航天材料雷电直击防护方法研究进展

作者：狄玮岚 1 张秋爽 2 刘凯 1 何征 1 何相勇 1

(1.西安爱邦电磁技术有限责任公司；2.北京机电工程总体设计部)

摘要：航天系统一直受到雷电的威胁，其中雷电直接效应损伤是主要模式，对飞行器安全有着重大影响。分析航天系统常用的金属与复合材料等在雷电作用下机械破坏、热损伤、火花效应和电磁损伤等主要效应的基础上，分别研究了金属与复合材料的直接效应损伤机理，特别是有关附着方式、材料导电与导热特性等因素的关系，比较了目前金属结构搭接增强、表面弧根分散、多重结构防护、火焰喷涂铝层、敷设铜网及其复合膜、导电薄膜/基体等主要防护方式的优缺点，展望了直击雷损伤防护的发展方向。雷电直接效应损伤模式与防护方法的相关研究对航天结构设计有重要的意义。

基金项目：基础研究项目群“XX 平台雷电直接效应仿真及防护方法研究”（项目编号：514010505-203）。

图5 铰链结构雷击试验件电磁力效应、熔蚀和电火花复合损伤

3.2.4 导电薄膜/导电基体材料

增加复合材料结构的导电性是提升抗雷性能的主要途径之一，如将导电纳米颗粒增加到纤维结构、基体材料中，以提升复合材料雷电防护能力 ［21-22］ ，其中典型结构就是导电薄膜与导电基体材料。导电薄膜的工作原理与金属网复合膜结构类似，只是此时起导电作用的是纳米导电材料，如碳纳米管、石墨烯等 ［23］ 。

近年来，另一个复合材料雷击防护研究的热点是在树脂基体中增加导电填料，提升复合材料导电性，最终提高复合材料的抗雷击性能。国内外多家机构在这方面取得了一些成果 ［20］ ：采用多壁碳纳米管（MWNT）和短碳纤维（SCF）作为增强材料，环氧树脂作为基体，制备了用于飞机防雷的导电纳米复合材料；添加导电粒子以改善复合材料的雷电防护性能，日本研究机构将石墨添加到环氧树脂中制备石墨/环氧复合材料，欧洲一些研究机构将石墨烯作为抗雷击添加剂，制作无人机机翼。

3.2.5 导电基体改性

使用导电高分子作为复合材料基体以改善航天用复合材料的电导率也是一种重要防护方法，目前有报道的方法主要是日本的研究机构使用聚苯胺替代环氧树脂 ［25］ ，制备新型碳纤维/聚苯胺的抗雷击复合材料。该研究比较了聚苯胺/环氧树脂结构在 100 kA 的雷击损伤结果，试验结果如图 12 所示，试验结果表明碳纤维/聚苯胺板材显示出优异的防雷特性。

4 结语

本文针对常见航天金属与复合材料雷电直接效应损伤及其防护的主要方法进行了研究。在实际设计过程中，雷电作用机制复杂导致防护设计关联多；多种效应损伤于一身，相关设计参数耦合深；雷电防护设计与重量、载荷等问题平衡要求高，需要综合考量；弹上空间狭小，设计难度高。雷电防护设计及其试验工作又是一个涉及多学科、专业性和实践性强的系统工程，需要技术和经验的双重累积。雷电综合防护必须从顶层规划开始，总体确定雷电环境；分析雷电对航天系统的作用机理、损伤模式；通过理论分析、数值仿真和实物/缩比试验，逐系统、逐设备、逐材料地确定雷电防护要求、防护设计方法和防护验证方法；通过反复设计—仿真—试验迭代，提升雷电防护能力。

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来源：科技资讯

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