CN101896402B - 雷电保护系统以及包括该系统的飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合结构的雷电保护系统，该复合结构具有用于承受气流(20)的外表面，所述系统包括至少一个导电带(13)以及将该带紧固于所述结构的紧固件。根据本发明，该结构具有孔，该孔用于容纳紧固件以紧固所述带，至少其中一部分紧固件包括元件(15)，该元件(15)将雷闪引向此结构，此导引元件(15)用于插到孔中，其中，它的上部(19)大致与所述结构的外表面平齐，此导引元件(15)与导电带(13)电接触。导电带(13)用于安置在结构的与外表面(10)相对的一侧上，并被接地。

Description

雷电保护系统以及包括该系统的飞行器

技术领域

本发明涉及一种用于复合结构，特别是包括诸如蜂窝状芯部或泡沫芯部的轻质中央芯部的面板的雷电保护系统。本发明尤其适于保护飞行器的雷达天线罩或机身免遭雷击。

背景技术

由复合材料制成的夹层结构具有优越的性能，尤其是机械性能。它们以最小质量具有高的耐机械和/或热约束的性能和高的硬度。

因此，这些结构被广泛应用在航天工业(卫星，探测器，发射器)和航空工业(雷达天线罩，舱门，前缘，副翼等)。

然而，已知如果这些结构没有被适当接地，那么它们易受雷击。随后流过这些复合结构的高密度电流可严重地损坏它们，并例如导致层分离。在雷达天线罩的情况下甚至更重要，原因在于，本质上，它不能与标准的雷电流放电装置，例如插到结构表面内的金属格栅形成一体，由于需要对雷达波透明，因此不允许有所述金属格栅。

在雷击的情况下允许耗散雷电的能量以便保护这些结构的装置为人们所知。

图1示出这种根据现有技术的耗散雷电能量的装置。通常由铝或铜制成的避雷导体带1安装在飞机雷达天线罩3的外表面2上。这些带1通过螺纹型紧固单元4紧固在雷达天线罩上。每个雷电导体带1电连接于雷达天线罩3的外表面2上以使得积聚于其上的静电被释放。构件5由绝缘塑料制成，螺钉4安装在该构件5中以紧固所述带1。

每个带1还连接于飞机机身的连接部以确保带1分别被接地。因此，击中该带1的雷电弧使其能量散至地面，而不影响雷达天线罩的任何其它元件。

虽然此能量耗散装置带来好的效果，但是已经观察到雷达天线罩3上发生空气流7的扰动6，这是由雷达天线罩的外表面2处的雷电导体带1形成的突起而造成的(图1b)。

然而，当雷达天线罩形成飞机的“机头”时，具有大致为圆锥的形状以确保在空气中较好地穿过，且因此对此飞机的空气动力学做出显著贡献。

这些空气动力扰动6产生阻力，特别是通过引发从层流向紊流的转变会增大该阻力，并因此导致飞机燃油消耗显著增加，这与航线的经济需求不相符。

另外，当在雷电导体带1上发生严重的雷击时，可以观察到对避雷导体条的损坏，例如，该带的紧固螺钉的表面熔化。因此，维修雷达天线罩需要移除后者，以便能够移除和替换被破坏的带。

因此，有益的是具有保护飞机的雷达天线罩免受雷击的系统，该系统允许降低阻力，以便在对雷达波具有最大透明度的同时极大地节省燃油重量。

因此，本发明的目的是提出一种用于复合结构的雷电保护系统，该复合结构的外表面承受气流，该雷电保护系统的设计和操作的方法是简单的，这使得能够确保雷击作用的能量被全部耗散而没有损坏所述结构，且在此元件附近没有气流扰动。

发明内容

为此，本发明涉及一种用于复合结构的雷电保护系统，该复合结构具有用于承受气流的外表面，所述系统包括至少一个导电带以及将该带紧固于所述结构的紧固件。

根据本发明，

-此结构具有孔，该孔用于容纳紧固件以紧固所述带，此紧固件的至少一部分包括将雷闪引向所述结构的元件，

-此导引元件用于插到此孔中，其中，它的上部大致在结构的外表面的高度处，此导引元件与导电带电接触，且

-所述导电带用于安置在所述结构的与此外表面相对的一侧上，并被接地。

“所述导电带用于安置在所述结构的与此外表面相对的一侧上”表示此导电带安置在所述结构的与此外表面相对的一侧上，即，在结构内表面的一侧，该导电带直接与此内表面接触，或距离此内表面以一端距离放置。

