狄瑋嵐　張秋爽　劉凱　何征　何相勇

摘要：航天系統(tǒng)一直受到雷電的威脅，其中雷電直接效應(yīng)損傷是主要模式，對(duì)飛行器安全有著重大影響。分析航天系統(tǒng)常用的金屬與復(fù)合材料等在雷電作用下機(jī)械破壞、熱損傷、火花效應(yīng)和電磁損傷等主要效應(yīng)的基礎(chǔ)上，分別研究了金屬與復(fù)合材料的直接效應(yīng)損傷機(jī)理，特別是有關(guān)附著方式、材料導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性等因素的關(guān)系，比較了目前金屬結(jié)構(gòu)搭接增強(qiáng)、表面弧根分散、多重結(jié)構(gòu)防護(hù)、火焰噴涂鋁層、敷設(shè)銅網(wǎng)及其復(fù)合膜、導(dǎo)電薄膜/基體等主要防護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了直擊雷損傷防護(hù)的發(fā)展方向。雷電直接效應(yīng)損傷模式與防護(hù)方法的相關(guān)研究對(duì)航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的意義。

關(guān)鍵詞：航天材料 復(fù)合材料 雷電防護(hù) 損傷

中圖分類號(hào)：V250????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research Progress on the Direct Lightning Stroke Protection Method for Aerospace Materials

DI Weilan ZHANG QiuShuang LIU Kai HE Zheng HE Xiangyong

（1.Xian Airborne Electromagnetic Technology Co.， Ltd.， Xian， Shaanxi Province， 710077 China;2.Beijing Overall Design Department of Mechanical and Electrical Engineering ， Beijing， 100039 China）

Abstract：Aerospace systems have always been threatened by lightning， and the damage of direct lightning effects is the main mode， which has a significant impact on the safety of spacecrafts. Based on the analysis of the mechanical damage， thermal damage， spark effect， electromagnetic damage and other main effects of metal and composite materials used commonly in aerospace systems under the action of lighting， this paper studies ?the?? damage mechanism of the direct effects of metal and composite materials， ?especially the relationship of the attachment method， the ?electrical conductivity and thermal conductivity of materials and other factors， compares the advantages and disadvantages of the current main protection methods such as metal structure bonding reinforcement， surface arc root dispersion， multiple structure protection， flame spraying aluminum coating， the laying of copper meshes and their composite film and conductive film/matrices， and prospects the development direction of direct lightning stroke damage protection. Relevant research on the damage mode and protection method of direct lighting effects has important significance to the design of aerospace structure.

Key Words：Aerospace materials; Composite materials; Lightning protection; Damage

雷電是一種自然界常見(jiàn)的大氣放電現(xiàn)象，能在瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的能量，容易造成生命財(cái)產(chǎn)、社會(huì)活動(dòng)等方面的巨大破壞和影響。雷電威脅一直伴隨著航天以及導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射任務(wù)，多年來(lái)，盡管防雷技術(shù)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，國(guó)內(nèi)外依然發(fā)生過(guò)多起航天雷擊事件。特別隨著復(fù)合材料在航天系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛，直接或間接遭受雷擊都會(huì)導(dǎo)致航天系統(tǒng)出現(xiàn)電氣設(shè)備故障、箭體結(jié)構(gòu)損壞，最終導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗或者延遲^[1]。最近的典型案例就是2022年8月29日，美國(guó)NASA登月火箭因發(fā)射臺(tái)遭雷擊被迫推遲發(fā)射。綜上，航天雷電防護(hù)特別是直接雷擊防護(hù)尤為重要，本文針對(duì)航天系統(tǒng)中常見(jiàn)的材料及其結(jié)構(gòu)的直接雷擊損傷模式，分析了國(guó)內(nèi)外主要的防護(hù)方法及其效果。

1 航天材料的直接雷擊破壞模式

雷擊的破壞效應(yīng)根據(jù)雷擊過(guò)程的作用特性分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，直接效應(yīng)主要形式有雷電電弧附著在材料表面造成的燃燒、熔蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)畸變，以及由大電流引起的高壓沖擊波和電磁力破壞^[2，3]，其損傷程度主要與雷電流大小、持續(xù)時(shí)間、作用積分、電荷傳遞量等因素有關(guān)^[4]。雷電直接效應(yīng)損傷主要包括機(jī)械破壞、熱效應(yīng)、火花效應(yīng)與電磁力效應(yīng)等常見(jiàn)模式。

