飞机与雷电的攻防

飞机与雷电的攻防

据统计，每架飞机平均一年就会遭遇一次雷击。另根据空客公司统计结果，一架飞机平均每飞 3000 小时被雷击一次。

正常情况下，在飞行的航线中遇到雷雨天气，飞机会绕行。如果是机场出现雷雨，则很可能是航班延误，或者航班返航。然而当飞行时突然遇到雷雨，或者执行一些特殊任务时，不得不穿越雷雨云，那么飞机能防雷么？

（一）全金属飞机（早期飞机）防雷

飞机最初发明时是木制的，但很快便使用合金来制造。对于全金 属飞机来说，其具有良好的导电性，可以利用法拉第笼原理来防雷电。

法拉第笼：是指一个是一个由金属或者良导体形成的笼子，根据静电屏蔽原理，也就是处于静电平衡状态的导体，电荷只分布在导体的外表面上。如果这个导体是中空的，当它达到静电平衡时，内部也将没有电场，同时也没有磁场。因此当金属飞机遭遇雷击时，机身外表面通过放电装置，能将电荷顺利导走， 而不会造成重大灾难性事故。

（二）现代飞机（大量使用复合材料）的防雷

但是现代飞机很少是全金属的，而是在大量使用导电性不算好的复合材料。

这是因为复合材料可以使飞机减重 20%～ 30%，还可提供更好的抗破坏性能和耐久性，使飞机更坚固，并降低使用维护要求。以民航 客机为例，波音 B787 和空客A350－XWB 的复合材料含量高达 50%以上。

然而对于采用了碳纤维复合材料的飞机而言，虽然碳纤维导电性较好，但是常用树脂是一种绝缘材料，两者复合后，碳纤维复合材料的电导率介于导体和半导体之间，破坏了法拉第笼效应，使得雷电可能在飞机表面积累，甚至导入飞机内部。

（三）雷电对飞机的危害

我们先认识一下雷电对现代飞机可能造成的危害：

1） 高电压：电压可能高达 500kV，可使飞机上的绝缘材料(如雷达罩)击穿，当雷电通过飞机机头时，高电压可使雷达罩击穿，形成大小不等的洞。

2） 高频变化的电磁场：可导致飞机内部金属器件产生感应电流 或电磁力，致使电子设备失灵或毁坏，如对通讯系统、导航系统和操纵系统等的影响。

3） 高温和高压冲击波：雷电的电弧作用于飞机表面，产生电弧热，可使温度瞬间高达约 3 万摄氏度，并产生十几个大气压的冲击波。

另外雷电在导电性不好的复材中流动会产生焦耳热，可导致复合材料温度瞬间升高到 3000 度以上，引起复合材料的树脂热解、碳纤维汽化，并产生热应力导致分层。

焦耳热：也就是根据焦耳定律，电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式：Q=I²Rt

4）雷电电流向飞机内部的流入：雷电有可能顺着导电的碳纤维而导入飞机内部，会干扰或损坏电气或电子设备，危及飞机正常使用。

（四）飞机的防雷措施

既然复合材料的使用破坏了飞机表层的导电性能，而根据电磁屏蔽原理，如果在飞机表层制造一层低电阻的良好的导电网络，那么就可以继续利用法拉第笼效应。而根据焦耳定律，也需要降低飞机表面的电阻率，就可以降低焦耳热的产生。并且想办法快速将雷电释放到大气中，以及在表面导电层下铺设绝缘层，可以防止雷电向飞机内部导入。

一、增加飞机表面导电性

喷铝涂层：这是较早期的现代飞机防雷措施，顾名思义，是在飞机表层喷涂一层导电的铝材料。然而这种方法需要高温条件，会对复合材料有一定损伤，逐渐被淘汰。

金属编织网：在复合材料表面铺设金属丝编织成金属编织网。然而编织过程中有丝线的搭接，平整度较差，不利于与复合材料贴合附型。搭接处也具有较大的接触电阻，甚至在浸润树脂后经纬编织线经常出现断路，因此，不利于获得较高的电导率。

金属编织网示意图（图片来自网络）

扩展金属网：又称扩展金属箔（expanded metal foil，EMF），它由整片平整的金属箔冲拉制成，表面平整无搭接。更容易附着在复合材料上。该种方法较为常用。

扩展金属物示意图（并非飞机用，仅示意）（图片来自网络）

扩展金属网的最大特性是：没有经纬线之分，网格线彼此相连， 不仅消除了丝线松散、滑移和搭接的可能性，而且网格在各个方向彼此连接，构成了导电性很高的网络。因此，扩展金属网比编织金属网具有更高的电导率。

二、铺设绝缘层防止雷电导入飞机内部

然而金属导电网却会因为与碳纤维复合材料接触，而发生电化学腐蚀。并且也有一定概率使电流导入复材之中。因此需要一些隔离措施。

玻璃纤维隔离层：由玻璃的电绝缘性来消除金属导电层的电化学腐蚀，在金属雷电防护层和碳纤维基板之间形成隔离区，阻挡电荷在两者之间转移。同样，绝缘的玻璃纤维也可以隔离雷电发生的电荷（电弧、电火花和电流）向下层碳纤维铺层转移。

三、加快飞机表面电荷的释放

放电刷：一般安装在飞机主翼或尾翼尖端处，它是像刷子一样的东西，由几十根很细的针组成。根据尖端放电的原理，放电刷能够将飞机外壳累积的大量电荷放至大气中。

四、飞机停泊时防雷

飞机在停泊时配置使用的，即在飞机机身安装一条避雷带，与地面连接。因为飞机停泊在陆地上，其实质类同于地面的建筑物，同样要安装避雷装置。最好的防雷击方法是把飞机停在安装了防雷系统的停机坪内。