CN105374481A - 用于形成闪电保护系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于形成闪电保护系统的方法和设备。提供了一种形成供航空器使用的闪电保护系统的方法。该方法包括选择至少一个导电材料层的配置以应用于航空器的部件，其中，基于向该部件提供的闪电保护的量来选择该配置。该方法还包括通过附加制造技术将至少一个导电材料的层应用于该部件。

Description

用于形成闪电保护系统的方法和设备
技术领域
本公开的领域总体上涉及一种闪电保护系统(lightningprotectionsystem)，并且更具体地涉及通过额外的制造技术被应用于结构的闪电保护系统。
背景技术
在某些运行状况下，至少一些熟知的航空器容易受到闪电袭击。近来，已由诸如碳纤维增强聚合物(CFRP)的非金属复合材料的多层片状结构制作至少一些熟知的航空器部件。不同于由金属材料所制造的航空器部件，复合部件一般不会轻易将由闪电袭击所产生的极端电流和电磁力引导至远处。为了确保飞行安全，实施复合部件的航空器可配备有闪电袭击保护(LSP)组件(feature)。例如，导电介质可被设置在复合部件的表面上或嵌入在复合部件中，以使电流转移远离金属紧固件或其他飞行关键部件。
可以以各种配置制造至少一些已知的导电介质，并随后设置在复合部件的板层(ply)的表面上或嵌入其间。然而，当应用于复合部件的表面时，导电介质与复合部件之间表面不一致可能需要在导电介质上应用过量的面浆材料(surfacermaterial)以确保部件的表面基本上是均匀的。此外，至少一些已知的导电介质容易受到诸如其定向电阻率不均匀的其他制造问题的影响。在至少一些CFRP系统中，至少一些已知的导电介质还可能容易受到微裂纹(microcracking)的影响。因而，用于闪电袭击保护系统的导电介质的现有制造方法会增加制造出的航空器的重量或制造时间、会难以整合在复合部件中和/或可能具有使复合部件的使用寿命减少的一个或多个特性。
针对这些和其它考虑提出了本文中所创作的公开内容。
发明内容
在一个方面中，提供了一种形成供航空器使用的闪电保护系统的方法。该方法包括选择应用于航空器的部件的至少一个导电材料层的配置，其中，基于向所述部件提供的闪电保护的量来选择配置。该方法还包括通过附加制造技术将至少一个导电材料层应用于该部件。
在另一方面中，提供了一种用于形成供航空器使用的闪电保护系统的设备。闪电保护系统包括应用于航空器的部件的至少一个导电材料层。该设备包括端部执行器(endeffector)以及耦接至该端部执行器的印刷装置(printingdevice)。该印刷装置被配置为朝向该部件释放金属膏(metalpaste)或浆料(metalpaste)材料的流体(flow)以在该部件上形成至少一个导电材料层。
在又一个方面中，提供了一种修复耦接至部件的闪电保护系统的方法。该方法包括识别该闪电保护系统的损坏部分；选择在损坏部分的位置处应用于该部件的至少一个导电材料层的配置；以及通过附加制造技术将该至少一个导电材料层应用于该部件。
附图说明
图1是示例性航空器制造和保养方法的流程图。
图2是示例性航空器的框图。
图3是示例性航空器的俯视平面图。
图4是可以与在图3中所示出的航空器一起使用的示例性部件的示意性截面图。
图5是用于在形成图4中所示出的闪电保护系统的过程中所使用的示例性附加制造设备的示意图。
具体实施方式
例如，在本文中所描述的实施方式涉及形成供航空器使用的闪电保护系统的设备和方法。更具体地，闪电保护系统包括通过附加制造技术将至少一个导电材料层应用于航空器的部件。利用附加制造技术施加导电材料使得制造商能够选择要施加于航空器的层的位置和/或配置。例如，选择在沿着航空器的不同位置处的导电材料的材料和/或设计，以确保在不同位置处提供预定量的闪电保护。因而，在本文中所描述的设备和方法的示例性技术效果包括下列各项中至少一个：a)具有基于欲向其提供的期望的闪电保护的量而在航空器的预定区域上印刷闪电保护组件的能力；b)改善导电材料层中的表面均匀性；c)通过减少要施加于导电材料的当下的平滑层上的表层涂料的量来减轻航空器的总重量；d)具有直接在航空器上印刷高度不可延展的(immalleable)并且通常难以共同工作的导电材料的能力；e)增大导电材料层的定向电阻率的均匀性；以及f)以例如便于减少层的微裂纹的用户设计来印刷导电材料层。在本文中所描述的设备和方法还可用于修复现有的闪电保护系统。
