用碳纤维增强塑料构造的航空器中的雷击防护装置的制作方法

本公开内容涉及航空器领域，并且具体地，涉及用碳纤维增强塑料构造的航空器中的雷击防护装置(lighteningprotection)。

背景技术：

现代航空器越来越多地利用由碳纤维增强塑料(cfrp)制成的部件构造。与通常用于航空器和航空航天构造的铝合金相比，cfrp提供了坚固且轻质的结构。然而，由于cfrp面板具有低导电性，来自雷击的高水平的电流可能令人不期望地集中在两个面板通过金属紧固件接合在一起的地方。

技术实现要素：

将导电引线插入通过cfrp面板以增大紧固件附近的全厚度导电性。在发生雷击的情况下，引线将电流更均匀地分布在cfrp面板的复合层中，并且使全厚度电流传导远离紧固件扩散。因此，引线能够降低点火危险的可能性，特别是在航空器区域中，比如可能存在燃料源的机翼。与常规的雷击缓解技术(例如，用聚硫化物盖密封件覆盖紧固件，施加边缘密封剂，和/或用导电接头(splice)粘合现有的面板)不同，引线可以在cfrp面板内制造以减轻重量并且可以以可自动化的方式插入而不需要另外的固化时间，以有利于工厂流程。

一个实例包括一种装置，该装置包括第一碳纤维增强塑料(cfrp)面板、在垂直方向上与第一cfrp面板重叠的第二cfrp面板、和将第一cfrp面板与第二cfrp面板接合的紧固件，该紧固件在其中第一cfrp面板和第二cfrp面板重叠的区域中在垂直方向上延伸。该装置进一步包括在第一cfrp面板和第二cfrp面板的每个中的多个导电引线，其中引线在垂直方向上接近紧固件延伸以在其中第一cfrp面板和第二cfrp面板重叠的区域中将第一cfrp面板和第二cfrp面板电连接。

另一个实例包括一种方法，该方法包括识别待接合的第一碳纤维增强塑料(cfrp)面板和第二cfrp面板，确定其中第一cfrp面板和第二cfrp面板在垂直方向上待重叠的区域，并且确定在垂直方向上待插入到该区域中的定紧固件的位置以接合第一cfrp面板和第二cfrp面板。该方法进一步包括在接近紧固件位置的位置处在垂直方向上将多个导电引线插入到该区域中。

另一个实例包括用于航空器的复合结构。该复合结构包括多个彼此水平邻近的碳纤维增强塑料(cfrp)面板，每个cfrp面板包括：具有网状箔的上表面、在垂直方向插入穿过cfrp面板的紧固件——该紧固件配置为将cfrp面板固定至接近cfrp面板的下表面定位的航空器的金属框架——和多个导电引线，其在垂直方向上延伸以电连接网状箔和航空器的金属框架。

已经讨论的特征、功能和优势可以在各种实例中独立地实现，或者可以在又其他实例中组合实现，参考以下描述和附图可见其进一步的细节。

附图说明

现在参考附图，仅通过实例的方式描述本发明的一些实例。所有附图中相同的附图标记表示相同的元件或相同类型的元件。

图1图解了一个实例中的航空器。

图2图解了一个实例中包括多个面板的复合结构的航空器的机翼。

图3是在一个实例中通过紧固件接合在一起的cfrp面板的部分分解视图。

图4图解了在一个实例中通过紧固件接合在一起并且用导电引线增强的cfrp面板的部分分解视图。

图5是在一个实例中通过紧固件接合在一起并且用导电引线增强的cfrp面板的侧视图。

图6是在另一个实例中用导电引线增强的cfrp面板的侧视图。

图7是在又另一个实例中用导电引线增强的cfrp面板的侧视图。

图8是在一个实例中用导电引线连接的邻近的cfrp面板的侧视图。

图9是在另一个实例中用导电引线连接的邻近的cfrp面板的侧视图。

图10是在一个实例中复合材料制造环境的框图。

图11是图解在一个实例中用于构造cfrp面板的方法的流程图。

具体实施方式

附图和以下描述图解了具体示例性实例。将领会的是，本领域技术人员将能够设计各种布置，虽然在本文中未明确地描述或显示，但是体现了本文描述的原理，并且包括在权利要求书的预期范围内。此外，本文描述的任何实例旨在帮助理解本公开内容的原理，并且应被解释为非限制性的。因此，本公开内容不限于以下描述的具体实例，而是由权利要求及其等同物限制。

