XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Самолеты авиации общего назначения, большие коммерческие реактивные самолеты и ветряные турбины уязвимы для удара молнии. Например, самолеты, сертифицированные FAA, обычно подвергаются ударам один или два раза в год [1]. В отличие от своих металлических аналогов, композитные конструкции в этих областях применения с трудом отводят экстремальные электрические токи и электромагнитные силы, создаваемые ударами молнии. Композитные материалы либо вообще не обладают электропроводностью (например, стекловолокно), либо значительно менее электропроводны, чем металлы (например, углеродное волокно), поэтому ток от удара молнии проходит по доступным металлическим путям. По этой причине защита от удара молнии (LSP) была серьезной проблемой с тех пор, как более 30 лет назад на самолетах были использованы первые композитные материалы [2].

Рис. 1. Металлическая сетка Для защиты композитов от ударов молнии производителям композитных материалов доступны различные виды металлической сетки и вспененной фольги, такие как эта, предлагаемая Dexmet. Источник [4]

Если молния ударяет в незащищенное сооружение, до 200 000 ампер электричества устремляются по пути наименьшего сопротивления. В процессе это может привести к испарению металлических кабелей управления, сварке шарниров на поверхностях управления и взрыву паров топлива в топливных баках, если электрический разряд пройдет через зазоры вокруг крепежных элементов. Эти прямые эффекты также обычно включают испарение смолы в непосредственной близости от места удара с возможным прожигом ламината. Косвенные эффекты возникают, когда магнитные поля и разность электрических потенциалов в конструкции вызывают переходные напряжения, которые могут повредить и даже вывести из строя бортовую электронику, которая не была экранирована от ЭДС (электромагнитного поля) или молнии. Потребность в защите композитных конструкций побудила к разработке ряда специализированных материалов LSP.

Основы защиты

Стратегии LSP преследуют три цели: обеспечить надлежащие токопроводящие пути, чтобы ток молнии оставался на внешней стороне конструкции; устранить зазоры в этом токопроводящем пути, чтобы предотвратить образование дуги в местах крепления и воспламенение паров топлива; и защитить электропроводку, кабели и чувствительное оборудование металлической сеткой С использованием различных металлических сеток и изделий из вспененной фольги, таких как как это предлагает Dexmet, они доступны производителям композитных материалов для защиты композитов от удара молнии.

Защита от разрушительных скачков напряжения или переходных процессов благодаря тщательному заземлению, экранированию от ЭДС и применению устройств подавления перенапряжений там, где это необходимо. Традиционно проводящие пути в композитных конструкциях прокладывались одним из следующих способов: (1) приклеивание алюминиевой фольги к конструкции в качестве наружного слоя; (2) приклеивание алюминиевой или медной сетки к конструкции либо в качестве наружного слоя, либо заделкой одним слоем вниз; или (3) включение нитей из проводящий материал в ламинат. Все они требуют подключения подключения токопроводящих путей к остальной части воздушного судна, чтобы обеспечить току достаточное количество путей для безопасного выхода из воздушного судна. Обычно это достигается с помощью металлических соединительных полосок (т.е. электрического соединения) для соединения проводящего поверхностного слоя с внутренней "плоскостью заземления", которая включает в себя металлические компоненты, такие как двигатели, трубопровод и т.д. Поскольку удары молнии могут прикрепляться к металлическим крепежным элементам в композитных конструкциях, может оказаться желательным предотвратить образование дуги или искрения между ними путем герметизации крепежных гаек или втулок пластиковыми колпачками или полисульфидными покрытиями. Для защиты внешней поверхности был разработан ряд изделий из металла и металлизированных волокон, обычно это тканые и нетканые экраны и вспененная фольга. Эти сетчатые изделия позволяют току молнии быстро проходить по поверхности конструкции, уменьшая его фокусировку. По словам Эда Рупке, старшего инженера Lightning Technologies Inc. (LTI, Питтсфилд, Массачусетс), алюминевая проволока была одним из первых материалов LSP, переплетенных с углеродным волокном в составе ламината. Однако использование алюминия с углеродным волокном сопряжено с риском гальванической коррозии (результат, когда два разнородных металла действуют аналогично батарее, вызывая коррозию металла, который выступает в качестве анода). Медные провода уменьшают угрозу гальванической коррозии, но в три раза тяжелее алюминиевых. По мере того как стеклопластиковые композиты получили широкое применение в самолетостроении, промышленность исследовала фольгу, а затем вспененную фольгу, которую можно склеивать с наружным слоем ламината. Волокна с покрытием (никель или медь, нанесенные электроосаждением на углеродные и другие волокна) также используются, но они гораздо лучше защищают от электромагнитных полей, чем от прямого удара молнии [2].

