用于防雷击铜栅格的修补方法

摘要

公开了一种重建因雷击或其他机械事故损坏的复合飞行器机翼导电层的电气连续性的方法，其中铜补丁(32)替换了所包含的导电层的损坏部段(50)。这种修补这样进行：首先去除任何表面(36)、紧固件(12)和损坏的导电层(33)，以暴露底层复合外壳(14)的一部分。然后将具有耦接到非支撑膜粘结剂(60)的铜箔段(52)的铜补丁引入到包含在铜箔栅格未损坏部段中的底层复合外壳开口上，并以树脂浸渍的玻璃纤维材料(34)覆盖。然后将所述膜粘结剂和所述树脂浸渍的玻璃纤维材料固结，并将紧固件重新插入所述玻璃纤维材料、铜补丁和底层复合外壳。然后重新为所述复合机翼表面施加底漆和涂料，以完成这种修补。

说明书

技术领域

本发明一般涉及飞行器防雷击技术，更具体涉及用于复合飞行器外壳板的铜栅格修补技术。

背景技术

因为较之传统铝结构而言，由碳纤维复合材料带来的强度对重量比率高和刚度对重量比率高，所以碳纤维增强塑料(“CFRP”)，或者也称为碳纤维复合材料作为结构构件在商用飞机中的利用正在增多。

闪电击中飞行器将导致可能通常在100000安培数量级的高电流流过飞行器框架。在电阻超过铝约2000倍的碳纤维复合结构中，碳纤维叠压层(ply)作为阻抗非常高的导体，而叠压层之间的树脂作为高电容介电层，所以闪电击中碳纤维复合材料导致在叠压层结构之间产生渐增的电势差，但是没有方便可用的导电路径来排泄电流。因此，该电流容易集中在外壳板和飞行器子结构之间的紧固件处，原因在于为了追求强度，紧固件通常由高传导性的合金制成。如果闪电能量不能以足够快的速率耗散，则可能发生电弧和危险的电火花。

这是一个严重的问题，尤其是在所述子结构为燃料箱壁且电弧将高度危险的喷射电火花、熔融材料和热气带入燃料箱的时候。

一种减小非金属结构遭雷击影响的方案是通过火焰喷镀或电镀向外壳板外表面施加导电层诸如铝。火焰喷镀或电镀的问题在于，它们是用来向已经组装好的结构施加传导层的二次操作。此外，利用这些过程难于实现令人满意的电气结合。保护性传导层还增加了重量，而不会对组装结构的强度有所贡献，且易于受到环境破坏，并且难于维护。生产和维护这种布置因此相当昂贵。

另一种减小非金属表面遭雷击影响的已知方案是向外壳板外表面安装导电编织屏或箔。但是，如果非金属结构是碳，则使用编织屏或箔要求使用额外的玻璃纤维叠压层来将所述碳层从金属绝缘，以防止腐蚀，这样也增大了非结构重量。

还有另一种方案是采用各种紧固件的特别设计，例如美国专利No.4,891,732所披露的方案。该专利中披露的紧固件采用斜面头部，用于沉入外壳板表面，与其密切接触，并采用螺母来将所述紧固件固紧就位，所述螺母设计成向子结构安全地传输电流，以使不发生电弧。同样，解决电弧问题的该方案造价昂贵，因为需要特别的紧固件设计。

还有另一种已知方法用来保护燃料系统免受雷击，在授予Pridham等的美国专利No.5,845,872中披露，该专利通过引用而包含在本发明中，该专利披露了一种将外复合材料飞行器外壳紧固到内部子结构的方法，包括步骤：将导电层包含到外复合外壳外表面中，或施加于其上；将螺栓穿过所述导电层和外复合外壳并穿过所述内部结构；借助直接或间接啮合所述内部结构内表面的螺母固紧所述螺栓；和在所述螺栓头部施加绝缘材料。虽然Pridham的公开有效保护了燃料系统免受雷击，但是所提出的系统不能满足雷击或其他机械损坏以后修补铜栅格系统的需要。必须重新建立导电层的电气连续性，以提供正常的雷击防护。

因此存在对廉价而结实的技术的需求，用来利用铜箔沿着防雷击紧固件列修补被雷击或其他机械方式损坏的外复合飞行器外壳，从而维持防雷击系统的完整性并协助将闪电电流从燃料箱子结构转移走。

发明内容

本发明提供了一种重建以前被机械损坏或雷击损坏的导电层的电气连续性的方法，所述导电层优选为铜箔栅格，包括耦接到紧固件并在其周围对中的铜箔带，所述紧固件位于复合飞行器机翼上的紧固件行中。本发明采用铜补丁和特定的粘结剂来替换导电层的损坏部段。

在一种优选实施例中，这样进行修补：首先去除任何表面(涂料、底漆、玻璃纤维层)以及导电层的一部分，以建立通往底层复合外壳的开口。也要去除损坏区域中的任何紧固件。然后将包括非支撑(unsurported)膜粘结剂和铜箔带的铜补丁结合并固结到所述开口中的复合外壳上。然后将一叠压层的树脂浸渍玻璃纤维湿覆(wet-lay)到所述铜补丁表面上并固结。穿过固结的玻璃纤维叠压层以及铜补丁钻孔，然后重新安装紧固件。这样允许紧固件重新耦接到底层复合外壳和铜箔。然后重新将底漆(primer)和涂料涂刷到玻璃纤维上并固结，从而完成修补。