图1图解了在一个实例中的航空器100。航空器100包括机头110、机翼120、机身130和尾翼140。航空器100的进一步讨论集中在航空器100的机翼120的复合材料上。然而，与本文描述的那些类似的配置和技术可以应用到用于航空器100以及可选的航空器和其他类型的交通工具的任何合适的复合零件。

图2图解了在一个实例中包括多个碳纤维增强塑料(cfrp)面板220的复合结构210的航空器100的机翼120。具体地，复合结构210包括上机翼蒙皮的一部分。图2的视图由图1的视图箭头a显示。如图2中所显示，每个cfrp面板220包括复合结构210的一小部分区域。沿着图2中的视图箭头b指示了沿着机翼120的长度的可能视图。

图3是在一个实例中通过紧固件310接合在一起的cfrp面板220的部分分解视图300。在该视图中，cfrp面板220显示为分离的以图解cfrp面板220的接合配置，尽管在该分解视图中是明显分离的，但是它们可以接触。具体地，第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2的相对端垂直地(即，在z-方向上)重叠以形成由边界321-322限定的各自的重叠区域311-312(即，在xy-平面中)。每个cfrp面板220包括碳纤维增强层片的一个或多个层330。纤维可以在层330之间具有不同的取向以提高cfrp面板220沿不同维度的强度。

紧固件310在垂直方向(即，z-方向)插入通过cfrp面板220以将cfrp面板220接合在一起。术语垂直方向指示cfrp面板220的相对位置，其通常与cfrp面板220的厚度平行并且垂直于cfrp面板220的平面，但是除了图3中显示的之外的cfrp面板220的可选的几何形状是可能的。通常，紧固件310包括导电金属材料(例如，铝、钛、不锈钢等)并且可以包括螺栓和螺母、铆钉、单面紧固件、或适合于机械接合cfrp面板220的另一个紧固件装置。因此，紧固件310提供cfrp面板220在z-方向——在本文中有时被称为垂直方向——上的全厚度导电性。相反，cfrp面板220的层330具有各向异性导电性，其中电流被迫在沿着xy-平面中的层330平行的方向上。结果，当雷击cfrp面板220的一个时，高水平的电流可能不期望地集中在紧固件310处，可能降低紧固连接的完整性或者导致紧固件310点火并产生点火危险。

图4图解了在一个实例中通过紧固件310接合在一起并且用导电引线450增强的cfrp面板220的部分分解视图400。引线450包括任何合适的材料(例如，碳、铝、钛等)，其具有通常在垂直方向(即，z-方向)上延伸以电连接cfrp面板220的长轴。引线450通常在尺寸、数量和功能方面不同于紧固件310。例如，多个引线450在xy-平面中围绕单个紧固件310并且与紧固件310相比，单独地占据xy-平面中的一部分区域(例如，以便不降低cfrp面板220的结构完整性)。在其他实例中，引线450围绕多个紧固件310。在进一步的实例中，引线450提供用于电流的路径而无需任何机械紧固装置。通常，引线450遍及cfrp面板220的重叠区域311-312分布/散布以提供使全厚度电流传导远离紧固件310扩散的技术优势，从而降低在紧固件310处的电流浓度，并且因而降低在cfrp-紧固件界面处或其附近的电流感应损害的可能性。

图5是一个实例中通过紧固件310接合在一起并且用导电引线531-532增强的cfrp面板220的侧视图500。如由该实例所图解，第一cfrp面板220-1包括上表面或顶表面510、下表面或底表面511和第一组引线531。类似地，第二cfrp面板220-2包括上表面或顶表面512、下表面或底表面513和第二组引线532。因而，cfrp面板220中的每个包括其自己的引线531-532的子集。例如，第一组引线531可以在固化之前插入到第一cfrp面板220-1的湿敷层(wetlayup)，第二组引线532可以在固化之前插入到第二cfrp面板220-2的湿敷层，并且引线531-532可以与其各自的cfrp面板220一起固化。