1.1 機(jī)械破壞效應(yīng)

雷電的電壓高達(dá)上千伏，作用時(shí)間僅為幾毫秒，因此產(chǎn)生的沖擊力非常大，可能造成飛行器整流罩、機(jī)身蒙皮等結(jié)構(gòu)的擊穿、開孔和撕裂^[5]。損傷如圖1所示。

1.2 熱效應(yīng)損傷

電弧熱是雷電造成損傷的主要模式之一，電弧與金屬表面接觸造成金屬熔化的方式類似于與電弧焊接電極短暫附著于金屬表面^[6]。雷電通道電弧的溫度高達(dá)30000℃，但只有電弧根部與通道附著的表面接觸，航天系統(tǒng)中大量應(yīng)用的復(fù)合材料的電導(dǎo)率非常低，由于復(fù)材結(jié)構(gòu)無(wú)法有效地傳導(dǎo)雷擊產(chǎn)生的大電流，導(dǎo)致電荷在雷擊點(diǎn)附近大量聚集并轉(zhuǎn)化為熱能。瞬時(shí)匯集的熱能在雷電附著位置造成復(fù)合材料燃燒、熔融和結(jié)構(gòu)畸形等，如圖2所示。熱效應(yīng)是雷電典型的破壞形式，對(duì)裝備的安全威脅大^[7]，必須重點(diǎn)解決。

電弧加熱空氣導(dǎo)致的爆炸容易對(duì)金屬或者復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷^[8]。當(dāng)雷電電弧被限制在一個(gè)小的區(qū)域（如整流罩內(nèi)或者其他結(jié)構(gòu)包裹物內(nèi)）時(shí)，初步加熱導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)氣壓超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，當(dāng)氣壓進(jìn)一步升高時(shí)，維持電弧所需的電壓亦隨之增加，因此雷電電弧的功率會(huì)高于在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓情況下的功率，釋放的能量也會(huì)相應(yīng)增加，特別是封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)由于雷電加熱效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓會(huì)持續(xù)增加，直到整流罩或者包裹物破裂壓力才會(huì)停止，這經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)的重大損傷。

1.3 火花效應(yīng)

火花效應(yīng)包括熱火花和電火花^[9]，熱火花指材料的燃燒時(shí)碎片從熱點(diǎn)噴出，電火花指介質(zhì)因?yàn)殡妷鹤饔枚粨舸Ｓ捎诶纂娝查g將能量釋放出來(lái)，雷電流峰值很高，如果某一點(diǎn)阻抗較大時(shí)，便容易產(chǎn)生火花效應(yīng)。火花效應(yīng)對(duì)燃料、火工品系統(tǒng)的威脅最大，可能造成燃料爆炸，如圖4所示。

1.4 電磁力效應(yīng)

當(dāng)電流流過(guò)同向或異向的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互吸引或排斥的作用力。雷電電流很大，因此產(chǎn)生的電磁力很強(qiáng)，有可能造成桁架結(jié)構(gòu)變形、線纜斷裂、蒙皮撕裂、彎曲等損傷，影響安全^[10]。圖5是鉸鏈結(jié)構(gòu)在雷擊作用下，鉸鏈結(jié)構(gòu)彎曲變形和縫隙錯(cuò)位等損傷，同時(shí)出現(xiàn)表面熔蝕和電火花效應(yīng)等多種混合損傷。

2 金屬結(jié)構(gòu)雷電損傷防護(hù)方法

雷擊附著到金屬表面時(shí)，通常只產(chǎn)生很小的損傷，原因是只有相對(duì)較小的能量在附著點(diǎn)釋放，且附著點(diǎn)釋放的能量是雷電流與雷電通道末端（弧根）陰極或陽(yáng)極電壓降的乘積^[11]。壓降通常為幾十伏，假如陰極（或陽(yáng)極）壓降為30V，400A的持續(xù)電流釋放，其功率為12kW。如果通道快速掃掠過(guò)未經(jīng)強(qiáng)化處理的鋁金屬表面，損傷可能只包含較小的金屬外表面的蝕損點(diǎn)^[12]。熔穿效應(yīng)也取決于金屬的類型和厚度，電弧附著點(diǎn)時(shí)，電荷傳遞量（Q）與金屬熔化量（即穿孔量）之間存在近似線性的關(guān)系^[13]。根據(jù)前述損傷機(jī)理，金屬結(jié)構(gòu)雷電損傷的防護(hù)方法主要有增加厚度、弧根分散、搭接和多層防護(hù)等方法。

