DE3686053T2

DE3686053T2 - Blitzschutzeinrichtung fuer leitende verbundwerkstoffstrukturen.

Info

Publication number: DE3686053T2
Application number: DE8686202176T
Authority: DE
Inventors: Rowan O Brick
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1986-06-06
Filing date: 1986-11-28
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2006-11-29
Also published as: EP0248122B1; DE3686053D1; EP0248122A3; US4755904A; EP0248122A2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Blitzschutzsystem in einem Flugzeug, umfassend die Kombination von einer inneren Trägerstruktur, einer Verbundmaterialstruktur, umfassend eine integrale Harzmatrix, verstärkendes faseriges Material, das in der Matrix eingebettet ist, wobei das faserige Material genügend fest ist, um vorbestimmte lasttragende Eigenschaften zu liefern, und ein foraminöses Metallmaterial, das in der Matrix eingebettet und auswärts von dem faserigen Material in einer äußeren Schicht der Verbundmaterialstruktur, die dem Blitzeintritt ausgesetzt ist, positioniert ist, wobei das Metallmaterial leitfähiger als das faserige Material ist, sich miteinander verbindende elektrische Wege zum Verteilen des Stroms vom Blitz über die äußere Schicht der Verbundmaterialstruktur bildet, und in direktem elektrischem Kontakt mit dem faserigen Material zum Verteilen des Stroms überall in der Verbundmaterialstruktur ist, und ein leitfähiges Befestigungsmittel zum Befestigen der Verbundmaterialstruktur an der Trägerstruktur, wobei das Metallmaterial zu dem Befestigungsmittel genügend naheliegend ist, um den Strom vom Blitz, der in das Befestigungsmittel eintritt, weg von dem Befestigungsmittel abzuleiten. Ein solches Blitzschutzsystem ist aus US-A-3 755 713 bekannt, welche ein System zum Kontrollieren von elektrostatischen Ladungen und Schützen einer nichtleitfähigen Verbundplatte oder aerodynamischen Oberfläche in einem Metallflugzeug vor der Verwundbarkeit durch Blitzschläge offenbart. Das System umfaßt Aluminiummaschendraht, der in Harz auf der äußeren Oberfläche der Platte eingebettet ist. Das Drahtgitter erstreckt sich um die Ränder der Platte an Grenzflächen mit der Metallstruktur und ist dahingehend beschrieben, daß es aus dem gleichen Material wie der Rest des Flugzeugs ist, um Korrosion zu verhindern. Es sind mit Gewinde versehene Metallbefestigungselemente gezeigt, die sich durch die das Drahtgitter enthaltende Schicht erstrecken, wobei sich das Gitter um das Ende der Platte und entlang von deren innerer Oberfläche an dem Befestigungselement vorbei erstreckt oder sich von der oberen Oberfläche entlang dem Versenkungsbereich des Befestigungselements in das nichtleitfähige Verbundmaterial erstreckt.
Konventionelle Aluminiumflugzeugstrukturen haben typischerweise inhärenten Blitzschutz. Eine Aluminiumhaut hat gleichförmige und vorhersagbare Materialeigenschaften, die eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit umfassen. Demgemäß kann ein Schutz gegen Hautdurchbruch durch Blitz einfach durch Dimensionierung der Hautdicke vorgesehen werden. Außerdem ist in konventionellen Installationen ein sehr niedriger elektrischer Widerstand an den Befestigungselement/Aluminiumhaut-Grenzflächen vorhanden, und dieser niedrige Widerstand ermöglicht es, daß ein sehr hoher Stromtransport bei minimaler Erhitzung auftritt. Diese hohe Stromtransportfähigkeit verhindert es, daß die extrem hohen Stromdichten, die an einer Befestigungselement-zur-Haut- Grenzfläche erzeugt werden, wenn ein Blitzkanal in einen Befestigungselementkopf eintritt, eine Funkenbildung um das Befestigungselement herum bewirken. Eine solche Funkenbildung würde eine Gefahr des Zündens von Materialien innerhalb der Flugzeughaut darstellen.
Das Vorsehen von Blitzschutz für leitfähige Verbundmaterialstrukturen, wie kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe, ist viel schwieriger und komplizierter als das Vorsehen von Schutz für Aluminiumstrukturen. Leitfähige Verbundmaterialien sind nichthomogen und sind beträchtlich weniger leitfähig als Aluminium. In einigen Strukturen kann die Haut so dimensioniert werden, daß sie Durchbruchs- und Heißfleckzündungsgefahren widersteht, aber die Struktur ist noch einer Hautoberflächenbeschädigung und einer Funkenbildung oder einem Bogenplasma-Durchblasen um die Befestigungselementinstallationen ausgesetzt.
Wegen des Unterschieds in der Leitfähigkeit zwischen dem Befestigungselementmaterial und den leitfähigen Fasern in dem Verbundmaterial ist der elektrische Widerstand an einer Befestigungselement/Verbundmaterialhaut-Grenzfläche sehr hoch. Das übliche Erfodernis, daß Befestigungselemente in Spielpassungslöchern installiert werden sollen, um eine Faserdelaminierung zu verhindern, führt zu Spalten zwischen dem Befestigungselement und dem Verbundmaterial, welche den elektrischen Widerstand weiter erhöhen. Der Widerstand kann mehr als das Eintausendfache des Widerstands an der Befestigungselement/Aluminiumhaut-Grenzfläche sein. Der hohe Widerstand bewirkt eine Bogenbildung und die Ausbildung von heißem Bogenplasma entlang der Grenzfläche zwischen dem Verbundmaterial und den Befestigungselementversenkungs- und -schaftbereichen. Wenn eine hohe Stromdichte an der Grenzfläche vorhanden ist und demgemäß ein hohes Niveau an Bogenplasma erzeugt wird, wird der Druck in dem Grenzflächenbereich beträchtlich und führt zu einem Bogenplasma-Durchblasen. Dieses Phänomen ist in Figur 6 veranschaulicht, welche zeigt, daß Bogenplasma durch den Druck in dem Schaftgrenzflächenbereich aus dem Grenzflächenbereich heraus in einen inneren Teil des Flugzeugs gedrückt wird. Das Bogenplasma bläst heraus entlang der Spiralwege, die von den Gewindegängen des mit Gewindegängen versehenen Befestigungselements und zwischen der Befestigungselementmutter und der Trägerstruktur erzeugt werden. Das Bogenplasma- Durchblasen und begleitende Funkenentfaltungen können entflammbare Substanzen innerhalb der Flugzeugstruktur entzünden und sind besonders gefährlich, wenn Kraftstoffdampf innerhalb der Struktur, wie in einem Tragflächenkraftstofftank, vorhanden ist.
In bekannten Installationen von Befestigungselementen in leitfähigen Verbundmaterialien bewirkt das Fehlen eines guten Kontakts zwischen dem Befestigungselement und dem Verbundmaterial auch einen ungleichförmigen Transport von Strom von dem Befestigungselement zu dem Verbundmaterial. Dieser ungleichförmige Transport kann zu sehr hohen Stromdichten in individuellen Graphitfasern führen. Solche Fasern können aufgrund eines Fehlers in dem Verbundmaterial oder eines Faserausbrechens, das vom Bohren eines Lochs in dem Verbundmaterial zum Aufnehmen des Befestigungselements herrührt, nach dem Inneren der Struktur freiliegen. Eine freiliegende Faser mit einer hohen Stromdichte kann glühend heiß oder ein Funken werden und stellt daher eine zusätzliche Entzündungsgefahr dar.
Es gibt eine Anzahl von möglichen Lösungen für das Problem, einen Blitzschutz für leitfähige Verbundmaterialien, wie kohlenstoffaserverstärkten Kunststoff, vorzusehen. Eine Methode würde es sein, einen isolierenden Überzug vorzusehen, der 100 % der Graphitoberfläche bedeckt, um einen Blitzeintritt in die Oberfläche zu verhindern, oder eine dielektrische Abdeckung über die Befestigungselementköpfe oder die Befestigungselementköpfe und die benachbarten Hautoberflächen vorzusehen, um einen Blitzeintritt in die Befestigungselemente zu verhindern. Diese Methode würde eine Anzahl von Nachteilen haben. Isolierende äußere Schichten sind schwierig aufzubringen und aufrechtzuerhalten. Jede Diskontinuität in der Installation, selbst kleine Nadellöcher, können die Wirksamkeit des Schutzes zunichte machen. Kleine Nadellöcher und Durchbrüche würden generell einer Detektion unter Verwendung von normalen Inspektionsvorgängen entkommen, und daher wären teure und zeitaufwendige Spezialinspektionsvorgänge erforderlich, um die Unversehrtheit der Isolation sicherzustellen. Außerdem wäre es schwierig, korrosionskompatible Reparaturen von irgendwelchen Diskontinuitäten, die entdeckt wurden, auszuführen.