通常，当用紧固件310将cfrp面板220适当地紧固在一起时，第一cfrp面板220-1的底表面511的一部分接触第二cfrp面板220-2的顶表面512的一部分。也就是说，虽然图3-9显示了cfrp面板220之间的间隙以更清楚地图解引线531-532的放置，但是当附接紧固件310时，cfrp面板220抵靠彼此挤压。cfrp面板220的垂直堆叠的水平偏置配置产生由cfrp面板220的相对远端521-522限定的重叠区域520，如由图5中虚线所图解。重叠区域520类似于如上在图3-4中所描述的重叠区域311-312并且通常是在由cfrp面板220在z-方向上的垂直重叠所限定的xy-平面内的区域。因此，重叠区域520可以根据cfrp面板220的尺寸、形状和安装配置而变化。

如在该实例中所进一步图解，第一cfrp面板220-1中的第一组引线531在重叠区域520中具有彼此之间的第一间隔561(例如，在xy-平面中)，并且第二cfrp面板220-2中的第二组引线532在重叠区域520中具有彼此之间的第二间隔562(例如，在xy-平面中)。第一间隔561和第二间隔562具有对应配置或模式(在本文中也被称为“对应的间隔”)使得当适当地接合cfrp面板220时第一组引线531的总数的至少一个子集或至少一部分接触第二组引线532的总数的至少一个子集或至少一部分。也就是说，第一间隔561和第二间隔562可以相对应以确保cfrp面板220之间的充分电接触和在z-方向上远离紧固件310但仍在重叠区域520内的充分的电流路径，其有效地降低来自雷击的损害。

在一个实例中，引线531-532可以根据半随机模式安装在cfrp面板220中以实现期望的有效密度。例如，虽然单个的引线531-532可以沿着xy-平面随机地定位，但是在重叠区域520中每单位面积的引线531-532的密度可以保持均匀或恒定。因此，可以制造用引线531-532增强的cfrp面板220以确保当与另一个cfrp面板220接合/紧固时要进行预先限定的最少量的电接触。

引线531-532还可以在cfrp面板220的z-方向上具有各种长度和配置。如图5中所图解，引线531-532可以横穿cfrp面板220的整个厚度以将层330(为了便于说明，未在图5中图解)从cfrp面板220的顶表面510/512电连接至底表面511/513。可选地或另外地，引线531-532可以横穿cfrp面板220的厚度的一部分以电连接cfrp面板220的层330的一部分。因此，用引线531-532增强的cfrp面板220提供了减少层330之间的层片至层片能量转变的技术优势(例如，由于纤维取向的差异和层330的各向异性导电性)，并且因而降低了由于在cfrp面板220处或其附近的雷击而导致的边缘辉光或颗粒喷出的可能。

此外，引线531-532以各种配置在cfrp面板220的顶表面510/512和/或底表面511/513处暴露或从其突出。引线531-532在顶表面510/512和/或底表面511/513处的暴露模式可以在cfrp面板220之间相对应以确保重叠区域520中期望水平的电接触，类似于以上关于引线531-532的第一间隔561和第二间隔562所描述。而且，在一些实例中，引线531-532可以与紧固件310平行和/或垂直于cfrp面板220的顶表面510/512和/或底表面511/513(例如，与z-方向平行)。然而，将领会的是，引线531-532的许多配置是可能的，以下进一步描述了其实例。

图6是在另一个实例中用导电引线531-532增强的cfrp面板220的侧视图600。如该实例中所显示，引线531-532的每个可包括柄部630和头部640。柄部630通常是横穿cfrp面板220的一个的厚度的细长构件。头部640附着于柄部630的远端并且从cfrp面板220的一个的上表面或顶表面510/512和/或下或底表面511/513暴露或突出。因此，cfrp面板220的引线531-532可以根据在cfrp面板220的一个的顶表面510/512和/或底表面511/513处暴露的头部640的模式、间隔和/或尺寸相对应，使得当适当地紧固cfrp面板220时头部640彼此接触。可选地或另外地，可以配置引线531-532使得引线531-532的至少某一部分不直接接触另一个cfrp面板的引线531-532但与其充分接近以电连接两个cfrp面板220。

