[发明专利]改良的雷击防护

说明书

技术领域

本发明总地来说涉及一种飞机和飞机构件，更特别涉及一种用于复合飞机构件及其它复合结构的改良的防雷击表面膜。

背景技术

诸如机身、机翼、尾翼、发动机短舱等飞机构件的外表面典型地由非金属复合材料、铝或含有复合材料和金属组合体的混合材料制成。当雷电击中飞机的金属外壳时，金属外壳会提供高导电路径，使电流可以从雷击点横穿金属外壳到达雷电排出点，而对飞机表面不会造成实质性损害。然而，发动机短舱等多数新式飞机构件都由坚固轻质的复合材料制成，以减轻飞机的总重。这些复合材料通常包含分布在聚合物基体中的碳或石墨增强纤维。这种复合结构通常比金属结构导电性差，基本上不能分散和消散雷击所产生的电能。因此，这种复合飞机构件的外部表面通常包括雷击防护，沿着其外部表面提供高导电路径。这种导电路径使与雷击有关的电能能够快速消散在受保护表面上，这有助于减小对雷击点处飞机组件表面的损害。

适航认证管理局(Airworthiness certification authorities)对各式飞机及飞机构件设立了雷击防护标准。根据雷电对飞机特定部分击中的概率和由此所产生电能的可能强度，管理局为各种类型的飞机指定了各种潜在击中区，和每个区域内的结构和系统必须承受而没有实质损害的可能电流波形。管理局将这些不同的击中区域命名为区域1A和1B、区域2A和2B、区域3。例如在美国专利5,417,385号和SAE ARP 5414中描述了对这些各雷击区的命名，本领域普通技术人员应该能够理解。

被分类成区域1A的复合飞机构件需要最大程度的雷击防护。SAE ARP5416中提供了用于验证区域1A飞机构件的雷击试验程序。为了满足SAEARP 5416的要求，用来复制区域1A结构的试验台必须能够承受具有特定电流波形的人工雷击而不会穿透试验台。

目前用于非金属复合飞机结构的电流雷击防护系统，典型地包括防雷击表面膜，该表面膜具有置于复合结构外部表面上或靠近其布置的金属箔或网，以便将因雷击在受防护表面上产生的电能分散或消散掉。例如，可以将金属箔或网嵌合置于复合结构表面上的聚合材料的薄层中。例如在美国专利5,470,413号中描述了一种将金属箔或网粘结在用于雷击防护的叠层复合结构表面上的方法。可选地，在制造该结构时，可以将金属箔或网结合在叠层复合结构的表面部中。例如，在美国专利5,417,385号中描述了在叠层复合结构外表面附近设置金属箔或网的制造方法。为了提供用于涂色的光滑的动力学外表面，可以在含有金属箔或网的表面膜上设置薄的聚合物表面层。

普通类型的雷击防护包括设置在防护复合结构外部表面上或附近的铝箔或网。在一个实施例中，能够理想地保护区域1A构件的铝箔或网具有大约每平方英寸0.02磅或大约74克/平方米(gsm)的面积重量密度。术语“面积重量密度”通常与诸如纺织物、带子、箔等有关的薄层材料，本领域普通技术人员都非常了解。本文中所使用的“面积重量密度”是指材料的重量除以材料的面积(例如矩形件的长度乘以宽度)。常规雷击防护系统(铝箔或网、聚合物基体，和玻璃纤维腐蚀隔离层)总的面积重量密度可以是大约0.11磅/平方英尺或大约500gsm或以下。

尽管如上所述的铝箔或网已被证实对区域1A构件的雷击防护是有效的，然而这种金属箔或网可能会不当地增加飞机的重量。此外，金属箔或网与聚合物及其附着的增强材料之间的热膨胀系数(CTE)不同会使各组件产生热应力。因此，在服务过程中飞机在常规飞行中受到大气温度的重复变化时，受防护表面可能会产生微裂纹。在高空中，飞机(包括其外部构件)通常会暴露在较低的大气温度中，而在地面上时，飞机暴露在较高的大气温度中。温度上的这些周期性变化可能是相当大的。当金属箔或网和周围的聚合物材料具有不同的热膨胀系数时，这些温度上的变化可能会在金属和相关复合结构之间产生不同的热膨胀，而合成的热应力可能会在复合结构的表面中产生微裂纹。由于这些微裂纹可能会使湿气或化学物质进入到复合结构中并使结构功能劣化，因而是不希望出现的。

飞机制造商及其供应商基于各种原因正在不断寻求各种减轻产生产品重量的各种方法，包括提高每单位燃油的飞行距离/或提高燃油效率。因此，需要提供一种用于区域1A飞机构件雷击防护的改良的表面膜，比已有带有金属箔或筛网(screen)的表面膜在面积重量密度上更小。特别地，需要一种用于雷击防护区域1A构件的改良的表面膜，其具有小于大约500gsm的面积重量密度。此外，还需要一种改良耐久性的用于区域1A雷击防护的表面膜，并且其与带有金属箔或筛网的表面膜相比更不易产生表面微裂纹。

发明内容