如上所述，当与先前已知的闪电保护系统相比，在本文中所描述的设备和方法的技术效果是减少施加于导电材料层上的表层涂料的量。例如，至少一些先前已知的导电介质(诸如金属箔)具有这样的粗糙度和厚度：使施加在金属箔上的面浆材料的单位重量处于约每平方英尺0.03磅与约每平方英尺0.06磅之间的范围内，并且厚度处于约0.005英寸与约0.008英寸之间的范围内。利用附加制造技术来施加导电材料总体上会使将要施加于本文中所描述的导电介质上的面浆材料的单位重量减小至约每平方英尺0.01磅与约每平方英尺0.02磅之间的范围内，并且厚度处于约0.001英寸与大约0.002英寸之间的范围内。此外，在一些实施方式中，诸如当由钛基材料制作导电介质时，可以完全省略面浆材料。
参照附图，可以在(图1中示出的)航空器制造和保养方法100的上下文中并且通过(在图2中示出的)航空器102来描述本公开的实施方式。在预制造期间，可以使用包括航空器102的规格(specification)和设计104数据，在制造过程期间，可以采购106与机身相关联的其他材料。在生产过程中，在航空器102进入它的验证与交付过程112之前，进行航空器102的部件和子组件制造108以及系统集成110。当成功满足并完成机身验证时，航空器102可以投入使用114。当由用户使用时，对航空器102进行周期性的、例行的以及有计划的维修和保养116，例如，包括任何改进、重配置和/或整修。在可替换的实施方式中，可以通过除了航空器之外的平台来实施制造和保养方法100。
可以通过系统集成商(systemintegrator)、第三方和/或操作者(例如用户)执行或者完成与航空器制造和/或保养100有关的各个部分和过程。为了该描述的目的，系统集成商可包括但不限于任意数量的航空器制造商和主系统分包商；第三方可包括但不限于任意数量的承包商、分包商以及供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事企业、服务机构等。
如在图2中所示，通过方法100所生产的航空器102可以包括具有多个系统120的机身118以及内部122。高级系统120的实例包括推进系统124、电力系统126、液压系统128和/或环境系统130中的一个或多个。任意数量的其他系统可以被包含在内。
可以在方法100的任何一个或多个阶段期间采用本文中所实例化的设备和方法。例如，在航空器102投入使用114时，可以以与已生产的部件或者子组件相类似的方式制备或者制造与部件和子组件生产过程108相对应的部件或者子组件。此外，例如，可以通过显著加快航空器102的组装和/或降低航空器102组装成本而在生产阶段108和110期间利用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或其组合。类似地，可以在对航空器102进行保养或维护时，例如在有计划的维护和保养116过程中利用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或其组合。
如本文中使用的，所述术语“航空器”可以包括但不限于仅包括飞机、无人飞行器(UAV)、滑翔机、直升机和/或任何在空中行驶的其它物体。此外，在可替换的实施方式中，可以在任何制造和/或保养操作中使用本文中所描述的航空器制造和保养方法。
图3是航空器102的俯视平面图。在示例性实施方式中，航空器102包括多个区域，诸如机翼区域132、翼梢区域134、机头区域136、机身区域138、尾部区域140以及引擎机舱(enginenacelle)142。如下面将更详细地描述，一个或多个这些区域中的结构部件包括闪电保护组件，以便如果发生闪电袭击有助于减小对航空器102的破坏。还可在航空器102的容纳电敏部件(electricallysensitivecomponent)的区域中设置闪电保护组件。
图4是示例性部件200的示意性截面图，该部件200可以与(在图3中示出的)航空器102一起使用。部件200位于区域132至140中任一个或引擎机舱142中。在示例性实施方式中，部件200包括基板202；耦接至基板202的闪电保护系统204；应用于闪电保护系统204的面浆材料层206；以及应用在层206上的涂饰材料(finishingmaterial)层208。涂饰材料通常由底漆/外涂层组合物制作，但还可以是贴花的(appliqué)、有或者没有拉条(riblet)，从而改善空气动力性能。闪电保护系统204包括直接或间接地应用于基板202的导电材料的层210。如下面将更详细地描述，在一些实施方式中，将绝缘材料的层212放置在层210与基板202之间。
