CN104218333B - 一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，该结构从外至内依次涵盖热防护层、防静电热控涂层、金属格栅层、碳纤维复合材料层、仪器安装板、热控流体回路、充排气通风管路和飞行器框架结构。通过在飞行器碳纤维复合材质蒙皮和框架结构中预埋导电格栅网，按照总装工序依次完成飞行器各部分格栅网等电位搭接，并在飞行器蒙皮表面喷涂防静电热控涂层；与此同时，利用热控流体回路和充排气通风管路贯穿于飞行器前中后舱的布局特点和导电特性，将其与设备安装板共形设计并进行电位搭接，飞行器仪器设备与其安装板进行等电位搭接。以上提出的碳纤维复合材料等电位结构，实现了碳纤维复合材料飞行器各组成部分间良好的电气导通，解决了飞行器等电位技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，属于飞行器电气及结构设计技术领域。
背景技术
伴随着飞行器的快速发展，传统的金属结构逐渐被复合材料所代替，尤其是碳纤维复合材料在刚度和强度方面的出色表现，越来越高比例的碳纤维复合材料应用在有人和无人飞行器上。随着飞行器智能化水平和要求的不断提高，飞行器上电气化设备呈现出小型化、分布式、网络化、高比例的特点，同时，飞行器电气设备也具有易受干扰的致命缺点。在高速飞行时，飞行器与大气摩擦产生静电荷，当不断聚集的静电荷超过一定阈值，就会产生瞬间放电现象甚至产生火花，该过程称为“电晕放电”。电晕放电可能对飞行器上电气设备造成静电击穿和电磁脉冲干扰等不良影响。因此，在复合材料比例较高的前提下，如何实现飞行器等电位设计和电磁屏蔽设计将成为各方研究的重点内容。
国内外各类飞行器(包括有人和无人)，例如：我国的“双六”、神舟飞船等，美国的航天飞机、X-37B等，都采用了较高比例的复合材料作为飞行器结构材料，均面临复合材料等电位设计的共性技术难题。
发明内容
本发明所解决的问题是:克服现有技术的不足，提供了一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，全面解决碳纤维复合材料全飞行器等电位设计的关键技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，包括：热防护层、第一金属格栅层、碳纤维复合材料层、仪器安装板、热控流体回路、充排气通风管路、防静电热控涂层、飞行器框架结构和第二金属格栅层；
热防护层、金属格栅层、碳纤维复合材料层和防静电热控涂层共同组成飞行器的蒙皮，碳纤维复合材料层为蒙皮最内层，金属格栅层覆盖在碳纤维复合材料层的外表面，且与碳纤维复合材料层一体成型，防静电热控涂层喷涂在金属格栅层的表面，热防护层为飞行器蒙皮的最外层；
飞行器框架结构采用碳纤维复合材料，其外表面包覆有第二金属格栅层，飞行器框架结构与碳纤维复合材料层固定连接，且第一金属格栅层和第二金属格栅层电连通；仪器安装板为金属材料，固定在飞行器框架结构上，仪器设备固定在仪器安装板上且仪器设备与仪器安装板电连通，热控流体回路和充排气通风管路均为金属材质，热控流体回路和充排气通风管路均经过所有仪器安装板且与所有仪器安装板接触，热控流体回路通过其中流动的工质将仪器设备散发的热量带走，充排气通风管路通过其中流动的冷空气将仪器设备散发的热量带走，热控流体回路和充排气通风管路均与仪器安装板电连通，且充排气通风管路与第一金属格栅层电连通。
所述第一金属格栅层与碳纤维复合材料层共形。
所述第一金属格栅层和第二金属格栅层中的每个格栅均为正方形，且边长与飞行器内部无线设备的最小工作波长相同。
热控流体回路与充排气通风管路经过仪器安装板的部分与仪器安装板共形。
所述第一金属格栅层和第二金属格栅层均采用铜或铝。
所述热控流体回路内的工质采用全氟环醚。
所述热防护层采用C/C或者C/SiC隔热材料。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用在碳纤维复合材料中预埋导电格栅和对复合材料蒙皮进行防静电热控涂层喷涂方案，与复合材料中掺杂或者复合材料表面喷涂铝层的传统方案相比，有利于降低复合材料总质量，还改善了碳纤维复合材料的强度。