2.1 增加金屬厚度

防止熔穿最直接的方法就是用足夠厚度的金屬板以承受雷電附著效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要的厚度取決于雷電電弧的駐留時(shí)間。以金屬鋁殼體（磨光或者陽(yáng)極化）為例，如果是在駐留時(shí)間不超過(guò)5ms的區(qū)域，只需要承受電流分量B，需要的鋁表面厚度為1.5mm。對(duì)于雷電其他附著區(qū)域，如區(qū)域1A，1C及2A區(qū)的鋁合金殼體，駐留時(shí)間應(yīng)假定為20ms，典型殼體厚度在2.0～3.0mm之間。

2.2 通過(guò)弧根擴(kuò)散來(lái)防護(hù)

弧根擴(kuò)散是對(duì)外表面進(jìn)行導(dǎo)電化、“粗糙”化處理帶來(lái)的一種防護(hù)性優(yōu)點(diǎn)，凸起使臨近表面的電場(chǎng)不均勻，從而導(dǎo)致弧根分散到多個(gè)路徑，而不是持續(xù)集中在一個(gè)位置^[14]。細(xì)金屬絲防護(hù)層和填充了碎末金屬纖維的底漆在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中是有效的，不過(guò)，金屬填充的底漆需要額外的維護(hù)，因此目前并未廣泛使用。當(dāng)前，部分試驗(yàn)已經(jīng)確認(rèn)當(dāng)進(jìn)行促進(jìn)弧根擴(kuò)散的處理時(shí)，對(duì)于金屬蒙皮的熱損傷與沖擊波損傷可以大大降低。

2.3 電氣搭接

如前所述，飛行器整體在雷電流作用下，由于局部的高阻抗，出現(xiàn)許多非預(yù)期電流通路，出現(xiàn)間隙放電（火花效應(yīng)）、局部電磁力導(dǎo)致的機(jī)械損傷。電氣搭接就是通過(guò)使用螺栓、鉚釘或短導(dǎo)線等結(jié)構(gòu)將金屬部件（包括復(fù)合材料結(jié)構(gòu)也適用）機(jī)械連接在一起，通過(guò)這些結(jié)構(gòu)連接建立一條穩(wěn)定的低阻抗電氣通路，從而防止在雷擊作用下結(jié)構(gòu)體各個(gè)部分之間產(chǎn)生過(guò)大的電勢(shì)差以避免損傷的發(fā)生^[15]。

2.4 用多層材料進(jìn)行防護(hù)

用非導(dǎo)電膠（絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)膠都是非導(dǎo)電的）粘接一個(gè)薄的金屬防護(hù)層^[16]。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明熔化通常限制在外部金屬層，內(nèi)層則保持完好無(wú)損。外層熔化掉但電弧仍附著到外層熔化孔洞的邊緣，不會(huì)重新附著到暴露的內(nèi)層，從效果上來(lái)看，外層金屬被犧牲掉以保護(hù)內(nèi)層。例如：一個(gè)0.5mm的外層鋁粘接到0.75mm的內(nèi)層鋁上，可以承受與2mm單層鋁板相同強(qiáng)度的直接雷擊。

3 ?復(fù)材結(jié)構(gòu)雷電損傷防護(hù)方法

3.1 復(fù)合材料雷擊損傷特性

與金屬材料相比，復(fù)合材料直接雷擊損傷模式主要是熱損傷和機(jī)械損傷，一旦受損將極大降低其強(qiáng)度和剛度。如前所述，復(fù)合材料蒙皮/殼體等位置極易形成刺穿、燒蝕、起皺和剝落等損傷，這種現(xiàn)象在薄層復(fù)合材料如蒙皮結(jié)構(gòu)上尤為嚴(yán)重^[17]。復(fù)合材料直接效應(yīng)損傷有以下幾種情況。