图7是在又另一个实例中用导电引线730增强的cfrp面板220的侧视图700。如该实例中所显示，引线730通过穿刺通过第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2的厚度可以插入到第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2中。也就是说，在cfrp面板220固化和/或通过紧固件310接合在一起之后，引线730可以被安装到cfrp面板220内。如图7中所图解，引线730可以纵向插入到cfrp面板220内以沿着z-方向在各个端点之间电连接。这种配置可以有利地在各个层330(为了便于图解，在图7中未显示)之间分配电流，以扩散来自雷击的电流并且减少由此产生的潜在损害。引线730的特征、可能配置和优势类似于以上关于引线450和531-532已经描述的那些，并且因而为了简洁起见，省略了对其的描述。

图8是在一个实例中与导电引线830连接的邻近的cfrp面板220-3的侧视图800。如在该实例中所显示，第一cfrp面板220-1和邻近的cfrp面板220-3可以水平接触/对齐。第一cfrp面板220-1和邻近的cfrp面板220-3也可以经由紧固件310接合至共同的cfrp面板(例如，第二cfrp面板220-2)。引线830可以穿刺到cfrp面板220内以电连接第一cfrp面板220-1和邻近的cfrp面板220-3。引线830通常沿着xy-平面纵向定向，但是在沿着z-方向的不同位置处可以具有端点，以将电流扩散至cfrp面板220的各个层330(为了便于图解，在图8中未显示)。

图9是在另一个实例中与导电引线830连接的邻近的cfrp面板220的侧视图900。如在该实例中所显示，第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2可以水平接触/对齐。此外，第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2的每个可以包括沿着各自的上表面或顶表面510/512的金属箔910/912或网。金属箔910/912可以包括，例如，航空器100的铜或铝蒙皮。第一cfrp面板220-1和第二cfrp面板220-2分别进一步包括第一组引线931和第二组引线932。引线931-932一端在z-方向上延伸到金属箔910内并且另一端可以在cfrp面板220的底表面511/513处突出。

紧固件310将cfrp面板220接合至金属框架950。金属框架950可以包括，例如，航空器100的结构体(例如，铝，钛等)，比如框架、肋、纵梁等。当紧固件310被紧固时，金属框架950可以被压入到引线931-932的突出端以电连接第一cfrp面板220-1、第二cfrp面板220-2和金属框架950。在一些实例中，本文描述的引线可以定位在紧固件310的附近以在特定区域(例如，类似于以上所述的重叠区域)沿着z-方向上的不同路径充分地扩散电流。可选地或另外地，本文所述的一个或多个引线可以定位在这种特定区域之外以在除了紧固件-cfrp界面之外的区域中分配电流。

图10是示例中复合材料制造环境1000的框图。根据图10，环境1000包括复合材料设计系统1010，其能够设计cfrp面板220。复合材料设计系统1010在cfrp-紧固件界面处或其附近将cfrp面板220配置为期望强度和导电性并且可以引导自动铺丝(automatedfiberplacement)(afp)机1040以根据该设计制造cfrp面板220。

复合材料设计系统1010包括控制器1012、界面(i/f)1014和存储器1016。控制器1012利用i/f1014访问约束如何可以构造cfrp面板220的规则、描述cfrp面板220的几何形状的信息和/或其他信息。i/f1014可以经由网络1020从服务器1030获取该信息。控制器1012还可以生成cfrp面板220的设计，其可以由控制器1012存储在存储器1016内。控制器1012可以被实施为，例如，定制电路、执行编程指令的处理器、或其某种组合。i/f1014包括用于传输数据(例如，经由网络1020)的电路和/或组件的任何合适的组合。存储器1016包括任何合适的数据存储装置比如硬盘、闪存等。以下将关于图11描述复合材料设计系统1010的操作的进一步的细节。

