主要介绍了雷电的概念、分类、过程及雷电的性能数据和电闪的频谱，雷电的机械效应和热效应以及电效应。提出了雷电防护的基本考虑要点。本章重
17、点描述了雷电的过程极其各个阶段的特征，以及在设计时在雷电防护方面考虑的主要方面的内容，这位实验研究雷电直接效应和间接效应打下了基础，试验阶段就利用雷电模型来模拟雷哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -电发生环境及发生的各个阶段对客机的影响，得到第一手数据，从而找出应对办法。第三章 飞机防雷原理介绍 按理论分析了雷电主要附着区域的划分，综述了雷电对飞行器的直接效应，在飞机设计时必须充分考虑这些危害。对比了金属飞机和复合材料在雷电直接效应上的差异，分析了雷电直接效应对各种复合材料的影响，并对燃油系统、电力系统和推进系统等关键部位的雷电危害机理及危害程度进行了全面分析，可为飞机雷电防护设计及试验提供参
18、考。飞机防雷保护的结构设计应为雷电流提供低阻抗的通路，所以本章从这个角度对客机的各个部位，各个零件提出了设计要求。第四章 介绍了为确保雷电防护措施的可靠性而进行的验证试验方法和鉴定实验哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 雷电的基本原理2.1 雷电的概念闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（图 2-1） ，一般发生在积雨云中。 图 2-1 几种不同类型的闪电积雨云通常产生电荷，底层为阴电，顶层为阳电，而且还在地面产生阳电荷，如影随形地跟着云移动。正电荷和负电荷彼此相吸，但空气却不是良好的传导体。正电荷奔向树木、山丘、高大建筑物的顶端甚至人体之上，企图和带有负
19、电的云层相遇；负电荷枝状的触角则向下伸展，越向下伸越接近地面。最后正负电荷终于克服空气的阻障而连接上。巨大的电流沿着一条传导气道从地面直向云涌去，产生出一道明亮夺目的闪光。一道闪电的长度可能只有数百米（最短的为 100 米） ，但最长可达数千米。闪电的温度，从摄氏一万七千度至二万八千度不等，也就是等于太阳表面温度的 3-5 倍。闪电的极度高热使沿途空气剧烈膨胀。空气移动迅速，因此形成波浪并发出声音。闪电距离近，听到的就是尖锐的爆裂声；如果距离远，听到的则是隆隆声。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -在地球上，平均每天约发生800万次雷电，平均每秒钟要产生100次左右的闪电，雷电电压可达到亿伏以
20、上量级，其中电流幅值高达200kA 以上的雷电约占雷电总数的2左右，即全球每天约有16万次雷电幅值达200kA的雷电发生，雷电等离子通道可长达数千米以上，雷电电流的变化率可达105A/s级 3。雷电电磁脉冲的放电能量可达数百兆焦耳。2.2 雷电的分类雷电按不同形式分类有两种分类方法：一种是从闪电形态分类，可分为线状闪电、带状闪电、片状闪电、联珠闪电和球形闪电。其中线状闪电最为常见。另一种从闪电的空间位置分类，可分为云内闪电、云际闪电、晴空闪电和云地闪电，前两者称为云闪，而后两者称为地闪 4，地闪与人类的日常工作与生活关系较为密切，而且对人类社会环境的破坏性也很大，其危害也非常严重。大多数雷电起
21、因于在雷雨云中的电荷电场强度，大大超过空气击穿电位。超过半数的雷电放电发生在云中（即云内放电） ，人们最关心的是云对地放电（亦称条状或叉状闪电） 。典型的云和地之间的起源于云中，最终中和数十库仑负的云电荷。全部放电过程称为电闪，大约持续 0.5s。一次电闪由各种不同成分组成，其中有 3 或 4 个强电流脉冲，称为闪击。一个闪击大约持续 1ms，各次闪击之间的间隔时间，其典型值是 40-80 ms。雷电经常出现“闪烁” ，是因为人类的眼睛仅能分辨与每次闪击有关的个别的光脉冲 5。2.3 雷电的过程云地间的雷电可包括一个或多个断续的局部放电。每次雷电放电总的放电称为一次电闪（1ighting flash） ，每个局部放电称为一次闪击。通常每次电闪包括 3-4 次闪击。电闪持续时间约 0.2，闪击间隔时间约 40ms。云地间雷电可使云中负电荷区中约数十库仑的电荷转移到大地。云层中可以是正电荷中心放电，也可以是负电荷中心放电。负电荷中心放电是由几个间断闪击和连续电流组成的，如图 2-2 所示。而正电荷中心放电时小但占很长时间，如图 2-3。