Eine andere mögliche Methode zum Vorsehen eines Blitzschutzes ist es, eine in hohem Maße leitfähige äußere Schicht auf der Verbundmaterialstruktur vorzusehen. Eine Weise, dieses zu tun, würde sein, ein Metallblech oder einen Folienüberzug oder Metallstreifen auf der außenseitigen Oberfläche des Verbundmaterials vorzusehen. Dieses Verfahren würde den ernsthaften Nachteil haben, daß es einem Harz- oder Lufteinschluß und einem daraus folgenden Fehlen guten elektrischen Kontakts zwischen dem Metall und dem Graphit des Verbundmaterials ausgesetzt ist. Ein anderes Verfahren des Vorsehens einer leitfähigen äußeren Schicht wäre es, eine Aluminiumflammensprühung vorzusehen, die elektrisch und korrosionsmäßig von dem Graphit isoliert ist. Die Korrosionsisolation wäre notwendig, weil Aluminium und Graphit galvanisch inkompatibel sind. Dieses bedeutet, daß in einer Korrosionsumgebung eine elektrolytische Wirkung zwischen Aluminium und Graphit auftritt, die Korrosion bildet und dadurch die elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums beeinträchtigt. Die galvanische Unverträglichkeit zwischen Aluminium und Graphit würde es schwierig machen, korrosionskompatible Reparaturen in einer Aluminiumflammensprühbeschichtung auszuführen. Da die Beschichtung von der Graphitstruktur elektrisch isoliert wäre, müßte sie außerdem dicker und schwerer sein, um fähig zu sein, Blitzströme zu leiten. Das relativ schwere Gewicht der Beschichtung und das zusätzliche Gewicht des elektrischen und korrosionsmäßig isolierenden Materials wäre ein ernsthafter Nachteil in einer Flugzeugumgebung. Flammensprühungen haben außerdem die Nachteile, daß sie relativ schwierig aufzubringen sind und ein hohes Niveau an Wartung erfordern, da sie einer Rißbildung und Abschälung ausgesetzt sind. Eine Variation des Verfahrens, indem man ein Drahtmaschen- oder ähnliches Material über einem Dielektrikum anstelle der isolierten Flammensprühung vorsieht, würde einige der Wartungsprobleme vermeiden, aber würde nicht die Probleme des Gewichts und der korrosionskompatiblen Reparatur lösen.
Ein anderes mögliches Verfahren des Erhöhens der Leitfähigkeit der äußeren-Oberfläche eines Verbundmaterials, um einen Blitzschutz vorzusehen, besteht darin, metallisches Material in die äußere Lage oder äußeren Lagen des Verbundmaterials zu inkorporieren. Dieses kann zum Beispiel durch Beschichten von einigen oder allen Fasern von Graphittuch mit Metall getan werden, indem Metalldraht in ein Graphittuch gewebt wird, oder indem Draht in eine einseitig gerichtete Lage von Verbundmaterialband eingearbeitet wird, wobei sich der Draht in der gleichen Richtung wie die Graphitfasern erstreckt. Jede dieser Methoden hätte eine Anzahl von Nachteilen.
Während eines Verfahrens zum Beschichten von Graphit oder anderen Fasern kann der Betrag an Metall, der auf den Fasern abgelagert wird, nicht kosteneffektiv kontrolliert werden; und nachfolgend auf das Beschichtungsverfahren kann der Betrag des Metalls, der aktuell abgelagert worden ist, nicht leicht durch normale Inspektionsvorgänge bestimmt werden. Demgemäß kann die Leitfähigkeit der beschichteten Fasern nicht genau kontrolliert oder gemessen werden. Außerdem liefern beschichtete Fasern im Gegensatz zu Metalldraht keine effiziente Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit.
Das Einarbeiten entweder von beschichteten Fasern oder von gewebtem Draht in die äußeren strukturellen Lagen eines Verbundmaterials würde die Unversehrtheit der äußeren Lagen gefährden und die strukturellen Eigenschaften des Verbundmaterials verschlechtern. Darüber hinaus wäre das Weben von beschichteten Fasern oder Metalldraht in eine strukturelle Lage relativ kompliziert und teuer. Demgemäß würde das Einarbeiten von gewebten Leitern die Tendenz haben, ineffizient hinsichtlich des Vorsehens der erforderlichen Leitfähigkeit bei Minimierung des Aufwands und der Gewichtsnachteile zu sein. Weitere Nachteile des Einarbeitens von Metalleitern in strukturelle Lagen wären, daß eine Blitzbeschädigung, die durch die hohen Drücke verursacht wird, welche durch die Verdampfung des Metalls erzeugt werden, die Tendenz hätte, tiefer in die strukturellen Lagen einzudringen; und wenn das Metall ganz oder teilweise Aluminium war, würde sich die elektrische Leitfähigkeit in einer Korrosionsumgebung verschlechtern, und es wäre schwierig, korrosionskompatible Reparaturen auszuführen.
Das Weben von beschichteten Fasern oder Draht in eine strukturelle Schicht würde bei einseitig gerichteten Faserbandaufbautechniken oder Filamentwickeltechniken nicht gut funktionieren, weil das Weben der strukturellen Fasern bewirken würde, daß sie eine wellige anstatt eine gerade Konfiguration haben. Diese Änderung in der Konfiguration würde die strukturellen Fähigkeiten der Fasern verschlechtern. Das Ergebnis wären äußere Schichten, in welchen sowohl die strukturelle Wirkung als auch die leitfähige Wirkung gefährdet worden sind. Das Einarbeiten von Draht in Lagen von Band in der gleichen Richtung wie die Verstärkungsfasern würde einige dieser Probleme vermeiden, aber würde das bei hohen Kosten tun. Da die metallischen Leiter elektrisch nicht querverbunden wären, würde eine unannehmbare Blitzbeschädigung in langen schmalen Linien entlang den Drahtlängen erzeugt werden. Diese Art von Beschädigungsmuster wäre schwierig und teuer zu reparieren. Die querverbundenen Gitter von gewebten Leitern wären erforderlich, um kreisförmige Beschädigungsbereiche zu erzeugen, die leichter zu reparieren wären.
Abgesehen von der oben erwähnten Veröffentlichung US-A-3 755 713 sind Blitzschutzsysteme für Flugzeuge in den US-Patenten Nr. Re. 25 417, herausgegeben am 16. Juli 1963 an M. P. Amason; Nr. 3 906 308, erteilt am 16. Sep. 1975 an M. P. Amason et al.; Nr. 3 989 984, erteilt am 2. Nov. 1976 an M. P. Amason et al.; Nr. 4 237 514, erteilt am 2. Dez. 1980 an J. D. Cline; Nr. 4 352 142, erteilt am 28. Sep. 1982 an G. O. Olson; Nr. 4 429 341, erteilt am 31. Jan. 1984 an C. H. King; Nr. 4 448 838, erteilt am 15. Mai 1984 an D. H. Mc-Clenahan et al.; Nr. 4 479 163, erteilt am 23. Oct. 1984 an E. T. Bannink, Jr. et al.; Nr. 4 502 092, erteilt am 26. Feb. 1985 an E. T. Bannink, Jr. et al.; Nr. 4 522 889, erteilt am 11. Juni 1985 an H. Ebneth et al.; und Nr. 4 542 056, erteilt am 17. September 1985 an J. M. Anglin et al.. Olson offenbart eine ersetzbare äußere Sandwichstruktur aus Aluminiumfolie mit einem dielektrischen Kern. Ebneth et al. offenbaren ein in hohem Maße leitfähiges Verbundmaterial für den Blitzschutz. Das Material umfaßt gewebte Kohlenstoff- oder Aramidfasern, die mit Nickel und Kupfer beschichtet sind.
In dem US-Patent Nr. 3 989 984 offenbaren Amason et al. eine äußere Schutzschicht aus Metall, die ein Drahtgitter sein kann, über einem Dielektrikum. Die Schutzschicht ist mit Öffnungen versehen, um ein Harzausschwitzen während des Bindungs- und Härtungsprozesses zu ermöglichen. An Verbindungsstellen, wo die Verbundmaterialplatte mit anderen Strukturen verbunden wird, ist ein elektrischer Weg zu einer internen Massestruktur vorgesehen. Der Weg umfaßt einen Abschnitt des perforierten Metalls, an dem ein nichtbündiger Kopf eines Befestigungselements oder ein nichtbündiger Flansch einer versenkten Unterlegscheibe anliegt, und eine Buchse und/oder Metallplatte, die das Befestigungselement umgibt. Amason et al. offenbaren auch eine Verbundplatte, welche die zum Blitzschutz dienende äußere Schicht aus Metall und Dielektrikum nicht hat und welche mittels einer leitfähigen versenkten Unterlegscheibe, Schraube und Mutter straff an eine Metall- oder Verbundplatte angeschraubt ist. Die Grenzfläche zwischen den beiden Platten ist entweder mit einer leitfähigen Verstärkung oder einem dünnen dielektrischen Film versehen.