图11是图解在一个实例中用于构造cfrp面板220的方法1100的流程图。参考图1的复合材料设计系统1010描述了方法1100的步骤，但是本领域技术人员将领会的是，在其他系统中可以执行方法1100。本文描述的流程图的步骤不是全部被包括的，并且可以包括未显示的其他步骤。本文描述的步骤也可以以可选的顺序执行。

在步骤1102中，控制器1012识别待接合的第一cfrp面板和第二cfrp面板。这样做，控制器1012可以经由i/f1014接收指示一个或多个cfrp面板220的几何形状的输入。该信息可以指示哪些cfrp面板是邻近的/相邻的，并且可以进一步包括用于将在每个cfrp面板处敷设的每个不同纤维取向的预期数量的层片(例如，最终深度/厚度和组成)。

在步骤1104中，控制器1012确定其中第一cfrp面板和第二cfrp面板在垂直方向上重叠的区域。在步骤1106中，控制器1012确定将紧固件插入到该区域内以接合第一cfrp面板和第二cfrp面板的位置。在步骤1108中，控制器1012引导afp机1040在接近紧固件位置的位置处在垂直方向上将多个导电引线插入到该区域中。该区域可以是先前所描述的面板的重叠区域。

引线可以插入/穿刺到已经固化的cfrp面板或者插入/定位在cfrp面板的湿敷层并且然后与cfrp面板一起固化。例如，cfrp面板可以包括由聚合物基体材料(例如，热固性树脂比如环氧树脂或热塑性塑料)粘合在一起的层330，其连续地敷设并且固化以形成cfrp面板，被称为湿敷层。afp机1040可以在其中紧固件被定位的位置周围的位置处，并且以横穿如先前所述的重叠区域的各种模式将引线定位在湿敷层中。插入到cfrp面板的引线的具体数量和/或位置可以根据设计考虑来限定，该设计考虑使重叠区域处cfrp面板的强度与在z-方向上提供替代由紧固件所提供的电流路径的电流路径的重叠区域中的导电性的期望扩散平衡。在一些实例中，多个cfrp面板或零件可以被共固化，意味着它们被敷设并且然后固化在一起。

图11的方法1100可以以自动方式有利地提供以上所述的面板的改进的导电特征，并且无需任何另外的固化时间。用于减轻雷电的先前技术包括二次操作(例如，用聚硫化物盖密封覆盖紧固件，施加边缘密封剂，和/或用导电接头粘合现有的面板)，这增加了航空器生产的成本和流程时间，并且还不期望地增加了航空器的附加重量。相反，如本文所述的插入引线的配置和技术以最小化对工厂流程时间和航空器重量的影响的方式在cfrp结构中实现更均匀分布的电流密度。

附图中显示的或本文所述的各种元件中的任一个可以实施为硬件、软件、固件或这些的一些组合。例如，元件可以实施为专用硬件。专用硬件元件可以被称为“处理器”、“控制器”或一些类似术语。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或由多个单独的处理器提供，其一些可以共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够执行软件的硬件，并且可以隐含地包括，但不限于，数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)或其他电路、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、非易失性存储器、逻辑或一些其他物理硬件组件或模块。

而且，元件可以被实施为可以被处理器或计算机执行以执行元件的功能的指令。指令的一些实例是软件、程序代码和固件。当由处理器执行以引导处理器执行元件的功能时，指令是可操作的。指令可以存储在处理器可读的存储装置上。存储装置的一些实例是数字或固态存储器、比如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。

进一步，本公开内容包括根据以下条款的实例。

条款1.一种装置，其包括：

第一碳纤维增强塑料(cfrp)面板；

在垂直方向上与第一cfrp面板重叠的第二cfrp面板；

将第一cfrp面板与第二cfrp面板接合的紧固件，紧固件在其中第一cfrp面板和第二cfrp面板重叠的区域中在垂直方向上延伸；和

在第一cfrp面板和第二cfrp面板的每个中的多个导电引线，其中引线在垂直方向上接近紧固件延伸以在第一cfrp面板和第二cfrp面板重叠的区域中电连接第一cfrp面板和第二cfrp面板。

