航天系统一直受到雷电的威胁，其中雷电直接效应损伤是主要模式，对飞行器安全有着重大影响。分析航天系统常用的金属与复合材料等在雷电作用下机械破坏、热损伤、火花效应和电磁损伤等主要效应的基础上，分别研究了金属与复合材料的直接效应损伤机理，特别是有关附着方式、材料导电与导热特性等因素的关系，比较了目前金属结构搭接增强、表面弧根分散、多重结构防护、火焰喷涂铝层、敷设铜网及其复合膜、导电薄膜/基体等主要防护方式的优缺点，展望了直击雷损伤防护的发展方向。雷电直接效应损伤模式与防护方法的相关研究对航天结构设计有重要的意义。
基金项目：基础研究项目群“XX 平台雷电直接效应仿真及防护方法研究”（项目编号：514010505-203）。
增加复合材料结构的导电性是提升抗雷性能的主要途径之一，如将导电纳米颗粒增加到纤维结构、基体材料中，以提升复合材料雷电防护能力 ［21-22］ ，其中典型结构就是导电薄膜与导电基体材料。导电薄膜的工作原理与金属网复合膜结构类似，只是此时起导电作用的是纳米导电材料，如碳纳米管、石墨烯等 ［23］ 。
近年来，另一个复合材料雷击防护研究的热点是在树脂基体中增加导电填料，提升复合材料导电性，最终提高复合材料的抗雷击性能。国内外多家机构在这方面取得了一些成果 ［20］ ：采用多壁碳纳米管（MWNT）和短碳纤维（SCF）作为增强材料，环氧树脂作为基体，制备了用于飞机防雷的导电纳米复合材料；添加导电粒子以改善复合材料的雷电防护性能，日本研究机构将石墨添加到环氧树脂中制备石墨/环氧复合材料，欧洲一些研究机构将石墨烯作为抗雷击添加剂，制作无人机机翼。
使用导电高分子作为复合材料基体以改善航天用复合材料的电导率也是一种重要防护方法，目前有报道的方法主要是日本的研究机构使用聚苯胺替代环氧树脂 ［25］ ，制备新型碳纤维/聚苯胺的抗雷击复合材料。该研究比较了聚苯胺/环氧树脂结构在 100 kA 的雷击损伤结果，试验结果如图 12 所示，试验结果表明碳纤维/聚苯胺板材显示出优异的防雷特性。
本文针对常见航天金属与复合材料雷电直接效应损伤及其防护的主要方法进行了研究。在实际设计过程中，雷电作用机制复杂导致防护设计关联多；多种效应损伤于一身，相关设计参数耦合深；雷电防护设计与重量、载荷等问题平衡要求高，需要综合考量；弹上空间狭小，设计难度高。雷电防护设计及其试验工作又是一个涉及多学科、专业性和实践性强的系统工程，需要技术和经验的双重累积。雷电综合防护必须从顶层规划开始，总体确定雷电环境；分析雷电对航天系统的作用机理、损伤模式；通过理论分析、数值仿真和实物/缩比试验，逐系统、逐设备、逐材料地确定雷电防护要求、防护设计方法和防护验证方法；通过反复设计—仿真—试验迭代，提升雷电防护能力。
[3] 张祥林,黄文俊,胡仁伟,等 . 飞行器复合材料结构雷击防护研究进展[J]. 高科技纤维与应用,2017,42(4):8-14.
[4] 晋茹,姚学玲,许雯珺,等 . 雷电流分量对碳纤维增强型复合材料层合板的雷击损伤效应[J]. 高电压技术,2019,45(12):3836-3843.
[6] 陈腊生,聂武夫,陈太龙,等 . 浅谈雷电流效应在雷电防护设计中的应用[J]. 安全、健康和环境,2019,19(3):11-15.
[7] 王富生 . 飞机复合材料结构雷击损伤评估和防护设计[M]. 北京:科学出版社,2016.
[8] 刘安娜 . 碳纤维复合材料及其结构件的雷击损伤及防护研究[D]. 济南:山东大学,2021.
[9] 邓长征,周文俊,魏绍东,等 . 电感效应与火花效应对接地体及其周围土壤雷电冲击特性的影响分析[J].高电压技术,2015,41(1):56-62.
[10] 尹凤琳,孙颖力,张博宇,等 . 特种车辆雷电直接效应及耦合仿真分析研究[J]. 导弹与航天运载技术(中英文),2022(5):99-103,121.
[13] 戴明秋 . 模拟雷电流下有机涂层钢板烧蚀损伤特性和损伤机理研究[D]. 上海:上海交通大学, 2019.
[15] 刘建英,隋政,张起浩,等 . 复合材料飞机接地回流网络建模与阻抗分析[J]. 北京航空航天大学学报,2021,47(5):885-893.
[16] 王邈 . 飞机复合材料闪电防护热喷涂铝技术研究[D]. 上海:华东理工大学, 2012.
[18] 郭云力 . 碳纤维增强树脂基复合材料的雷击防护[D]. 济南:山东大学,2019.
[19] 李锋,王文贵,刘菲菲 . 飞机复合材料热喷涂铝涂层雷击防护试验研究[C]//中国航空学会 . 第五届中国航空科学技术大会论文集 . 北京:北京航空航天大学出版社,2021:794-797.
[24] 梅浩 . 多壁碳纳米管纸及其复合材料防除冰性能研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.
上一篇：大型飞机被设计得又大又牢其机身复合材料的结构该如何 下一篇：核工业青岛工程勘察院有限公司参加第八届全国土工合成