(2)本发明解决了碳纤维复合材料高占比飞行器的等电位关键技术问题，实现了高占比碳纤维复合材料飞行器等电位设计方案。同时采用了“复合材料预埋导电格栅+防静电热控涂层”和“热控流体回路+充排气通风管路”的两类双冗余设计方案，既提高了飞行器碳纤维复合材料等电位设计效果，又改善了飞行器等电位设计的可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构示意图中A处局部放大图；
图3为本发明结构示意图中B处局部放大图；
图4为本发明导电格栅示意图；
图5为充排气通风管路和热控回路电位搭接示意图；
图6为本发明仪器设备金属搭接示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，采用了“复合材料预埋导电格栅+防静电热控涂层”和“热控流体回路+充排气通风管路”等电位设计方法，实现了飞行器由外到内多处碳纤维复合材料以及复合材料与仪器设备间的全面电位搭接。该结构可以有效地提高新型飞行器碳纤维复合材料的良好电导率特性，解决了飞行器“三舱段”式的拼接装配和孤立分布的仪器安装板所致的电位不连续性技术问题，实现了碳纤维复合材料飞行器等电位设计关键问题，改善了碳纤维复合材料飞行器在高速飞行中“电晕放电”而导致的电气设备静电击穿和电磁脉冲干扰等恶劣环境，为该新型飞行器仪器设备正常工作提供保证。
如图1、图2和图3所示，本发明提供的等电位结构，包括：热防护层1、第一金属格栅层2、碳纤维复合材料层3、仪器安装板4、热控流体回路5、充排气通风管路6、防静电热控涂层7、飞行器框架结构8和第二金属格栅层9；
热防护层1、金属格栅层2、碳纤维复合材料层3和防静电热控涂层7共同组成飞行器的蒙皮，碳纤维复合材料层3为蒙皮最内层，金属格栅层2覆盖在碳纤维复合材料层3的外表面，且与碳纤维复合材料层3一体成型，防静电热控涂层7喷涂在金属格栅层2的表面，热防护层1为飞行器蒙皮的最外层；所述第一金属格栅层2与碳纤维复合材料层3共形。
具体而言，利用碳纤维复合材料的生产工艺，在飞行器碳纤维复合材质蒙皮和框架结构生产过程中，将共性设计的导电格栅网预埋到碳纤维复合材料表面，每块金属格栅网预留出了多处金属搭接片，该方法实现了单独碳纤维复合材料等电位设计；按照总装工序，依次完成飞行器相邻各部分格栅网等电位搭接，实现飞行器整机碳纤维复合材料等电位搭接。在此基础上，采用涂层喷涂技术完成飞行器复合材料蒙皮防静电热控涂层喷涂，该涂层被蒙皮最外层的热防护材料进行防隔热保护，实现飞行器电位连续性的增强设计。“复合材料预埋导电格栅+防静电热控涂层”方案实现了飞行器结构机体的等电位设计。
如图4所示，第一金属格栅层2和第二金属格栅层9中的每个格栅均为正方形，且边长与飞行器内部无线设备的最小工作波长相同。所述第一金属格栅层2和第二金属格栅层9均采用铜或铝。所述热防护层1采用C/C或者C/SiC隔热材料。
飞行器框架结构8采用碳纤维复合材料，其外表面包覆有第二金属格栅层9，飞行器框架结构8与碳纤维复合材料层3固定连接，且第一金属格栅层2和第二金属格栅层9电连通；仪器安装板4为金属材料，固定在飞行器框架结构8上，仪器设备固定在仪器安装板4上且仪器设备与仪器安装板4电连通，热控流体回路5和充排气通风管路6均为金属材质。
如图5所示，热控流体回路5和充排气通风管路6均经过所有仪器安装板4且与所有仪器安装板4接触，热控流体回路5通过其中流动的工质将仪器设备散发的热量带走，充排气通风管路6通过其中流动的冷空气将仪器设备散发的热量带走，热控流体回路5和充排气通风管路6均与仪器安装板4电连通，且充排气通风管路6与第一金属格栅层2电连通。热控流体回路5与充排气通风管路6经过仪器安装板4的部分与仪器安装板4共形。所述热控流体回路5内的工质采用全氟环醚。全氟环醚具有较低的凝固点和较高的沸点；导热系数大，确保对流换热系数大，减小换热面积；粘度低，减小管内流动压力损失；比热大，密度小，减轻重量等特点。