“上部大致在所述结构的外表面的高度处”表示此上部在与结构外表面相同的高度处，即，导引元件的上端在所述结构的外表面的高度处，或与结构的外表面连续，以接近组装公差。

此系统可以有利地应用于任何类型的复合结构，无论是单片、单夹层还是多夹层都是这样。

在这种雷电保护系统的不同的具体实施方式中，每个都有其具体的优点，并能够具有多种技术组合：

-将雷闪引向所述结构的元件是一体式导电螺栓，该一体式导电螺栓包括在它的下部的螺杆部分，此部分用于穿过带中的孔。

明显地，此孔可以是攻螺纹的孔，使得螺栓的螺杆部分不从导电带伸出，并且同时执行其紧固所述带的功能。因此，电绝缘护套可以和它的下部完全配合，该电绝缘护套可安置成围绕所述带。

-导电带的厚度为e，宽度为l，螺杆的横截面积至少等于e×l。

优选地，螺杆的横截面积等于导电带的横截面积。为了有效地传导雷电电流，螺杆的直径至少为6.35mm。

-所述系统包括绝缘插入件，该绝缘插入件包括主体，并且能够包括头部，所述主体包括能够容纳雷电导引元件的空心部，

此绝缘插入件使得能够确保复合结构、将雷闪引向此结构的元件和导电带之间的机械连接。

-所述系统包括用于覆盖导电带的电绝缘护套。

因此，所述系统优选地包括用于形成至少包封所述导电带及其绝缘护套的基体的非导电胶。

-所述系统包括导电球，该导电球用于安置在所述结构的外表面上的凹部中，这些凹部在两个连续的紧固件之间基本对准，并规则地隔开，或并不是这样，以便促进所述将雷闪引向所述结构的元件之间的雷电弧的掠过。

-所述系统包括金属格栅，该金属格栅用于集成在壁的厚度中，所述壁限定所述结构的外表面，因此，此格栅用于与雷电导引元件电接触。

本发明还涉及一种具有用于承受气流的外表面的复合结构。根据本发明，这种复合结构装配有如上所述的雷电保护系统，且这种复合结构的外表面是非金属的，所述导引元件的上部安置成与复合结构的外表面在基本相同的高度处。

因此，这种复合结构包括至少一个导电带以及将此带紧固于所述结构的紧固件，该紧固件容纳在复合结构的为此目的而设置的孔中。紧固件的至少一部分包括将雷闪引向所述结构的元件，这种导引元件插到相应的孔中，其中它的上部大致在结构的外表面的高度处。另外，此导引元件与导电带电接触，该导电带被安置在所述结构的与此外表面相对的一侧上，并被接地。

“上部大致在结构的外表面的高度处”表示此上部在与所述结构的外表面相同的高度处，即，导引元件的上端在结构的外表面的高度处，或与结构的外表面连续，以接近组装公差。

在此复合结构的不同的具体实施方式中，每一种都有其具体的优点，并能够具有多种技术组合：

-此导电带的导引元件以带状形式布置，

-此导引元件基本对准并规则地隔开，或者并不是这样。

对于装配有此雷电保护系统的雷达天线罩，导引元件的这种对准能够有利地限制所述元件的有可能形成对雷达波的无线电屏障的表面面积。

-此结构是是单片的，或者包括至少两个壁，该两个壁分别布置在芯部的相对的外表面上。

-所述复合结构包括导电球，该导电球被安置在此结构的外表面上的凹部中，这些凹部在两个连续的紧固件之间基本对准，并规则地隔开，或并不是这样，以促进清除所述将雷闪引向所述结构的元件之间的雷电弧。

-所述结构由绝缘材料制成，并仅包括所述雷电导引元件、所述导电带以及可能的作为导电元件的所述球。

因此，当复合结构被雷电击中时，电流在表面上行进，而没有穿过此结构，直到它遇到最近的导引元件和相关联的导电带为止。另外，尽可能地减少能够形成雷达波的无线电屏障(radio barrier)的元件。

