How bra gör en kompositkropp hantering av blixten?

10

Ett flygplans metallkropp, som är mycket ledande, skyddar passagerare, inre komponenter och bränsle från effekterna av blixten genom att leda elen runt dem.

Några nyare flygplan, som B787, har en skropp som helt är tillverkad av kompositmaterial. Den stora delen av 787 är gjord av kolfiberplastlaminat. [1] Även om kolfiber leder elektricitet har det högre elmotstånd. [2] [3] Högre motstånd betyder mer värme genererad av materialet. Och kolfiber utgör endast en procentandel av kompositmaterialet.

Har kompositmaterialet visat sig ha tillräcklig konduktivitet för att hantera en direkt blixtnedslag utan att skada materialet självt eller planetens innehåll? Eller gör designers hantera blixtnedslag på något annat sätt?

[1] Boeing 787 Systems Manual.

[2] Institutionen för fysik University of Illinois på Urbana-Champaign webbplats

[3] Elektriska och mekaniska egenskaper hos elektriskt ledande polyetersulfonkompositer. Lin Li och D.D.L. Chung, 1991, State University of New York i Buffalo.

    
uppsättning TomMcW 31.01.2016 22:17

2 svar

6

Vid kompositmaterial är den vanliga lösningen som antas för blixtskydd att ha ett ledande skikt i strukturen. I grund och botten ger detta en kontinuerlig ledande bana med lågt motstånd över hela luftfartygets yttre (fuselage, till exempel), med ytterligare skydd i zoner där blixten sannolikt kommer att fästas (till exempel radomen). Detta uppnås vanligtvis genom att ha ett tunt ledande kopparnät som är inbäddat i strukturen.

Till exempel använder 787 två huvudmetoder för att uppnå blixtskydd.

  • Fuselaget har ett kopparnät "bakat" i det.

  • Några av extremiteterna har metallfolier i det för att skydda mot blixtnedslag.

Den sammansatta uppläggningen använder en expanderad metallfolie (EMF) i sin struktur för att ge skydd mot blixtnedslag (LSP). EMF placeras vanligtvis ovanför CFRP-skiktet, som visas nedan. EMF är vanligtvis en tunn, lättmetallfolie inbäddad i CFRP: s yttre laminat eller i ytfilmen i vissa fall.

Sammansattstrukturuppläggningsomvisastillvänsterbeståravettexpanderatmetallfolielagsomvisastillhöger.DenhärsiffranärenskärmdumpfrånCOMSOLMultiphysics®-mjukvaromodellensomvisasidennablogginlägg.Copyright©Boeing.Imgefråncomsol.com

787använderävenmetallfolierivissaextremiteter(vingar,nacelleretc.).Från 787 systemgranskning :

Wing fuel tank skin surfaces— electromagnetic effects protection. Fasteners with dielectric tops (sealant flush to the outer surface of the fuel tank skin) in combination with copper foil protect against external ignition sources such as lightning and electrostatics on the wing tank skin surface by diverting and distributing current.

Metallnätet är den vanliga metoden i praktiken för närvarande och används också på andra ställen, som helikopterrotorblad och krossning. Arbetet pågår dock för att använda andra metoder som ledande kompositer, ledande ytskikt etc

    
svaret ges 01.02.2016 01:13
6

Blinkande slående moderna flygplan med kompositkonstruktioner

Composite parts that are in lightning-strike prone areas must have appropriate lightning protection. [...] Composite structures are less conductive than metal, causing higher voltages.
Lightning protection on airplanes may include wire bundle shields, ground straps, composite structure expanded foils, wire mesh, aluminum flame spray coating, embedded metallic wire, metallic picture frames, diverter strips, metallic foil liners, coated glass fabric, and bonded aluminum foil.
Lightning can also damage composite airplane structures if protection finish is not applied, properly designed, or adequate. This damage is often in the form of burnt paint, damaged fiber, and composite layer removal.

Source: "Lightning Strikes: Protection, Inspection, and Repair", Boeing, 2012

Ny teknik som förbättrar blixtskydd av moderna flygplan

Traditional methods to protect composite aircraft from lightning strike damage rely on a conductive layer embedded on or within the surface of the aircraft composite skin. This method is effective at preventing major direct effect damage and minimizes indirect effects to aircraft systems from lightning strike attachment, but provides no additional benefit for the added parasitic weight from the conductive layer. [...]
A new multi-functional lightning strike protection (LSP) method has been developed to provide aircraft lightning strike protection, damage detection and diagnosis for composite aircraft surfaces.
The method incorporates a SansEC sensor array on the aircraft exterior surfaces forming a "Smart skin" surface for aircraft lightning zones certified to withstand strikes up to 100kA peak current. SansEC sensors are open-circuit devices comprised of conductive trace spiral patterns sans (without) electrical connections. The SansEC sensor is an electromagnetic resonator having specific resonant parameters (frequency, amplitude, bandwidth & phase) which when electromagnetically coupled with a composite substrate will indicate the electrical impedance of the composite through a change in its resonant response. Any measureable shift in the resonant characteristics can be an indication of damage to the composite caused by a lightning strike or from other means. The SansEC sensor method is intended to diagnose damage for both in-situ health monitoring or ground inspections. [...]
The SansEC sensor smart skin technology provides lightning strike protection, shielding effectiveness, and opportunity to achieve in-situ damage detection and diagnostics for aerospace composite structures along with other potential beneficial functions not available from the standard LSP method.

Source: Szatkowski, G. N. at al.: "Open Circuit Resonant (SansEC) Sensor Technology for Lightning Mitigation and Damage Detection and Diagnosis for Composite Aircraft Applications", NASA, 2014 - Download Link

Ytterligare information finns på internet, se till exempel "Spelar med blixten i flygplanets namn", NASA .

Se även denna liknande fråga .

    
svaret ges 31.01.2016 22:25

Läs andra frågor om taggar