McClenahan et al. offenbaren eine graphitfaserverstärkte Laminatstruktur, die wenigstens eine Graphitfaserlage mit Metalldraht oder metallbeschichteten Filamenten, die in den Ketten- und Füllrichtungen darin eingewebt sind, hat. Der Metalldraht oder das beschichtete Filament ist nach der Beschreibung kompatibel mit Graphit oder fähig, kompatibel mit Graphit gemacht zu werden. McClenahan et al. erklären, daß, wenn das Laminat gestrichen oder andere Schritte unternommen werden, um den Draht vor Feuchtigkeit zu schützen und eine galvanische Wirkung zu verhindern, Aluminiumdraht das bevorzugte Material ist. Der dazwischengewebte Draht oder die dazwischengewebten beschichteten Filamente werden dahingehend beschrieben, daß sie den Prozentsatz an Strom vermindern, der in die inneren Lagen des Graphits eintritt und dadurch eine Beschädigung der inneren Lagen vermindern. McClenahan et al. erklären, daß einige von den Drähten in der Nähe der ersten Blitzeintrittsstelle verdampfen werden, wo sie nach der Oberfläche freiliegen, den Anstrichstoff durchbrechen und zusätzliche Eintrittsstellen fördern werden.
Die beiden Patente von Bannink, Jr. et al. offenbaren nikkelplattierte Fasern, die in eine äußere Graphit/Epoxy-Lage gewebt sind. Ein Befestigungselement, das sich durch die Verbundmaterialplatte erstreckt, ist von der äußeren leitfähigen Lage durch eine Vergußmasse isoliert, die die Versenkung über seinem Kopf füllt. In einer Ausführungsform ist das Befestigungselement außerdem durch einen dielektrischen Lappen isoliert, der sich über der Vergußmasse erstreckt und Teile der metallisierten Lage umgibt, und durch einen Glasfasereinsatz, der den Schaft des Befestigungselements umgibt.
Das Patent von Bannink, Jr. et al. von 1985 wurde aufgrund einer Anmeldung herausgegeben, die eine Continuation-inpart der Anmeldung war, aufgrund dessen das Patent von 1984 herausgegeben worden war. Das Patent von 1985 offenbart vier zusätzliche Ausführungsformen des Blitzschutzsystems, von denen jede eine leitfähige äußere Lage der Verbundmaterialhaut aufweist. In zwei der zusätzlichen Ausführungsformen scheint der Befestigungselementkopf in Kontakt mit der leitfähigen äußeren Lage zu sein, wobei der Befestigungselementschaft von den inneren Lagen durch eine nichtleitfähige Buchse isoliert ist, und es gibt keinen dielektrischen Lappen oder keine Vergußmasse über dem Befestigungselementkopf. Der primäre Zweck der Buchse ist es, zu verhindern, daß Strom in die inneren Lagen durch das Metallbefestigungselement eintritt. Das Befestigungselement ist auch von einem elektrisch leitfähigen Unterstrukturteil durch einen nichtleitfähigen Winkel an dem die Verbundhaut mittels des Befestigungselements angebracht ist, isoliert, oder durch die Buchse, eine nichtleitfähige Schicht zwischen der Haut und einem leitfähigen Winkel, und eine nichtleitfähige Unterlegscheibe.
In den anderen beiden Ausführungsformen weist das System einen dielektrischen Lappen auf, der sich über den Befestigungselementkopf und umgebende Teile der leitfähigen äußeren Lage erstreckt, und ein nichtleitfähiges Teil zwischen dem Befestigungselement und einem elektrisch leitfähigen Unterstrukturteil. Der dielektrische Lappen ist als ein solcher beschrieben, welcher einen direkten Blitzeintritt in das Befestigungselement verhindert, so daß sich der Blitz durch die metallhaltige äußere Schicht in die Struktur verteilen wird. Es gibt keine Isolation zwischen dem Befestigungselement und irgendeiner der Lagen der Verbundmaterialhaut, einschließlich der leitfähigen äußeren Lage. Das innere Ende des Befestigungselements befindet sich in Eingriff mit einem "Scherkragen". Mit Bezug auf eine der letzten beiden beschriebenen Ausführungsformen, in denen das nichtleitfähige Teil ein nichtleitfähiger Winkel ist, an welchem die Verbundmaterialhaut angebracht ist, ist der nichtleitfähige Winkel dahingehend beschrieben, daß er verhindert, daß Strom in die Unterstruktur fließt, um eine Bogenbildung zwischen dem Winkel und der Haut oder dem Winkel und dem Unterstrukturteil, an dem er angebracht ist, zu verhindern.
Anglin et al. offenbaren eine Verbundstruktur, die einen Wabenkern und eine Mehrzahl von Faserglaslagen hat. In der äußeren Lage der Struktur weist das Faserglastextilmaterial Garn auf, welches mit Aluminium beschichtet ist. Zusätzliche Lagen von beschichtetes-Garn-enthaltendem Faserglastextilmaterial sind um Befestigungselementbereiche zur erhöhten elektrischen Kontinuität vorgesehen.
Die Verwendung von leitfähigen äußeren Beschichtungen auf Verbundmaterialhäuten zum Schützen des Verbundmaterials vor struktureller Beschädigung durch Blitzschläge ist in den Teilen I und II des Technical Report AFML-TR-70-303 offenbart, der betitelt ist "Beschichtungen für Blitzschutz von strukturellen verstärkten Kunststoffen" und der durch die vorliegende Anmelderin und C. H. King und J. T. Quinlivan verfaßt worden ist. Der Report diskutiert Studien und Erprobung, die sich auf die Verhinderung von Beschädigung des Verbundmaterials selbst beziehen, im Gegensatz zu internen Zündgefahren. Die diskutierten Beschichtungen umfassen Drahtgitter, das in der Epoxymatrix eingebettet ist. Eine Schlußfolgerung des Reports ist es, daß eine dünne dielektrische Schicht zwischen dem Drahtgitter und der darunterliegenden Verbundstruktur die Wirksamkeit des Systems verbessert.
Eine Vorrichtung zum Entladen von statischer Elektrizität ist durch die US-Patente Nr. 3 283 210, erteilt am 1. Nov. 1966 an M. V. Welsh; und Nr. 3 532 932, erteilt am 6. Okt. 1970 an J. Casas Simon offenbart. Die von Casas Simon offenbarte Vorrichtung ist zur Verwendung in Textilmaschinen ausgebildet und weist einen dünnen Körper aus Metallgitter auf, der in einem isolierenden Material eingebettet und mit einer Masse verbunden ist.
Das US-Patent 4 405 256, das am 20. Sep. 1983 an J. O. King, Jr., erteilt worden ist, offenbart ein Verfahren zum Ausbilden einer Befestigungselementverbindung in einem Verbundmaterialwerkstück, das einer Arbeitsbelastung ausgesetzt ist. Eine Hülse wird innerhalb eines Lochs in dem Werkstück expandiert, um eine Polsterung gegen die Seitenwände des Lochs zusammenzudrücken, und dann wird das Befestigungselement eingefügt. Die zusammengedrückte Polsterschicht und die Hülse übertragen die Arbeitsbelastung von dem Werkstück auf das Befestigungselement.
Die obigen Patente und der Stand der Technik, der darin diskutiert und/oder zitiert ist, sollte zu dem Zweck studiert werden, die vorliegende Erfindung in die richtige Perspektive relativ zu dem Stand der Technik zu setzen.