可由使部件200起到如本文中所描述的作用的任何材料来制作基板202。例如，在示例性实施方式中，由至少一个板层(未示出)复合材料来制作基板202。可替换地，由金属材料制作基板202并且闪电保护系统204为航空器102提供额外的闪电保护。此外，可由使部件200起到如在本文中所描述的作用的任何材料制作绝缘材料层212。具体地，由使减小部件200内的电腐蚀的材料来制作层212。例如，通常在用于制作基板202和层210的材料具有沿阳极指数(Anodicindex)的不同级别的电极电势时实现层212。阳极指数被用于基于在原电池(galvaniccell)中使用的各个材料的电极电势来确定材料是阳极或阴极的可能性。因此，由介电纤维材料制作层212，该介电纤维材料诸如是浸入有与用于制作基板202的材料相兼容的介电基质(dielectricmatrixmaterial，介电矩阵材料)的玻璃、石英、聚酯、酰胺纤维或聚酰胺。层212通过将导电材料层210与基板202分离而减少电化腐蚀(galvaniccorrosion)。可替换地，在用于制作基板202以及层210的材料是流电式且张力可兼容时，可从部件200省去层212。
如下面将更详细地描述，基于设置至航空器102的区域132至140或引擎机舱142的闪电保护的量来选择层210的配置。更具体地，基于向其提供的期望的量和/或类型的闪电保护，各个区域中的层210可具有不同的配置。具体地，提供更大量的闪电保护的配置一般用在航空器102的容纳燃料的关键区域中，诸如机翼区域132、最容易直接受到闪电袭击影响的区域(例如，翼梢区域134和机头区域136)以及容纳电敏部件的区域。通常在航空器102的除关键区域之外的区域中使用提供较少的闪电保护的配置。层210的配置基于层210的属性而变化，该属性诸如是用于制作层210的材料、层210的厚度T和/或层210的设计中的至少一个。如下面将更详细地描述，不同的材料具有不同级别的导电性，闪电保护的量随着厚度T的增大而增大，并且层210可以被应用于各种设计中的基板202。用于制作层210的示例性材料包括但不限于铝、铜、黄铜、镍以及钛。
如上所述，提供给部件200的闪电保护的量至少部分基于该层210的设计。示例性设计包括但不限于完全的实心样式(solidpattern)、穿孔样式(perforatedpattern)以及网孔样式(meshpattern)。例如，在示例性实施方式中，层210包括延伸穿过该层的多个穿孔(perforation)214，因此面浆材料充分填充穿孔214。穿孔214有助于减轻层210的重量，使层210更容易处理并且有助于机械粘附至层212或基板202，但也减小了提供给部件200的闪电保护量。
可以基于位于闪电保护系统204下方的系统来选择由闪电保护系统204所提供的屏蔽需求。例如，机翼区域132通常包括金属紧固件，并且选择在这种区域上设置屏蔽，以预防通过紧固件传导闪电火花。因而，基本上为实心设计的层210一般用在具有多个电磁效应保护需求的航空器102的局部区域中，并且非实心设计(即，穿孔样式或网格样式)的层210一般用在期望闪电保护和经济可行性的航空器102的局部区域中。例如，将具有完全为实心样式的导电介质的层210应用于紧固件附近，并且然后逐渐将配置修改为在远离紧固件处的穿孔样式，这是节约成本的。此外，通过附加制造技术形成层210，使在部件200的使用寿命期间选择减少层210中产生微裂纹可能性的穿孔形状214。具体地，当与具有锐利拐角配置的穿孔相比，穿孔214具有基本上为圆形的外部轮廓，使得穿孔214内的面浆材料的应力集中(stressconcentration)减小。
图5是在形成闪电保护系统204的过程中所使用的示例性附加制造设备216的示意图。在示例性实施方式中，设备216例如包括耦接至机器人臂(未示出)的端部执行器(endeffector)218以及耦接至端部执行器218的印刷装置220。在一个实施方式中，印刷装置220被实例化为朝向基板202释放金属膏或浆料材料的流以形成层210的金属膏或浆料印刷装置。
在操作中，在印刷装置220向基板202施加金属膏或浆料时，机器人臂横跨基板穿过端部执行器218。具体地，在任意的上述配置中(例如，具有材料、厚度或设计的任意组合)，印刷装置220能够将金属膏或浆料涂覆至基板202。此外，如上所述，印刷装置220能够在区域132至140中的每一个和引擎机舱142处以不同的配置形成层210。印刷装置220还可以在区域132至140中的每一个和引擎机舱142处沿各个部件200在不同的位置处以不同的配置形成层210。因而，可以沿着航空器102形成用户设计的闪电保护系统204。