-对于每个雷电导引元件，所述复合结构包括绝缘插入件，该绝缘插入件包括主体，且能够包括头部，所述主体包括容纳雷电导引元件的空心部。

此绝缘插入件使得能够确保复合结构、将雷闪引向此结构的元件以及导电带之间的机械连接。

-所述复合结构包括用于覆盖导电带的电绝缘护套。

本发明还涉及一种面板，该面板包括至少一种如上所述的单片的复合结构。

“单片”表示由单层制成或由彼此直接关联或固定的多层构成的片或板，而没有像夹层结构的情况那样插入轻质芯部，例如多孔材料。

在具体的实施方式中，此单片的复合面板包括形成面板的外壁的第一外皮，以及形成面板的内壁的第二外皮。构成面板的外皮例如由复合材料制成。

本发明还涉及一种面板，该面板包括分别布置在芯部的相对的外表面上的至少两个壁，此面板装配有如上所述的雷电保护系统。

所述芯部可以由多孔材料制成，例如蜂窝材料或泡沫材料。

本发明涉及一种装有至少一个如上所述的面板的雷达天线罩。

本发明涉及一种装有至少一个如上所述的面板的飞行器。

更一般地，本发明涉及一种将雷电保护系统安装在复合结构上的方法，该复合结构具有用于承受气流的外表面，所述系统包括至少一个导电带以及将此带紧固于所述结构的紧固件。

根据本发明，所述导电带安装在所述结构的与此外表面相对的一侧上。

优选地，所述紧固件的至少一部分包括将雷闪引向所述结构的元件，且所述结构包括用于容纳这些紧固件的孔，所述导引元件置于所述孔中，使得每个导引元件的上部被安置成大致在所述结构的外表面的高度处，这些导引元件与导电带电接触，且此外表面是非金属的。

附图说明

参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出安装在雷达天线罩的面板上的根据现有技术的耗散雷电能量的装置的实施方式，图1a)示出此面板的横截面图，图1b)示出此面板的局部立体图，该局部立体图示出在它的表面的气流；

图2是根据本发明的第一实施方式的装配有雷电保护系统的面板的横截面示意图；

图3是示出图2的面板的表面上的气流的局部立体图；

图4是根据本发明的第二实施方式的装配有雷电保护系统的面板横截面示意图；

图5是根据本发明的第三实施方式的装配有雷电保护系统的面板横截面示意图。

具体实施方式

图2和图3示出根据本发明的第一实施方式的装配有雷电保护系统的面板。该面板包括夹层结构，该夹层结构具有中央部，该中央部带有两个壁10、11，该两个壁10、11分别布置在蜂窝芯部12的相对的外表面上。

这些壁10、11是由复合材料制成的框架。出于非限制性目的，复合材料可以选自包括以下材料的组：玻璃复合材料、硅复合材料、石英复合材料、玄武岩复合材料、芳香族聚酰胺纤维或具有合适介电性能的任何其它复合材料。

蜂窝芯部12例如由芳香族聚酰胺制成。实际上，芳香族聚酰胺纤维具有低可燃性、对断裂的较高的抵抗力以及较高的弹性模量。

此面板是构成雷达天线罩的元件，且它的上壁10一一该上壁10称为外壁一一暴露于气流。

所述面板装配有雷电保护系统，该雷电保护系统包括具有纵向轴线14的导电带13和将此带13紧固于面板的紧固件。

导电带13的横截面取决于两个条件，即，对使用材料的选择和这些带对无线电性能的影响。仅出于示例的目的，现有技术中允许雷电电流在所述带中较好地通过的最低要求是铜带为20mm²，铝带为30mm²。

在具体的实施方式中，铜带的常规尺寸是宽l为8mm，厚度e为2.5mm的矩形的横截面s(s＝l×e＝20mm²)。

更一般地，将导电带移到内部允许其厚度增加，结果导电带可以更窄。因此，当具有厚度e和宽度l时，所述带13具有可供电流较好地通过的足够的横截面积s，同时该厚度e和宽度l通过从雷达天线看过来缩小的所述带的横截面积而提高了雷达天线罩的无线电透明性。

每个紧固件包括将雷闪引向面板的元件15，该元件15插入面板厚度中的为此目的而设置的孔中。

在这里，将雷闪引向面板的元件15是一体式的导电螺栓，所述一体式的导电螺栓包括在它的下部的螺杆部分17，此螺杆部分17用于穿过导电带13中的孔，使得螺母18确保它的紧固，该螺母18形成紧固件的一部分，并与此带的相对的表面接触。因此，附连元件15与导电带13电接触。

此导电螺栓15包括将下部17连接于它的上部19的中间圆柱部分。此上部19呈现倒置的截头圆锥形，使得此圆锥部分的基部形成导电螺栓的上部外表面。导电螺栓15可以由金属材料制成，所述金属材料选自包括铜、不锈钢和铝的组。

导电螺栓15被置于面板的孔中，从而它的上部19与面板的外壁10平齐，即，此上部外表面在与面板的外表面10相同的高度处。因此，面板上产生的气流20只“看到”基本一致的表面，且此流动因此可以保持为层流(图3)。

为了避免在面板的内部结构上的任何限制，并为了使保护雷达天线罩的雷达天线的导电螺栓15部分绝缘，导电螺栓15至少部分容纳在用作绝缘元件的插入件16中。此插入件16例如可以由绝缘塑料，例如聚醛树脂/缩醛树脂(acetal resin)制成。由Dupont de Nemours售卖的尤其适合于本发明。