Diese Erfindung ist auf das Vorsehen eines Blitzschutzsystems gerichtet, wie es in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist, welches einen Mehrwegblitzschutz bietet und in welchem Bogenplasma und Funken daran gehindert werden, in das Innere des Flugzeugs einzutreten. Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das faserige Material leitfähig ist, das Befestigungsmittel in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen faserigen Material ist, und Mittel zum Verhindern eines Bogenplasma-Durchblasens von um die Befestigungsmittel herum in einen inneren Teil des Flugzeugs verschließend zwischen einem Bereich um das Befestigungsmittel und dem inneren Teil des Flugzeugs angeordnet sind. In dem System gemäß der Erfindung wird ein zusätzlicher Weg für die Verteilung von Strom durch das Befestigungsmittel in Kombination mit dem leitfähigen faserigen Material dargeboten, wodurch die Gefahr, daß Kraftstoffdampf durch Blitzschläge entzündet wird, effektiv vermindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Befestigungsmittel einen Sicherungsbolzen, der einen inneren Endteil mit parallelen Umfangsnuten darauf hat, und das Durchblas-Verhinderungsmittel umfaßt einen Bund, der um den inneren Endteil herum angekümpelt ist und mit dem inneren Endteil und einem benachbarten Oberflächenteil der Trägerstruktur verschließend in Eingriff ist. Das Vorsehen der Umfangsnuten anstatt von Gewindegängen auf dem inneren Ende des Sicherungsbolzens eliminiert einen der Wege, längs dessen Bogenplasma-Durchblasen auftritt. Der verschließende Eingriff zwischen dem Bund und dem Sicherungsbolzen und der Trägerstruktur schließt das Bogenplasma innerhalb des Befestigungselementgrenzflächenbereichs ab, so daß dadurch direkt ein Bogenplasma-Durhblasen verhindert wird.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung für die Verwendung in entfernbaren Strukturen, wie Inspektionsplatten, umfaßt das Befestigungsmittel ein mit Gewinde versehenes Befestigungselement und eine Mutter, und das Durchblas-Verhinderungsmittel umfaßt eine dielektrische Kappe, welche die Mutter umgibt und mit einem benachbarten Oberflächenteil der Trägerstruktur verschließend in Eingriff ist.
Vorzugsweise umfaßt das Befestigungsmittel ein Befestigungselement, das einen Schaftteil hat, der sich durch ein Loch in der Verbundmaterialstruktur erstreckt, und das Kontakterhöhungsmittel umfaßt eine leitfähige Hülse, die den Schaftteil umgibt und zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit Teilen des faserigen Materials benachbart dem Loch in das Loch expandiert ist.
Um zusätzliche Wege für den Schutz vorzusehen, umfaßt das System gemäß der Erfindung vorzugsweise Mittel zur Erhöhung des elektrischen Kontakts zwischen dem Befestigungsmittel und dem faserigen Material. Die expandierte Hülse liefert einen gleichförmigen elektrischen Kontakt mit dem leitfähigen faserigen Material und erzeugt einen größeren Fluß- Querschnitt, als er in konventionellen Installationen erzielt wird. Dieses verbessert den Fluß des Stroms von der Befestigungselementinstallation in das Verbundmaterial in hohem Maße und erhöht die Gleichförmigkeit der Stromdichte in dem Verbundmaterial. Die gleichförmigere Verteilung des Stroms in das Verbundmaterial verhindert hohe Stromdichten in individuellen leitfähigen Fasern und verhindert dadurch die Zündgefahr von freiliegenden heißen Fasern. Der verbesserte Stromfluß verhindert außerdem die Bildung von Bogenplasma in dem Befestigungselementgrenzflächenbereich und eliminiert dadurch die Möglichkeit eines Bogenplasma-Durchblasens.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche 6 bis 13 beschrieben.
Die oben beschriebenen und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung der besten Arten und Weisen für das Ausführung der Erfindung, die folgt, ersichtlich.
In den Zeichnungen beziehen sich gleichartige Elementbezeichnungen überall auf gleichartige Teile, und
Figur 1 ist eine Aufsicht von oben auf ein Flugzeug, welche die Blitzschlagzonen des Flugzeugs zeigt.
Figur 2 ist eine Aufsicht von oben auf einen Tragflächenkastenabschnitt des in Figur 1 gezeigten Flugzeugs.
Figur 3 ist eine Aufsicht von unten auf den Tragflächenkastenabschnitt, der in Figur 2 gezeigt ist.
Figur 4 ist eine Aufrißansicht eines tragflächenmontierten Triebwerks eines anderen Flugzeugs, wobei die Tragfläche im Schnitt gezeigt ist.
Figur 5 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Teils der Tragflächenhaut und Hautträgerstruktur, die in Figur 4 gezeigt sind.
Figur 6 ist eine Schnittansicht einer konventionellen Befestigungselementinstallation, wobei das Befestigungselement im Aufriß gezeigt ist.
Figur 7 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Systems der Erfindung, wobei die Befestigungselemente im Aufriß gezeigt sind.
Figur 8 ist eine vergrößerte Aufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des foraminösen Metallmaterials, das gestrickten bzw. gewirkten Draht umfaßt.
Figur 9 ist eine vergrößerte Aufsicht einer dünnen Metallplatte, in der eine Anzahl von Schlitzen sind.
Figur 10 ist eine vergrößerte Aufsicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform des foraminösen Metallmaterials, welches die in Figur 9 gezeigte Metallplatte, expandiert in eine offene Gitterkonfiguration, umfaßt.
Figur 11 ist eine vergrößerte Aufsicht einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform des foraminösen Metallmaterials, die gewebten Metalldraht umfaßt.
Figuren 12 bis 18 sind Schnittansichten, welche den Hülseninstallationsprozeß für ein entfernbares Befestigungselement veranschaulichen, wobei Teile im Aufriß gezeigt sind.
Figur 19 ist eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform einer vollendeten entfernbaren Befestigungselementinstallation, wobei das Befestigungselement im Aufriß gezeigt ist.
Figuren 20 und 21 sind Schnittansichten, welche den Hülsenund Permanentbefestigungselement-Installationsprozeß veranschaulichen, wobei Teile im Aufriß gezeigt sind.
Figur 22 ist eine Schnittansicht, die das Verfahren des permanenten Installieren einer Hülse und eines Massebolzens veranschaulicht, wobei der Bolzen im Aufriß gezeigt ist.
Figur 23 ist gleichartig der Figur 22, ausgenommen, daß sie den Bolzen vollständig installiert zeigt.
Die Zeichnungen zeigen Vorrichtungen, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind und die auch die besten Arten und Weisen zum Ausführen der Erfindung, welche der Anmelderin gegenwärtig bekannt sind, bilden. Die Figuren 1 bis 3 veranschaulichen einen Typ eines Flugzeugs 2, in welches das System der Erfindung zum Vorteil eingebaut sein kann. Die Figur 4 veranschaulicht ein tragflächenmontiertes Triebwerk 12 eines anderen Flugzeugs und dessen Positionierung relativ zu einem Tragflächenkraftstofftank 14. Das Flugzeug 2 der Figuren 1 bis 3 ist hier zu dem Zweck gezeigt und beschrieben, einen Typ eines Flugzeugs zu erläutern, in welchem das System der Erfindung mit Vorteil verwendet werden kann, und die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Strukturen sind hier zu dem Zweck des Erläuterns einer gefährlichen Situation gezeigt und beschrieben, in welcher das System der Erfindung besonders gut zum Vorsehen eines Blitzschutzes geeignet ist. Es versteht sich natürlich, daß das System der Erfindung auch mit Vorteil in anderen Typen von Flugzeugen als derjenigen, die in den Figuren 1 bis 3 gezeigt ist, verwendet werden kann, und daß das System der Erfindung dazu geeignet ist, ein Flugzeug in anderen Situationen als derjenigen, die in den Figuren 4 und 5 veranschaulicht ist, zu schützen.
Figur 1 ist eine Aufsicht von oben auf ein Flugzeug 2, das Tragflächen 3 hat. Figur 1 veranschaulicht die Blitzschlagzonen des Flugzeugs 2. Die Bereiche der Zone 1 sind stark schraffiert und sind mit dem Bezugszeichen Z1 bezeichnet. Sie umfassen Oberflächen des Flugzeugs 2, wo eine hohe Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzschlageintritts vorhanden ist. Diese Oberflächen umfassen die Spitzen der Nase, die Gebläseschaufelspitzen der Triebwerke, die Extremitäten des Leitwerks, die Traglächenspitzen und die Vorderkantenteile der Tragflächen, wo Vorderkanteneinrichtungen Diskontinuitäten 6 in der Vorderkante verursachen. Für die Zwecke der Erläuterung sind in Figur 1 die Bereich Z1 der Zone 1, die den Diskontinuitäten 6 zugeordnet sind, als schraffierte Flecken gezeigt, die von der Vorderkante der Tragflächen 3 vorstehen. Es gibt keine aktuellen Vorsprünge auf der Tragflächenvorderkante an den Stellen von Diskontinuitäten 6. Die Bereiche der Zone 2 des Flugzeugs 2 sind durch eine Diagonalschraffierung dargestellt und mit dem Bezugszeichen Z2 bezeichnet. Die Zone 2 umfaßt Oberflächen des Flugzeugs 2, für welche eine hohe Wahrscheinlichkeit eines von einer Stelle der Zone 1 von direktem Schlageintritt nach rückwärts gekehrten Blitzschlags besteht.