在一些实施方式中，在装配航空器102之前或航空器102被装配好之后，印刷装置220在基板202上形成层210。例如，可以在各个部件200被装配完以在形成航空器102之前在每个部件200上形成层210，或者可以装配部件200以形成航空器102并且随后向其应用层210。
在本文中还提供了耦接至部件200的闪电保护系统204的修复方法。该方法包括识别闪电保护系统204的损坏部分；选择在损坏部分的位置处应用于部件200的至少一个导电材料的层210的配置；以及通过附加制造技术将至少一个导电材料的层210应用于部件200。通过朝向部件200释放金属膏或浆料材料的流来应用该至少一个层210，以形成至少一个层210。该方法还包括选择与邻近于闪电保护系统204的损坏部分的未损坏部分基本对齐的至少一个导电材料的层210的配置。
此外，本公开内容包括根据以下项的实施方式：
1.一种形成供航空器使用的闪电保护系统的方法，所述方法包括：
选择应用于所述航空器的部件的至少一个导电材料层的配置，其中，基于向所述部件提供的闪电保护的量来选择所述配置；以及
通过附加制造技术将所述至少一个导电材料层应用于所述部件。
2.根据项1所述的方法，其中，应用至少一个层包括朝向所述部件释放金属膏或浆料材料的流以形成该至少一个层。
3.根据项1所述的方法，其中，选择所述配置包括选择所述至少一个导电材料层的材料、厚度或设计中的至少一个。
4.根据项1所述的方法，其中，选择所述配置包括：
将应用于所述部件的所述至少一个导电材料层的第一配置限定在所述航空器的关键区域中；以及
将应用于所述部件的所述至少一个导电材料层的第二配置限定在所述航空器的所述关键区域除外的区域中，其中，所述第一配置比所述第二配置提供更大量的闪电保护。
5.根据项4所述的方法，进一步包括定义所述航空器的所述关键区域，所述关键区域包括容纳燃料的区域、最容易受到闪电袭击的区域或者容纳电敏部件的区域中的至少一个。
6.根据项1所述的方法，进一步包括在所述至少一个导电材料层上应用至少一个面浆材料层。
7.根据项1所述的方法，进一步包括在所述部件与所述至少一个导电材料层之间放置至少一个绝缘材料层。
8.根据项1所述的方法，其中，应用所述至少一个层包括在所述至少一个导电材料层中形成多个穿孔，所述多个穿孔具有基本上为圆形的外部轮廓。
9.一种用于形成供航空器使用的闪电保护系统的设备，所述闪电保护系统包括应用于所述航空器的部件的至少一个导电材料层，所述设备包括：
端部执行器；以及
印刷装置，耦接至所述端部执行器，所述印刷装置被配置为朝向所述部件释放金属膏或浆料材料的流以在所述部件上形成所述至少一个导电材料层。
10.根据项9所述的设备，其中，所述印刷装置被配置为以基于提供给所述部件的闪电保护的量而选择的配置，来形成所述至少一个导电材料层。
11.根据项9所述的设备，其中，所述印刷装置被配置为以从包括所述至少一个导电材料层的材料、厚度或设计中的至少一个的属性选择的配置来形成所述至少一个导电材料层。
12.根据项9所述的设备，其中，所述印刷装置被配置为：
在所述航空器的关键区域处以第一配置在所述部件上形成所述至少一个导电材料层；以及
在所述航空器的所述关键区域除外的区域处以第二配置在所述部件上形成所述至少一个导电材料层，其中，所述第一配置比所述第二配置提供更大量的闪电保护。
13.根据项9所述的设备，其中，所述印刷装置被配置为形成具有延伸穿过所述至少一个导电材料层的多个穿孔的所述至少一个导电材料层，所述多个穿孔具有基本上为圆形的外部轮廓。
14.一种耦接至部件的闪电保护系统的修复方法，所述方法包括：
识别闪电保护系统的损坏部分；
选择在损坏部分的位置处应用于部件的至少一个导电材料层的配置；以及
通过附加制造技术将至少一个导电材料层应用于该部件。
15.根据项14所述的方法，其中，应用该至少一个层包括朝向部件释放金属膏或浆料材料的流以形成该至少一个层。
16.根据项14所述的方法，其中，选择配置包括选择与邻近于闪电保护系统的损坏部分的未损坏部分基本对齐的至少一个导电材料层的配置。
17.根据项14所述的方法，其中，选择配置包括选择至少一个导电材料层的材料、厚度或设计中的至少一个。
18.根据项14所述的方法，进一步包括在至少一个导电材料层上应用至少一个面浆材料层。
19.根据项18所述的方法，其中，应用至少一个面浆材料层包括以定义在约0.001英寸与约0.002英寸之间的范围内的厚度来应用该至少一个面浆材料层。
20.根据项14所述的方法，进一步包括在所述部件与所述至少一个导电材料层之间放置至少一个绝缘材料层。