Рис. 2. Обтекатель двигателя A500 Формованный обтекатель двигателя из углеродного волокна/эпоксидной смолы для двухмоторного пропеллерного самолета Adam Aircraft A500 имеет наружный слой медной сетки (вставка) для защиты от удара молнии. Источник [3]

Многослойный интегрированный LSP

Среди новейших разработок — настолько новых, что они были недоступны для рассмотрения во многих недавних авиационных программах — препреги LSP "все в одном", которые содержат предварительно встроенные тканые или нетканые металлические сетки. По словам их поставщиков, эти продукты, применяемые в первую очередь при укладке, значительно снижают затраты на комплектацию и производство. Препрег Strike Guard LSP производится компанией APCM (Плейнфилд, Коннектикут) и продается при поддержке партнера/дистрибьютора Advanced Materials and Equipment (Бархамстед, Коннектикут). Препреги APCM LSP изготавливаются из тканой или нетканой металлической сетки, пропитанной термоплавкими клеевыми смолами, модифицированными добавками для повышения электропроводности матрицы, превращая весь препрег в проводящую систему. Варианты металлических сеток включают медь, алюминий, люминофорную бронзу и полиэфирное волокно с никелевым/медным покрытием различных размеров, весом от 0,08 фунта/фут2 до 0,060 фунта/фут2. Препреги также выпускаются с легкой нетканой пленкой из стекловолокна, которая улучшает чистоту поверхности, уменьшает пористость и требует вторичной отделки перед покраской. Использование комбинированной системы препрег/вуаль, такой как Strike Guard, гарантирует, что сетка полностью пропитается смолой, снижая риск попадания воздуха по сравнению с раздельным укладыванием пленки из смолы и сухой сетки. Для удобства использования препреги Strike Guard поставляются с бумажным разъемом с одной стороны и полиэтиленовым разъемом с другой. Можно задать кромку без завесы толщиной 1 дюйм/25,4 мм, чтобы обеспечить электропроводность за счет наложения соседних слоев друг на друга. Strike Guard используется несколькими производителями авиации общего назначения по всему миру [2].

Рис. 3. Панели для испытаний на удар молнии Две панели для испытаний на удар молнии: панель вверху показывает прогар, возникший в результате отсутствия защиты от удара молнии; панель внизу, защищенная препрегом Strike Guard LSP, показывает только локализованные повреждения поверхности. Источник [2]

Металлизированные ткани и волокна

Несколько компаний поставляют металлизированные ткани и / или металлизированные волокна, которые могут быть использованы для производства ткани из ЛСП. Diamond Fiber Composites (Цинциннати, Огайо) покрывает углеродные волокна широкий спектр металлов, включая никель, медь, серебро, золото, палладий, платину и другие металлы, гибриды (многослойные покрытия) с использованием того, что компания называет "безэлектродным" процессом нанесения покрытий, полностью основанный на химических веществах процесс нанесения покрытия.

Молниеотвод

Громоотвод (paratonnerre или parafoudre, Blitzableiter, Lightning-Conductor) — точнее, по назначению, молниеотвод — служит для защиты зданий и судов от разрушительных действий молнии. Его действие основано на свойстве металлических остроконечий как бы извлекать электричество из наэлектризованных предметов, в сторону которых остроконечия обращены.

Громоотвод состоит из одного или многих металлических стержней, поставленных наверху здания, обращенных остриями вверх и металлически соединенных с землею. Грозовые облака, проходя над такими стержнями, мало-помалу теряют свое электричество. Электрический разряд (см. Электрический разряд) происходит или бесшумно, будучи сопровождаем слабым светом на оконечности стержня, или же в стержень ударяет молния, сопровождаемая громом [1].

Список литературы

1. Молния - [https://en.wikipedia.org/wiki/Lightning_rod]

2. Защита от молний – [https://www.researchgate.net/publication/297050650_Lightning_strike_protection_for_composite_structures]

3. Описание самолетов, двигателей - [https://www.aircraft.com]

4. Описание металлических сеток - [https://www.dexmet.com/]