Die Figuren 2 und 3 sind eine Aufsicht von oben bzw. von unten auf den Tragflächenkastenabschnitt 4 des Flugzeugs 2. In den Figuren 2 und 3 geben die schraffierten Bereiche die Teile 8 der Tragflächenkastenhaut an, von denen gegenwärtig erwartet wird, daß sie Bereiche sind, welche mit dem Blitzschutzsystem der Erfindung versehen werden. Diese Teile 8 umfassen alle Befestigungselementbereiche in den Oberflächen der Zone 2, und speziell die Befestigungselementbereiche in der Nähe von Tragflächenkraftstofftanks. Die schraffierten Teile 8 umfassen auch Bereiche in der Zone 3, wo ein Eintritt eines Blitzschlags möglich aber nicht in hohem Maße wahrscheinlich ist. Die Ausdehnung der Abdeckung auf solche Bereiche der Zone 3 ist wünschenswert, um einen vollen Schutz der kritischen Tragflächenkraftstofftankbereiche sicherzustellen.
Die Figur 4 veranschaulicht eine Tragfläche 10 eines Flugzeugs des Typs, der ein tragflächenmontiertes Triebwerk 12 hat. Ein Teil der Tragfläche 10 ist im Querschnitt dargestellt, um den Tragflächenkraftstofftank 14, die Tragflächenhaut 16 und die Hautträgerstruktur 18 zu zeigen. Figur 5 ist ein Detail des Bereichs, in welchem die Haut 16 an der Trägerstruktur 18 mittels Befestigungselementen 20 angebracht ist. Figur 4 veranschaulicht einen Blitzschlag, der direkt in den Zone 1-Vorderteil des Triebwerks 12 eintritt und dann von dem Zone 1-Bereich nach rückwärts gekehrt wird und in eines der Befestigungselemente 20 eintritt, das die Haut 16 an der Trägerstruktur 18 befestigt. Diese Art von Situation, in welcher der Blitz in ein Befestigungselement eintritt, das sich in einen Kraftstofftank erstreckt, ist die kritischste Situation, auf die sich das System der Erfindung richtet. In dieser Situation würde eine Zündung von Kraftstoffdämpfen innerhalb des Kraftstofftanks 14 in hohem Maße unannehmbare Folgen haben, und der Eintritt des Blitzes in das Befestigungselement 20 kann die größte Wahrscheinlichkeit einer Kraftstoffzündung erzeugen, sofern nicht irgendein Mittel vorgesehen ist, um eine solche Zündung zu verhindern.
Figur 6 zeigt eine Befestigungselementinstallation, welche eines Blitzschutzes ermangelt. Ein Befestigungselement 28 befestigt eine Verbundmaterialhaut 24 an einer Verbundmaterialträgerstruktur 26. Die Befestigungselementinstallation ist vom oben erörterten Spielpassungstyp. Um eine Beschädigung des Verbundmaterials während der Installation des Befestigungselements 28 zu vermeiden, ist ein kleiner Betrag an Spiel zwischen dem Befestigungselementschaft und der Seitenwand der Löcher in der Verbundmaterialhaut 24 und der Trägerstruktur 26 vorhanden. Das Befestigungselement 28 ist entfernbar und hat Gewindegänge 30 auf seinem inneren Ende, die sich in Eingriff mit einer Mutter 32 befinden.
Wenn ein Blitz das Befestigungselement 28 trifft, entwikkelt sich ein Bogenplasma 34 in dem Spiel zwischen dem Befestigungselementschaft und den Verbundmaterialstrukturen 24, 26 und auch an der Grenzfläche zwischen der Trägerstruktur 26 und der Mutter 32. Figur 6 veranschaulicht die Situation, wenn der Druck des Bogenplasmas 34 in dem Spielbereich ein Niveau erreicht hat, das ausreicht, das Bogenplasma 34 längs des Weges, der durch die Gewindegänge 30 und durch die Grenzfläche zwischen der Struktur 26 und der Mutter 32 vorgesehen ist, herauszublasen. Das Bogenplasma-Durchblasen ist mit dem Bezugszeichen 36 angegeben. Es sollte beachtet werden, daß Figur 6 nicht zeigt, daß irgendwelches Bogenplasma 34 in der Versenkung 38 der Haut 24 erzeugt wird, da dort generell genügend guter Kontakt zwischen dem Befestigungselementkopf und der Versenkung 38 ist, um die Entwicklung von irgendeinem signifikanten Bogenplasma in der Versenkung 38 zu verhindern. Es sollte auch beachtet werden, daß, wenn die Trägerstruktur 26 Metall anstatt eines Verbundmaterials wäre, eine dichtere Passung zwischen dem Befestigungselement 28 und der Trägerstruktur 26 vorgesehen sein könnte, und es wäre dort ein verbesserter Stromfluß zwischen dem Befestigungselement 28 und der Trägerstruktur 26 und eine daraus folgende Verminderung von Bogenplasmaerzeugung zwischen solchen Teilen. Jedoch würde die Erzeugung von Bogenplasma zwischen dem Befestigungselement 28 und der Verbundmaterialhaut 24 noch eine Gefahr des Bogenplasma-Durchblasens darstellen.
Das Blitzschutzsystem der Erfindung ist so ausgebildet, daß es gegen die Art von Gefahr schützt, die in Figur 6 veranschaulicht ist, und die anderen Arten von Gefahren und Beschädigung, die oben erörtert sind. Figur 7 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die speziell für die Verwendung in solchen Situationen wie jenen, die in den Figuren 4 und 5 veranschaulicht sind, geeignet ist. In Figur 7 ist gezeigt, daß eine Verbundmaterialhaut 42 mittels zweier permanenter Befestigungselemente 64 an einer Verbundmaterialträgerstruktur 26 angebracht ist. Die Haut 42 und die Trägerstruktur 26 können aus einer Anzahl von Materialien hergestellt sein, wie graphitfaserverstärkten Epoxyharzen. Die Befestigungselemente 64 sind aus einem leitfähigen Metall hergestellt. Die Haut 42 umfaßt Graphitepoxyschichten 46 und eine äußere Schicht mit einer Epoxyharzmatrix, in welcher ein foraminöses Metallmaterial 44 eingebettet ist. Die Harzmatrix der äußeren Schicht ist eine integrale Fortsetzung der Matrix der inneren Schichten 46, und wenn die Verbundmaterialhaut 42 hergestellt wird, werden alle die Schichten zusammen gehärtet. Die verstärkenden leitfähigen Graphitfasern der Schichten 46 sehen vorbestimmte erforderliche lasttragende Eigenschaften in einer bekannten Art und Weise vor.
Das foraminöse Metallmaterial 44 ist auswärts von den Graphitfasern in der äußeren Schicht der Haut 42, welche dem Blitzeintritt ausgesetzt ist, positioniert. Das Metallmaterial 44 bildet untereinander verbundene elektrische Wege zum Verteilen des Stroms vom Blitz über die äußere Schicht der Haut 42 und ist in direktem elektrischem Kontakt mit den Graphitfasern der Schichten 46, um den Strom überall in der Haut 42 zu verteilen. Der direkte elektrische Kontakt erfordert nicht notwendigerweise einen direkten physischen Kontakt und wird einfach dadurch erreicht, daß alle die Schichten der Haut 42 zusammen gehärtet werden. Das Metallmaterial 44 ist genügend nahe an den Befestigungselementen 64, um Strom vom Blitz, der in eines der Befestigungselemente 64 eintritt, weg von einem solchen Befestigungselement 64 abzuleiten und zu bewirken, daß an dem Strom von dem Blitz, der in eines der Befestigungselemente 64 eintritt, die anderen Befestigungselemente 64 und irgendwelche zusätzlichen Befestigungselemente (nicht gezeigt) in dem Bereich, der von einer Fortsetzung des Metallmaterials 44 bedeckt ist, teilhaben. Es ist nicht notwendig, daß die Befestigungselemente 64 in aktuellem physischen Kontakt mit dem Metallmaterial 44 sind. Solange sich die Befestigungselementköpfe 66 durch die äußere Schicht, die das Metallmaterial 44 enthält, erstrecken und das Metallmaterial 44 sehr eng an den Befestigungselementköpfen 66 ist, wird das Metallmaterial 44 genügend Strom von den Befestigungselementen 64 leiten, um eine wesentliche Verminderung in der Stromdichte zwischen dem Befestigungselementschaft 68 und der Haut 42 und Trägerstruktur 26 und eine wesentliche Stromteilung zwischen den Befestigungselementen 64 vorzusehen. Die Stromwege sind durch Pfeile in Figur 7 angedeutet. Das Metallmaterial 44 kann verschiedene Metalle umfassen. Was erforderlich ist, ist, daß die Metalle leitfähiger als die verstärkenden Fasern in den inneren Schichten 46 und galvanisch verträglich mit solchen Fasern sind. Es ist außerdem wünschenswert, das Metall so zu wählen und das Metallmaterial 44 so zu dimensionieren, daß die Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit des Metallmaterials 44 maximiert und das Gewicht der äußeren Schicht der Haut 42 minimiert wird. In den meisten Installationen ist Kupfer das bevorzugte Metall. Kupfer ist galvanisch mit Graphit kompatibel, hat ein hohes Niveau an Leitfähigkeit und ist ziemlich leichtgewichtig. Aluminium ist wegen seiner galvanischen Inkompatibilität mit Graphitfasern generell nicht geeignet, und Nikkel wird wegen seiner relativ niedrigen Leitfähigkeit im Vergleich mit Kupfer nicht bevorzugt. Im allgemeinen würde das Metallmaterial 44 vorzugsweise vollständig aus Kupfer bestehen. Wenn jedoch Korrosion des Kupfers aufgrund des Aussetzens an die äußere Umgebung ein Problem sein könnte, kann das Kupfer mit einer sehr dünnen Schicht von Nickel plattiert sein.