该书面说明使用实例公开了各种实施方式，包括最佳的方式，并且还使任意本领域技术人员实践各种实施方式，包括制作和使用任意装置或系统并执行任意结合的方法。由权利要求限定本公开的可授予专利权的范围，并且可授予专利权的范围可包括本领域技术人员实施的其他实施例。如果它们具有与权利要求的字面语言不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实体差异的等同结构元件，那么这种其他实例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种形成供航空器(102)使用的闪电保护系统(204)的方法，所述方法包括：
选择应用于所述航空器的部件(200)的至少一个导电材料层(210)的配置，其中，基于向所述部件提供的闪电保护的量来选择所述配置；以及
通过附加制造技术将所述至少一个导电材料层应用于所述部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，应用所述至少一个导电材料层(210)包括朝向所述部件(200)释放金属膏或浆料材料的流体以形成所述至少一个导电材料层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述配置包括选择所述至少一个导电材料层(210)的材料、厚度或设计中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述配置包括：
将应用于所述部件(200)的所述至少一个导电材料层(210)的第一配置限定在所述航空器(102)的关键区域中；以及
将应用于所述部件的所述至少一个导电材料层的第二配置限定在所述航空器的所述关键区域除外的区域中，其中，所述第一配置比所述第二配置提供更大量的闪电保护。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括限定所述航空器(102)的所述关键区域，所述关键区域包括容纳燃料的区域、最容易受到闪电袭击的区域或者容纳电敏部件的区域中的至少一个。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括在所述至少一个导电材料层(210)上应用至少一个面浆材料层(206)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括在所述部件(200)与所述至少一个导电材料层(210)之间放置至少一个绝缘材料层(212)。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，应用所述至少一个导电材料层(210)包括在所述至少一个导电材料层中形成多个穿孔(214)，所述多个穿孔具有圆形的外部轮廓。
9.一种用于形成供航空器(102)使用的闪电保护系统(204)的设备，所述闪电保护系统包括应用于所述航空器的部件(200)的至少一个导电材料层(210)，所述设备包括：
端部执行器(218)；以及
印刷装置(220)，耦接至所述端部执行器，所述印刷装置被配置为朝向所述部件释放金属膏或浆料材料的流体以在所述部件上形成所述至少一个导电材料层。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述印刷装置(220)被配置为以基于提供给所述部件(200)的闪电保护的量而选择的配置，来形成所述至少一个导电材料层(210)。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述印刷装置(220)被配置为以从包括所述至少一个导电材料层的材料、厚度或设计中的至少一个的属性选择的配置，来形成所述至少一个导电材料层(210)。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，其中，所述印刷装置(220)被配置为：
在所述航空器(102)的关键区域处以第一配置在所述部件(200)上形成所述至少一个导电材料层(210)；以及
在所述航空器的所述关键区域除外的区域处以第二配置在所述部件上形成所述至少一个导电材料层，其中，所述第一配置比所述第二配置提供更大量的闪电保护。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，其中，所述印刷装置(220)被配置为形成具有延伸穿过所述至少一个导电材料层(210)的多个穿孔(214)的所述至少一个导电材料层，所述多个穿孔具有圆形的外部轮廓。
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