（1）材料表面的燒蝕和纖維分層。典型形式包括材料燒蝕、纖維分層、纖維斷裂等，導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)失去機(jī)械強(qiáng)度。

（2）阻性升溫。雷電流在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳導(dǎo)時(shí)，復(fù)合材料電阻非常大，傳導(dǎo)電流的橫截面積相對(duì)不足，都會(huì)造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷。

（3）連接點(diǎn)和緊固件的損傷。復(fù)合材料在應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)行組裝和連接，不可避免地引入搭接連接件，這些連接位置在傳導(dǎo)雷電流過(guò)程中便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)械和熱損傷。因此這些連接位置都會(huì)成為雷擊薄弱點(diǎn)，如圖6所示。

3.2? 復(fù)合材料雷電損傷防護(hù)方法

復(fù)合材料雷電損傷防護(hù)思路主要是提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)導(dǎo)電與導(dǎo)熱性，表面改性抗燒蝕等，方法包括采用火焰噴涂、敷設(shè)金屬網(wǎng)/復(fù)合膜、表面導(dǎo)電化（導(dǎo)電薄膜、基體）等方法^[18-25]。

3.2.1 火焰噴涂方法

火焰噴涂技術(shù)是利用火焰為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速氣流的推動(dòng)下形成霧流，噴射到基體上。火焰噴涂在飛機(jī)復(fù)合材料設(shè)計(jì)中一種常見(jiàn)的防護(hù)手段^[19]，一般噴涂厚度為0.1～0.2mm，常用的金屬是鋁?；鹧鎳娡靠梢愿采w難以用金屬網(wǎng)覆蓋的復(fù)雜形狀，但缺點(diǎn)是成本高，重量大。

3.2.2 防雷金屬網(wǎng)

對(duì)于復(fù)合材料，目前多采用在表面鋪設(shè)金屬網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)。防雷金屬網(wǎng)應(yīng)采用非編織形式的金屬網(wǎng)，不能使用金屬箔片或編織金屬網(wǎng)，如圖7所示。

雷電防護(hù)金屬網(wǎng)是目前使用較多的一種雷電防護(hù)措施，最常見(jiàn)的為金屬鋁網(wǎng)和銅網(wǎng)^[20-24]。金屬網(wǎng)由金屬板或金屬箔經(jīng)沖剪、拉伸而成，這種金屬網(wǎng)眼一體化連接，梗絲均勻，沒(méi)有斷梗和斷絲，電流傳導(dǎo)截面均勻，導(dǎo)電性能均勻性好。圖8為某款常用的雷電防護(hù)金屬網(wǎng)。

復(fù)合材料所處的飛行器部位即雷電分區(qū)不同，使用的金屬網(wǎng)規(guī)格也不同，目前國(guó)內(nèi)外在金屬網(wǎng)的選型上，已經(jīng)形成了較為成熟的體系。常見(jiàn)的規(guī)格有73g、107g、142g和195g，對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)或尺寸較小的部件，可以考慮使用更重的220g金屬網(wǎng)。ABEMM防雷金屬銅網(wǎng)經(jīng)過(guò)了充分了雷電試驗(yàn)驗(yàn)證，防護(hù)效果優(yōu)異。如圖9為ABEMM雷電防護(hù)銅網(wǎng)復(fù)材板電弧引入試驗(yàn)，可以看出ABEMM金屬網(wǎng)復(fù)合材料板電弧注入位置銅網(wǎng)局部被燒蝕，但復(fù)合材料板未分層、起毛，表面ABEMM防雷金屬網(wǎng)能對(duì)復(fù)合材料基體起到良好的雷電直接效應(yīng)防護(hù)作用。

3.2.3 金屬網(wǎng)復(fù)合膜

雷電防護(hù)金屬網(wǎng)復(fù)合膜是一種新型雷電防護(hù)產(chǎn)品，可以和纖維預(yù)浸料在熱壓罐中一體固化，避免了金屬網(wǎng)單獨(dú)注膠工藝，因此在飛機(jī)和航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的雷擊防護(hù)中具有重要的應(yīng)用，同時(shí)雷電防護(hù)金屬網(wǎng)復(fù)合膜使用方便，因此在金屬網(wǎng)的鋪貼和換網(wǎng)修復(fù)中也有著非常廣泛的應(yīng)用^[24]。雷電防護(hù)金屬網(wǎng)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)如圖10所示。