Die Figuren 8 bis 11 veranschaulichen drei unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen des Metallmaterials 44, von denen jede in einer einzigen oder einer Mehrzahl von Lagen von Metall vorgesehen sein kann. Figur 8 zeigt gestrickten bzw. gewirkten Kupferdraht 48, der eine Vielzahl von miteinander verbundenen Schleifen bildet, um die erforderlichen miteinander verbundenen elektrischen Wege vorzusehen. Figur 11 zeigt gewebten Kupferdraht 60. Figur 9 zeigt ein sehr dünnes Blech 50 aus Kupfer, das eine Vielzahl von Schlitzen 52 hat. Figur 10 zeigt das Blech 50 der Figur 9 expandiert oder gestreckt in seiner Ebene, um ein offenes Gitter 50' zu bilden, das miteinander verbundene Wege hat, die durch den Kupfer des Blechs 50 gebildet sind, und Öffnungen 54, die von den expandierten Schlitzen 52 gebildet sind. Die Wahl zwischen einer gestrickten bzw. gewirkten Konfiguration, einer gewebten Konfiguration oder einer Konfiguration eines expandierten Blechs oder irgendeiner anderen Konfiguration würde durch die speziellen Bedürfnisse einer speziellen Situation diktiert werden. Zur gegenwärtigen Zeit wird erwartet, daß die Konfiguration eines gestrickten bzw. gewirkten Drahts die Art von Konfiguration sein wird, die primär in dem System der Erfindung verwendet wird.
Das System der Erfindung kann nur einen einzigen Weg des Blitzschutzes in Situationen haben, in denen die blitzinduzierten Gefahren nicht kritisch sind. Jedoch ist es, wie oben angegeben, in kritischen Bereichen, wo eine Gefahr einer blitzinduzierten Zündung von Kraftstoff vorhanden ist, wünschenswert, eine Mehrzahl von Wegen des Blitzschutzes zu haben, von denen jeder so ausgebildet ist, daß er einen vollen Schutz vorsieht. Die Figur 7 veranschaulicht drei Arten von Schutz. Die äußere Schicht, die das oben beschriebene Metallmaterial 44 enthält, leitet Strom weg von den Befestigungselementen 60, um die Stromdichte an den Befestigungselement/Verbundmaterial-Grenzflächen zu reduzieren. Der Betrag an Metall in dem Material 44 und die Leitfähigkeit desselben ist vorzugsweise genügend, um die Stromdichten um die Befestigungselemente 64 herum auf einen Betrag zu vermindern, der genügend ist, um ein Bogenplasma- Durchblasen oder ein Faserglühen zu verhindern. Es sollte beachtet werden, daß das Niveau der erforderlichen Leitfähigkeit generell niedriger ist als dasjenige, das zum Schützen der Verbundmaterialhaut 42 gegen Oberflächenbeschädigung erforderlich ist. Wenn eine Oberflächenbeschädigung kein Problem ist, können daher das Metallmaterial 44 und die äußeren Schichten, die solches Material 44 enthalten, sogar leichtgewichtiger hergestellt werden.
Die anderen beiden Wege des Blitzschutzes, die in Figur 7 veranschaulicht sind, sind Mittel zum Erhöhen des elektrischen Kontakts zwischen den Befestigungselementen 64 und den Graphitfasern der inneren Hautschichten 46 und der Trägerstruktur 26, und Mittel zum Verhindern eines Bogenplasma-Durchblasens von um die Befestigungselemente 64 herum in einen inneren Teil des Flugzeugs. Der elektrische Kontakt kann in einer Vielzahl von Wegen verbessert werden, welche das Installieren eines Spannkopfbefestigungselements zum Erhöhen der Versenkungsfläche und das Installieren von Befestigungselementen, die mit einem leitfähigen Abdichtungsmittel, wie einem silberleitfähigen Abdichtungsmittel, benetzt sind, umfassen. Das bevorzugte und wirksamste Mittel des Verbesserns des elektrischen Kontakts ist jenes, das in Figur 7 veranschaulicht ist. Darin umgibt eine leitfähige Hülse 74 den Kopf 66 und den Schaft 68 von jedem Befestigungselement 64 und ist in den in der Haut 42 und der Trägerstruktur 26 für die Aufnahme der Befestigungselemente 64 ausgebildeten Löchern expandiert. Das Expandieren der Hülsen 74 erzeugt einen guten gleichförmigen elektrischen Kontakt zwischen der Hülse 74 und den Graphitfasern der Hautschichten 46 und der Trägerstruktur 26 benachbart den Löchern. Das Befestigungselement 64 ist permanent installiert und hat eine sehr straffe Passung mit der Hülse 74. Demgemäß ist ein guter Stromfluß von dem Schaft 68 in den Graphit der Verbundstrukturen 26, 46 vorhanden, und es wird kein Bogenplasma in dem Befestigungselementlochbereich erzeugt. Die Pfeile in Figur 7 veranschaulichen den Stromfluß.
Bogenplasma-Durchblasen kann auch in einer Vielzahl von Wegen verhindert werden. Zum Beispiel könnten ein Tankabdichtungsmittel über dem inneren Ende des Befestigungselements und ein Bund, der das Befestigungselement an Ort und Stelle befestigt, vorgesehen sein. Diese Methode hat den Nachteil, daß sie sehr schwierig zu inspizieren ist. Daher besteht die bevorzugte Methode des Verhinderns vom Bogenplasma- Durchblasen darin, eine Abdichtung an dem inneren Ende des Befestigungselements mittels einer Bund/Sicherungsbolzen- Installation zu erzeugen. Jedes der in Figur 7 gezeigten Befestigungselemente 64 ist ein Sicherungsbolzen 64, der einen inneren Endteil 70 mit parallelen Umfangsnuten 72 darauf hat. Das Vorsehen von parallelen Nuten 72 anstelle von spiralförmigen Gewindegängen eliminiert den Spiraldurchgang für das Entkommen von Bogenplasma, der auf den inneren, mit Gewinde versehen Enden von mit Gewinde versehenen Befestigungselementen vorhanden ist. Ein Bund 76 ist um den inneren Endteil 70 des Sicherungsbolzens 64 angekümpelt und befindet sich in verschließendem Eingriff mit den Nuten 72 und benachbarten Oberflächenteilen der Trägerstruktur 26. Der Bund 76 dichtet das Ende des Befestigungselements 64 ab, um zu verhindern, daß Bogenplasma in das Innere des Flugzeugs entkommt. Der Bund 76 hat eine ringförmige Vertiefung 78 zum Aufnehmen des inneren Endes der Hülse 74. Vorzugsweise isoliert eine Unterlegscheibe 80 den Abdichtungseingriff zwischen dem Bund 76 und der Trägerstruktur 26, um einen Stromfluß von dem Bund 76 zu der Trägerstruktur 26 und die Bildung von Bogenplasma um den äußeren Umfang des Bunds 76 zu verhindern. Die Unterlegscheibe 80 ist extrem dünn mit einer Dicke von etwa 0,010 Zoll und ist tatsächlich mehr aus einem dielektrischen Film als eine Unterlegscheibe. Andere Formen der Isolation als eine dielektrische Unterlegscheibe können auch verwendet werden.