此插入件16包括主体和头部21，该头部21用于在面板的下壁11和导电带13之间形成绝缘机械界面。主体呈现内部空心的形状，该形状与导电螺栓15的轮廓相适应。

因此，导电带13被置于面板的内侧面，使得此带被置于雷达天线罩的内部，且不再扰乱面板的外表面上的气流。

紧固导电带13的导电螺栓15优选地沿着它的纵向轴线14放置。导电带13在雷达天线罩的基部上连接于飞机机身的地线。

导电带13有利地被电绝缘护套(未示出)包围以便避免任何电弧引向位于雷达天线罩(雷达天线或其它部件)下的元件上。仅仅为了说明，此电绝缘护套是热塑性护套或特氟隆护套。

图4是根据本发明的优选实施方式的装配有雷电保护系统的面板的横截面图。具有和图2中的附图标记的相同的附图标记的元件表示相同的物件。图4中的面板与图2中的面板的不同之处在于，金属螺栓15的螺杆部分17、插入件的头部21、螺母18、导电带13和它们的绝缘护套被置于由诸如载有绝缘颗粒的胶的非导电胶形成的基体23上。在后面的情况下，它可以是硅化胶。

图5是根据本发明的第三实施方式的装配有雷电保护系统的面板的部分立体图。具有和图2中的附图标记的相同的附图标记的元件表示相同的物件。图5中的面板与图2中的面板的不同之处在于，限定面板的外表面的壁10包括在它厚度中的金属格栅24。此格栅24与将雷闪引向面板的元件15电接触。

通常外皮10包括层组件，金属格栅24置于此外皮的第一外层下面，该外皮10沿着导电带13纵向延伸。此格栅24可以由青铜制成。

另外，雷电保护系统可以包括一个或多个球(pellet)带25，每个球带都包括并排的小尺寸导电球，例如金属球，通常直径为5mm，该球带基本对准且通常以1至3mm的小间隙隔开。

置于两个将雷闪引向面板的元件15之间的每个球带允许通过电离每个球之间的空气而引导雷电弧。

Claims (13)

1.一种具有用于承受气流(20)的外表面(10)的用于雷达天线罩的复合结构，其特征在于，

所述复合结构装配有雷电保护系统，所述雷电保护系统包括至少一个导电带以及将该带紧固于所述复合结构的紧固件，所述紧固件的至少一部分包括将雷闪引向所述结构的元件，

所述复合结构包括多个层且载有构造成接纳所述紧固件的孔，所述用于导引雷闪的元件构造成被插入所述孔中的一个孔，所述导引元件的上部基本在所述结构的所述外表面的高度处，所述外表面是非金属且由所述结构的最外面的层形成，

所述用于导引雷闪的元件与所述导电带电接触，所述导电带构造成安置在所述复合结构的与所述外表面相对的一侧上，并被接地。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述导电带(13)的所述导引元件(15)以带状形式布置。

3.根据权利要求1或2所述的结构，其特征在于，所述导引元件(15)基本对准并规则地隔开，或者不对准且不规则隔开。

4.根据权利要求1至2中的任意一项所述的结构，其特征在于，所述结构是单片的，或者包括至少两个壁(10，11)，所述两个壁(10，11)分别布置在芯部(12)的相对的外表面上。

5.根据权利要求1至2中的任意一项所述的结构，其特征在于，所述结构由绝缘材料制成，且只包括所述雷电导引元件(15)、所述导电带(13)以及能够作为导电元件的球(22)。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的结构，其特征在于，所述雷电保护系统包括用于覆盖所述导电带(13)的电绝缘护套。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的结构，其特征在于，所述雷电系统包括用于形成基体(23)的非导电胶，所述基体(23)至少包封所述导电带(13)及其绝缘护套。

8.根据权利要求1至2中的任意一项所述的结构，其特征在于，所述结构包括在其外表面(10)上的凹部，所述雷电保护系统包括所述导电球(25)，所述导电球(25)用于安置在所述凹部中，所述凹部在两个连续的紧固件之间基本对准并规则地隔开，或者不对准和规则地隔开，以便于所述将雷闪引向所述结构的元件(15)之间的雷电弧的掠过。

9.根据权利要求1至2中的任意一项所述的结构，其特征在于，所述雷电保护系统包括金属格栅(24)，所述金属格栅(24)用于集成在壁(10)的厚度中，所述壁(10)限定所述结构的所述外表面，因此，所述格栅(24)用于与所述雷电导引元件(15)电接触。

10.根据权利要求1至2中的任意一项所述的结构，其特征在于，所述将雷闪引向所述结构的元件(15)是一体式导电螺栓，该一体式导电螺栓的下部包括螺杆部分(17)，所述部分用于穿过所述导电带(13)中的孔。

11.一种面板，所述面板包括至少一个根据权利要求1至10中的任意一项所述的用于雷达天线罩的复合结构。

12.一种雷达天线罩，所述雷达天线罩装有至少一个根据权利要求11所述的面板。

13.一种飞行器，所述飞行器装有至少一个根据权利要求11所述的面板。

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