条款2.条款1的装置，其中引线包括：

在第一cfrp面板内的第一组引线，其每个具有从第一cfrp面板的底表面突出的头部；和

在第二cfrp面板内的第二组引线，其每个具有从第二cfrp面板的顶表面突出的头部。

条款3.条款2的装置，其中：

第一组引线和第二组引线具有对应的间隔以当第一cfrp面板和第二cfrp面板在垂直方向上重叠并且通过紧固件接合时电连接第一cfrp面板和第二cfrp面板。

条款4.条款3的装置，其中：

第一组引线和第二组引线的每个的间隔是半随机的。

条款5.条款1的装置，其中：

在第一cfrp面板和第二cfrp面板中引线与紧固件平行并且垂直于碳纤维的层。

条款6.条款1的装置，其中：

第一cfrp面板和第二cfrp面板是偏置的，使得第一cfrp面板和第二cfrp面板的每个的远端在垂直方向上重叠。

条款7.条款1的装置，其中：

通过穿刺通过第一cfrp面板和第二cfrp面板的厚度将引线插入到第一cfrp面板和第二cfrp面板内。

条款8.条款1的装置，其中：

在固化第一cfrp面板和第二cfrp面板之前将引线插入到第一cfrp面板和第二cfrp面板的湿敷层。

条款9.一种方法，其包括：

识别待接合的第一碳纤维增强塑料(cfrp)面板和第二cfrp面板；

确定其中第一cfrp面板和第二cfrp面板在垂直方向上待重叠的区域；

确定在垂直方向上待插入到该区域中的紧固件的位置以接合第一cfrp面板和第二cfrp面板；和

在接近紧固件位置的位置处在垂直方向上将多个导电引线插入到该区域中。

条款10.权利要求9的方法，其进一步包括：

将引线插入到第一cfrp面板和第二cfrp面板的每个的湿敷层中；和

将第一cfrp面板和第二cfrp面板与引线一起固化。

条款11.条款9的方法，其进一步包括：

通过穿刺通过第一cfrp面板和第二cfrp面板的厚度将引线插入到第一cfrp面板和第二cfrp面板内。

条款12.条款9的方法，其中：

第一cfrp面板和第二cfrp面板是偏置的，使得第一cfrp面板和第二cfrp面板的每个的远端在垂直方向上重叠。

条款13.条款9的方法，其中：

在第一cfrp面板和第二cfrp面板中引线与紧固件平行并且垂直于碳纤维的层。

条款14.条款9的方法，其中：

引线包括：在第一cfrp面板内的第一组引线，其每个具有从第一cfrp面板的底表面突出的头部，和在第二cfrp面板内的第二组引线，其每个具有从第二cfrp面板的顶表面突出的头部；和

第一组引线和第二组引线具有对应的间隔，以当第一cfrp面板和第二cfrp面板在垂直方向上重叠并且通过紧固件接合时电连接第一cfrp面板和第二cfrp面板。

条款15.一种用于航空器的复合结构，该复合结构包括：

彼此水平邻近的多个碳纤维增强塑料(cfrp)面板，每个cfrp面板包括：

具有网状箔的上表面；

在垂直方向上插入通过cfrp面板的紧固件，该紧固件配置为将cfrp面板固定至接近cfrp面板的下表面定位的航空器的金属框架；和

多个导电引线，其在垂直方向上延伸以电连接网状箔和航空器的金属框架。

条款16.条款15的复合结构，其中：

引线延伸超出cfrp面板的下表面，并且在拧紧紧固件之前不接触航空器的金属框架；和

在拧紧紧固件之后引线接触航空器的金属框架。

条款17.条款15的复合结构，其中：

通过穿刺cfrp面板安装引线。

条款18.条款15的复合结构，其中：

复合结构包括航空器的机翼。

条款19.条款15的复合结构，其中：

引线与紧固件平行并且垂直于cfrp面板的复合层。

条款20.条款15的复合结构，进一步包括：

另外的多个导电引线，其在垂直于垂直方向的方向上水平延伸以电连接邻近的cfrp面板。

虽然本文描述了具体实例，但范围不限于那些具体实例。相反，范围由权利要求及其任何等同物限定。