In dem System der Erfindung wird damit gerechnet, daß Massebolzen innerhalb der Bereiche erforderlich sind, die von der äußeren Schicht geschützt werden, welche das Metallmaterial 44 enthält. Wenn solche Massebolzen erforderlich sind, ist es zu bevorzugen, daß sie mit den gleichen Arten von Schutz wie die Befestigungselemente 64 versehen werden. Figur 23 veranschaulicht einen Erdungs- bzw. Massebolzen 92, der permanent in der Verbundmaterialhaut 42 installiert und separat von der Trägerstruktur 26 ist. Der Massebolzen 26 hat einen mit Gewinde versehenen Masseverbindungsteil 94, der von der metallisierten äußeren Schicht des Verbundmaterials 42 nach auswärts vorsteht. Der Massebolzen 92 erstreckt sich durch die Haut 42, und das Loch in der Haut 42, das den Massebolzen 92 aufnimmt, hat darin eine leitfähige Hülse 74", die den Kopf und Schaft des Massebolzens 92 umgibt. Die Hülse 74" ist in dem Loch in der Haut 42 expandiert, um einen guten elektrischen Kontakt mit den Graphitfasern benachbart dem Loch herzustellen. Die Hülse 74" ist von der gleichen Art wie die in Figur 7 gezeigten Hülsen 74, wobei der Hauptunterschied darin besteht, daß der Schaft der Hülse 74" kürzer ist, da er sich nur durch die Haut 42 erstreckt. Der innere Endteil 70 des Massebolzens 92 hat parallele Nuten 72 darauf, die sich im Eingriff mit einem Bund 76 befinden, der angekümpelt ist, um das innere Ende des Massebolzens in der oben in Verbindung mit dem Sicherungsbolzen 64 beschriebenen Art und Weise abzuschließen.
Die Figur 19 veranschaulicht die Verwendung eines mit Gewinde versehenen entfernbaren Befestigungselements 28 in dem System der Erfindung. Eine Hülse 74' ist in dem Loch in der Verbundmaterialhaut 42 expandiert und umgibt den Befestigungselementkopf und den Teil des Befestigungselementschafts, der sich durch die Haut 42 erstreckt. Eine andere Hülse 75 ist in dem Loch in der Verbundmaterialträgerstruktur 26 expandiert und umgibt den Teil des Befestigungselementschafts, der sich durch das Loch in der Struktur 26 erstreckt. In dieser Ausführungsform ist das Stromerhöhungsmittel in der Form von zwei Hülsen 74', 75 anstatt der einzelnen Hülse 74 der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform vorgesehen, weil der Teil der Haut 42, welcher mit dem Befestigungselement 28 in Eingriff ist, Teil einer Struktur, wie einer Zugangsplatte, ist, von dem es erforderlich ist, daß er entfernbar ist.
Da das Befestigungselement 28 entfernbar sein muß und Gewindegänge 30 auf seinem inneren Ende hat, kann es nicht mit einem angekümpelten Bund 76 versehen sein wie in der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform. Daher ist eine dielektrische Kappe 86 um das innere, mit Gewinde versehene Ende des Befestigungselements 28 und die Mutter 84, die das Befestigungselement 28 in Position hält, vorgesehen. Die Kappe 86 umgibt die Mutter 84 und hat einen Umfangsflansch 87, der an der Trägerstruktur 26 mittels Befestigungselementen 88 befestigt ist, um die Kappe 86 mit Bezug auf die Trägerstruktur 26 sicher und permanent zu positionieren. Vorzugsweise ist ein Abdichtungsmittel um den äußeren Umfang des Flanschs 87 herum vorgesehen, um die Grenzfläche der Kappe 86 und der Trägerstruktur 26 sicher abzudichten. Durch geeignete Mittel, die nicht gezeigt sind, wird verhindert, daß sich die Mutter 84 innerhalb der Kappe 86 dreht. Es besteht keine Notwendigkeit, eine Bewegung der Mutter 84 nach dem Boden der Kappe 86 zu zu verhindern, da die Einfügung und das Anziehen des Befestigungselements 28 automatisch die Mutter 84 aufwärts an Ort und Stelle gegen die Trägerstruktur 26 bewegt. Die Befestigungselemente 88 können Metall sein, oder, wenn eine Funkenbildungsgefahr vorhanden ist, ein dielektrisches Material. In einer Situation, in welcher die Trägerstruktur 26 Metall statt eines Verbundmaterials ist, kann die innere nichtbündige Hülse 75 manchmal weggelassen sein, ohne daß der Blitzschutz in unannehmbarer Weise gefährdet wird.
Die Figuren 12 bis l8 veranschaulichen die Installation der in Figur 19 gezeigten Hülse 74'. Die Verbundmaterialhaut 42 wird mit einem Loch 96 zum Aufnehmen der Hülse 74' versehen. Das Loch 96 hat eine innere Versenkung 98. Figur 12 zeigt die Haut 42 mit dem darin ausgebildeten Loch 96. Es sei auf Figur 13 Bezug genommen, wonach die nichtexpandierte Hülse 74' in dem Loch 96 positioniert wird, und dann wird der Schaft eines expandierenden Werkzeugs 100 in die Hülse 74 eingefügt, bis sich ein innerer Abbrechteil 102 des Werkzeugs 100 von dem inneren Ende des Lochs 96 aus erstreckt. Es sei auf Figur 14 Bezug genommen, wonach ein Zugteil 106 dann mit dem Abbrechteil 102 in Eingriff tritt, um das Werkzeug 100 nach abwärts in das Loch 96 zu ziehen und zu bewirken, daß ein Teil vergrößerten Durchmessers des Werkzeugs 100 die Hülse 74' expandiert. Wenn das Zugteil 106 das Werkzeug 100 zieht, tritt zur Stabilität ein Gehäuse 112 der expandierenden Einrichtung mit der inneren Oberfläche der Haut 42 in Eingriff, und ein Drückteil 108 bewegt sich nach aufwärts nach der inneren Oberfläche der Haut 42 zu. Das Drückteil 108 hat einen ringförmigen kegelstumpfförmigen Vorsprung 110, der sich aufwärts in die innere Versenkung 98 bewegt und das innere Ende der Hülse 74' zwangsweise dazu bringt, daß es sich nach außen gegen die Seitenwand der Versenkung 98 erweitert. Diese Erweiterung des inneren Endes der Hülse 74' nach außen installiert die Hülse 74' permanent und verhindert, daß die Hülse 74' aus ihrer Position bewegt wird, wenn das Werkzeug 100 entfernt wird. Figur 14 veranschaulicht, wie sich das Drückteil 108 nach der Versenkung 98 zu bewegt, und Figur 15 veranschaulicht, wie der Vorsprung 110 in dem Versenkungsbereich das innere Ende der Hülse 74' gegen die Versenkung 98 drückt. Wie in Figur 15 veranschaulicht, fährt das Zugteil 106, wenn die Hülse korrekt positioniert worden ist, fort, an dem Werkzeug 100 zu ziehen, so daß es dessen Bruch längs eines Teil verminderten Durchmessers bewirkt. Figur 16 zeigt die Hülse 74' vollständig installiert, wobei sich das Werkzeug 100 noch an Ort und Stelle innerhalb der expandierten Hülse 74' befindet, und der Drück/Zug-Mechanismus 106, 108 entfernt ist. Figur 17 zeigt die Entfernung des Werkzeugs 100. Ein Zugteil 114 tritt mit einem äußeren Vorsprung 104 des Werkzeugs 100 in Eingriff und zieht an dem äußeren Vorsprung 104, während ein Drückteil 116 zurück gegen die äußere Oberfläche der Haut 42 drückt. Dieses entfernt das Werkzeug 100 aus der Haut 42 und läßt die Hülse 74' korrekt positioniert, wie in Figur 18 gezeigt ist.
Die Figuren 20 und 21 veranschaulichen die Installation der Hülse 74 und des Sicherungsbolzens 64, die in Figur 7 gezeigt sind. Wie in Figur 21 gezeigt ist, ist das Werkzeug 100 durch ein Werkzeug ersetzt, das den Sicherungsbolzen 64 und einen Abbrechteil 82, der mittels eines Teils 83 verminderten Durchmessers an dem Sicherungsbolzen 64 angebracht ist, umfaßt. Da der Sicherungsbolzen 64 permanent installiert werden soll, besteht keine Notwendigkeit, ein Werkzeug zu entfernen, und so besteht keine Notwendigkeit, eine innere Versenkung vorzusehen oder das innere Ende der Hülse 74 nach außen zu erweitern. In anderen Hinsichten ist die Installation der Hülse 74 und des Sicherungsbolzens 64 im wesentlichen die gleiche wie die in den Figuren 12 bis 16 veranschaulichte Installation.
Die Figuren 22 und 23 veranschaulichen die permanente Installation eines Massebolzens 92. Wie der Sicherungsbolzen 64 und das Werkzeug 100 hat der Massebolzen 92 einen Abbrechteil 82'. Die Hülse 74" und der Massebolzen 92 werden installiert unter Verwendung eines Zugteils 106 und eines Drückteils 108', das gleichartig dem in den Figuren 14 und 15 gezeigten Zugteil 108 ist, ausgenommen, daß das Drückteil 108' anstatt eines Vorsprungs 110 eine Ausnehmung 109 zum Aufnehmen des inneren Endes der Hülse 74" hat.
Es ist offensichtlich für jene, die auf dem Fachgebiet erfahren sind, an welche sich diese Erfindung wendet, daß die Erfindung mit Vorteil in einer Vielzahl von Situationen benutzt werden kann. Daher ist es von jenen, die auf dem Fachgebiet erfahren sind, zu auch verstehen, daß verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Weglassungen in der Form und im Detail vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