如圖11為鋪設(shè)金屬網(wǎng)復(fù)合膜的復(fù)合材料板件電弧引入試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)目視檢查與X光檢查可見(jiàn)碳纖維板材在雷擊后結(jié)構(gòu)完好，除表面銅網(wǎng)損傷外，未出現(xiàn)穿孔、纖維斷裂、分層、燒蝕等現(xiàn)象，由此表明在表面敷設(shè)金屬網(wǎng)復(fù)合膜和金屬網(wǎng)一樣，可以起到良好的防護(hù)效果。

3.2.4 導(dǎo)電薄膜/導(dǎo)電基體材料

增加復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性是提升抗雷性能的主要途徑之一，例如將導(dǎo)電納米顆粒增加到纖維結(jié)構(gòu)、基體材料中，以提升復(fù)合材料雷電防護(hù)能力^{[21， 22]}，其中典型結(jié)構(gòu)就是導(dǎo)電薄膜與導(dǎo)電基體材料。導(dǎo)電薄膜的工作原理與金屬網(wǎng)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)類似，只是此時(shí)起導(dǎo)電作用的是納米導(dǎo)電材料，如碳納米管、石墨烯等^[23]。

近年來(lái)，另一個(gè)復(fù)合材料雷擊防護(hù)研究的熱點(diǎn)是在樹脂基體中增加導(dǎo)電填料，提升復(fù)合材料導(dǎo)電性，最終提高復(fù)合材料的抗雷擊性能。國(guó)內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)取得了一些成果^[20]：例如采用多壁碳納米管（MWNT）和短碳纖維（SCF）作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂作為基體，制備了用于飛機(jī)防雷的導(dǎo)電納米復(fù)合材料；添加導(dǎo)電粒子以改善復(fù)合材料的雷電防護(hù)性能，日本研究機(jī)構(gòu)將石墨添加到環(huán)氧樹脂中制備石墨/環(huán)氧復(fù)合材料，歐洲一些研究機(jī)構(gòu)將石墨烯作為抗雷擊添加劑，制作無(wú)人機(jī)機(jī)翼。

3.2.5 導(dǎo)電基體改性

使用導(dǎo)電高分子作為復(fù)合材料基體以改善航天用復(fù)合材料的電導(dǎo)率也是一種重要防護(hù)方法，目前有報(bào)道的方法主要是日本的研究機(jī)構(gòu)使用聚苯胺替代環(huán)氧樹脂^[25]，制備新型碳纖維/聚苯胺的抗雷擊復(fù)合材料。該研究比較了聚苯胺/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)在100kA的雷擊損傷結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，試驗(yàn)結(jié)果表明碳纖維/聚苯胺板材顯示出優(yōu)異的防雷特性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)常見(jiàn)航天金屬與復(fù)合材料雷電直接效應(yīng)損傷及其防護(hù)的主要方法進(jìn)行了研究。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，雷電作用機(jī)制復(fù)雜導(dǎo)致防護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)多；多種效應(yīng)損傷于一身，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)耦合深；雷電防護(hù)設(shè)計(jì)與重量、載荷等問(wèn)題平衡要求多，需要綜合考量；彈上空間狹小，設(shè)計(jì)難度高。雷電防護(hù)設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)工作又是一個(gè)涉及多學(xué)科、專業(yè)性和實(shí)踐性強(qiáng)的系統(tǒng)工程，需要技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的雙重累積。雷電綜合防護(hù)必須從頂層規(guī)劃開始，總體確定雷電環(huán)境；分析雷電對(duì)航天系統(tǒng)的作用機(jī)理、損傷模式；通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)物/縮比試驗(yàn)，逐系統(tǒng)、逐設(shè)備、逐材料地確定雷電防護(hù)要求、防護(hù)設(shè)計(jì)方法、防護(hù)驗(yàn)證方法；通過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)—仿真—試驗(yàn)迭代，提升雷電防護(hù)能力。

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