具体而言，根据飞行器“三舱式”结构布局特点(前舱、中舱、后舱)以及热控流体回路和充排气通风管路贯穿于前中后舱的布局特点和导电特性，利用等电位金属搭接技术，将热控流体回路和充排气通风管路与设备安装板结合处共形设计并预留若干金属搭接点，通风管路和流体回路与飞行器机体复合材料良好搭接，实现飞行器各舱段之间和各仪器安装板之间的等电位设计；除此之外，飞行器上所有仪器设备通过铜带和金属搭接线实现与仪器设备安装板的金属搭接。“热控流体回路+充排气通风管路”等电位设计方案，实现飞行器全机内部仪器设备的等电位设计以及与碳纤维复合材料框架结构的等电位连接。
在飞行器飞行过程中，仪器设备工作产生的热量传递给仪器设备安装板，流经仪器设备安装板热控流体回路中的液态流体，吸收掉仪器设备安装板中的热量，并将该部分热量输送到需要增温的地方。依靠气化吸收热量和液化释放热量的原理实现飞行器设备舱内热量的交换。
当飞行器高速进场着陆后，飞行器舱内温度还会随着时间持续升高，为了快速冷却舱内温度环境以免对设备造成损害，地面通风设备通过充排气通风管路对飞行器舱进行输送冷风操作，实现短时间内将热量带走的目的。
如图6所示，仪器设备安装板为金属材质，其上的所有仪器设备与仪器设备安装板进行良好电连接，部分无法安装在仪器设备安装板上的仪器设备需通过金属铜带和金属搭接线与仪器安装板电连接。金属搭接线材质采用铜线。
Claims (7)
1.一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于包括：热防护层(1)、第一金属格栅层(2)、碳纤维复合材料层(3)、仪器安装板(4)、热控流体回路(5)、充排气通风管路(6)、防静电热控涂层(7)、飞行器框架结构(8)和第二金属格栅层(9)；
热防护层(1)、第一金属格栅层(2)、碳纤维复合材料层(3)和防静电热控涂层(7)共同组成飞行器的蒙皮，碳纤维复合材料层(3)为蒙皮最内层，第一金属格栅层(2)覆盖在碳纤维复合材料层(3)的外表面，且与碳纤维复合材料层(3)一体成型，防静电热控涂层(7)喷涂在第一金属格栅层(2)的表面，热防护层(1)为飞行器蒙皮的最外层；
飞行器框架结构(8)采用碳纤维复合材料，其外表面包覆有第二金属格栅层(9)，飞行器框架结构(8)与碳纤维复合材料层(3)固定连接，且第一金属格栅层(2)和第二金属格栅层(9)电连通；仪器安装板(4)为金属材料，固定在飞行器框架结构(8)上，仪器设备固定在仪器安装板(4)上且仪器设备与仪器安装板(4)电连通，热控流体回路(5)和充排气通风管路(6)均为金属材质，热控流体回路(5)和充排气通风管路(6)均经过所有仪器安装板(4)且与所有仪器安装板(4)接触，热控流体回路(5)通过其中流动的工质将仪器设备散发的热量带走，充排气通风管路(6)通过其中流动的冷空气将仪器设备散发的热量带走，热控流体回路(5)和充排气通风管路(6)均与仪器安装板(4)电连通，且充排气通风管路(6)与第一金属格栅层(2)电连通。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：所述第一金属格栅层(2)与碳纤维复合材料层(3)共形。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：所述第一金属格栅层(2)和第二金属格栅层(9)中的每个格栅均为正方形，且边长与飞行器内部无线设备的最小工作波长相同。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：热控流体回路(5)与充排气通风管路(6)经过仪器安装板(4)的部分与仪器安装板(4)共形。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：所述第一金属格栅层(2)和第二金属格栅层(9)均采用铜或铝。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：所述热控流体回路(5)内的工质采用全氟环醚。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料飞行器等电位结构，其特征在于：所述热防护层(1)采用C/C或者C/SiC隔热材料。
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