1. Blitzschutzsystem in einem Flugzeug (2), umfassend die Kombination von:

einer inneren Trägerstruktur (26);

einer Verbundmaterialstruktur (42), umfassend eine integrale Harzmatrix, verstärkendes faseriges Material (46), das in der Matrix eingebettet ist, wobei das faserige Material genügend fest ist, um vorbestimmte lasttragende Eigenschaften zu liefern, und ein foraminöses Metallmaterial (44), das in der Matrix eingebettet und auswärts von dem faserigen Material (46) in einer äußeren Schicht der Verbundmaterialstruktur (42), die dem Blitzeintritt ausgesetzt ist, positioniert ist;

wobei das Metallmaterial (44) leitfähiger als das faserige Material (46) ist, sich miteinander verbindende elektrische Wege zum Verteilen des Stroms vom Blitz über die äußere Schicht der Verbundmaterialstruktur (42) bildet, und in direktem elektrischem Kontakt mit dem faserigen Material (46) zum Verteilen des Stroms überall in der Verbundmaterialstruktur (42) ist, und

ein leitfähiges Befestigungsmittel zum Befestigen der Verbundmaterialstruktur (42) an der Trägerstruktur (26);

wobei das Metallmaterial (44) zu dem Befestigungsmittel genügend nahe liegend ist, um den Strom vom Blitz, der in das Befestigungsmittel eintritt, von dem Befestigungsmittel wegzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Material (46) leitfähig ist, das Befestigungsmittel in elektrischem Kontakt mit dem leitfähigen faserigen Material (46) ist, und Mittel zum Verhindern eines Bogenplasma-Durchblasens (36) von um das Befestigungsmittel herum in einen inneren Teil des Flugzeugs (2) verschließend zwischen einem Bereich um das Befestigungsmittel herum und den inneren Teil des Flugzeugs (2) angeordnet sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel einen Sicherungsbolzen (64) umfaßt, der einen inneren Endteil (70) mit parallelen Umfangsnuten (72) darauf hat, und das Durchblas- Verhinderungsmittel einen Bund (76) umfaßt, der um den inneren Endteil (70) herum angekümpelt ist und mit dem inneren Endteil (70) und einem benachbarten Oberflächenteil der Trägerstruktur (26) verschließend in Eingriff ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel ein mit Gewinde versehenes Befestigungselement (28) und eine Mutter (84) umfaßt, und das Durchblas-Verhinderungsmittel eine dielektrische Kappe (86) umfaßt, welche die Mutter (84) umgibt und mit einem benachbarten Oberflächenteil der Trägerstruktur (26) verschließend in Eingriff ist.

4. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Erhöhen des elektrischen Kontakts zwischen dem Befestigungsmittel und dem faserigen Material (46).

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel ein Befestigungselement (64; 28) umfaßt, das einen Schaftteil (68) hat, der sich durch ein Loch (96) in der Verbundmaterialstruktur (42) erstreckt, und daß das Kontakterhöhungsmittel ein leitfähige Hülse (74; 74', 75) umfaßt, welche den Schaftteil (68) umgibt und zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit Teilen des faserigen Materials (46) benachbart dem Loch (96) in das Loch (96) expandiert ist.

6. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (44) mit dem faserigen Material (46) galvanisch kompatibel und so dimensioniert ist, daß es zur Maximierung der Leitfähigkeit pro Gewichtseinheit und zur Minimierung des Gewichts der äußeren Schicht beiträgt.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das faserige Material (46) Graphitfasern umfaßt und das Metallmaterial (44) im wesentlichen aus Kupfer besteht.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (44) gestrickten bzw. gewirkten Kupferdraht (48) umfaßt.

9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (44) gewebten Kupferdraht (60) umfaßt.

10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial (44) expandiertes Kupferblech (50) umfaßt.

11. System nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel eine Mehrzahl von leitfähigen Befestigungselementen (64) umfaßt und das Metallmaterial (44) sich miteinander verbindende elektrische Wege bildet, die genügend nahe liegend zu den Befestigungselementen (64) sind, um zu bewirken, daß die anderen Befestigungselemente (64) an Strom vom Blitz, der in eines der Befestigungselemente (64) eintritt, teilhaben.

12. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Massebolzen (92), der einen Masseverbindungsteil (94) hat, welcher von der äußeren Schicht der Verbundmaterialstruktur (42) nach auswärts vorsteht, sowie einen Schaftteil, der sich durch ein Loch (96) in der Struktur (42) erstreckt, und einen inneren Endteil (70) mit parallelen Umfangsnuten (72) darauf; und einen Bund (76), der um den inneren Endteil (70) angekümpelt ist und mit dem inneren Endteil (70) und einem benachbarten Oberflächenteil der Struktur (42) verschließend in Eingriff ist.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das den elektrischen Kontakt erhöhende Mittel eine leitfähige Hülse (74") umfaßt, welche den Schaftteil umgibt und zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit Teilen des faserigen Materials (46) benachbart dem Loch (96) in das Loch (96) expandiert ist.