在另一种优选实施例中，这样进行修补：首先去除任何表面(涂料、底漆、玻璃纤维层)以及导电层的一部分，以建立通往底层复合外壳的开口。也要去除损坏区域中的任何紧固件。然后将包括非支撑膜粘结剂和铜箔带的铜补丁置于所述开口中，以使粘结剂包含在所述铜箔带和底层复合外壳之间。然后将一叠压层的玻璃纤维预浸渍材料施加到铜补丁上。然后优选将所述预浸渍体和膜粘结剂在单个步骤中、在热量和压力下同时固结，当然可替代的是，它们也可以在施加后分别固结。穿过玻璃纤维层和铜补丁钻孔，重新安装紧固件。这样允许紧固件重新耦接到底层复合外壳以及铜外壳。然后重新将底漆和涂料施加到玻璃纤维预浸渍体并固结，从而完成修补。

上述优选实施例的技术相对简单并且能用来快速低成本地修补正在服役的商用飞行器。这种修补协助维持防雷击系统的完整性，通过沿着机翼表面提供低电阻路径而协助将闪电电流从燃料箱子结构转移走。因为铜箔形成的并联路径电阻降低，通过允许电流分布到相邻的紧固件，这种修补还保持了减小目标紧固件上的电流密度。这种修补允许商用飞行器快速并以最少的时间和花费重新投入服务。

如果根据附图和附带的权利要求书来审视，本发明的其他特征、益处和优势将从本发明的以下说明中变得明显。

附图说明

图1是商用飞机原始复合机翼结构的透视图；

图2是沿着线2-2切开的图1所示一部分的截面图；

图3是根据本发明优选实施例的一般原理，用于修补图1所示机翼结构损坏部分的方法的截面图；

图4是根据本发明一种优选实施例，用于修补图1所示机翼结构的逻辑流程图；

图5是根据图4所示逻辑流程图修补后的图1所示机翼结构的截面图；

图6是根据本发明另一种优选实施例，用于修补图1所示机翼结构的逻辑流程图；

图7是根据图6所示逻辑流程图修补后的图1所示机翼结构的截面图。

具体实施方式

现在参照图1和2，商用飞机机翼结构10一部分的截面透视图示出了多个紧固件12将飞行器结构的外壳板(skin panel)14固紧到包括燃料箱壁面的内部子结构16或翼梁16。

外壳板14和翼梁16由本领域传统方法形成的轻质高强度高刚性碳纤维复合材料制成。例如，在一种优选形式中，外壳板14由34层飞行器品质的机器层叠结构碳纤维/环氧带形成，所述碳纤维/环氧带铺设成50/40/10取向且总体厚度约为0.2516英寸，而翼梁16包括44层手工层叠的飞行器品质的碳纤维/环氧带形成，所述碳纤维/环氧带铺设成25/50/25叠层且总体重量约为0.3256英寸。外壳板14和翼梁16在安装前要在工具侧和包侧刷底漆(prime)。

紧固件12由金属诸如钛制成，包括螺栓18，所述螺栓优选为带有预加载剪切力的Hi-Lok螺栓(或者，例如Lockbolt、Eddiebolt或Sleeved Lockbolt)，具有：斜面头部20，该头部沉入外壳板14上相应塑形的开口22中；和杆部24(直径0.25英寸的裸钛，带有100度剪切头部)，该杆部穿过外壳板14和翼梁16，由啮合翼梁16的金属螺母26固紧。安装到翼梁16和外壳板14之前，将密封剂(未示出)引入杆部24。垫片28，优选绝缘垫片，厚度约2mil，作为填料插置在外壳板14和翼梁16之间，填补外壳板14的厚度差。垫片28利用密配合(fay)密封剂30密封到板14和翼梁16。

紧固件12还将弹性导电层和玻璃纤维叠压层34分别固紧到外壳板14，所述导电层优选多条带33形式的铜箔栅格32。因此可以认为栅格32成为外壳14整体的一部分。飞行器机翼结构10在外壳板14外表面上涂覆有一层或多层底漆(primer)涂层(这里示出为单层底漆36)，覆盖玻璃纤维叠压层34和紧固件12的头部20，所述紧固件的头部与栅格32外表面平齐。然后将一层或多层涂料42施加到底漆36整个外表面上。

铜箔栅格32的每条带子33为0.0027英寸厚、2ounce/ft²的铜箔，诸如IPC-4562/Cu-E-2-2-D-S-2铜箔，由Arizona，Chandler的Gould Electronics，Inc.制造。每一条带子33分别沿着各自的紧固件线35对中，并且对于单个紧固件12来说，宽度约为3.6英寸。虽然图中未示出，但是带子33可以根据它们沿着翼梁16和外壳板14的各自相对位置而重叠。铜箔栅格32具有足够的电导率来满足或超过IPC-4562等级规范，从而确保了安全的传导路径，在使用中沿着紧固件线35将由雷击产生的大部分电流从各个紧固件12转移走。

玻璃纤维叠压层34优选为环氧预浸渍材料，由Style 120 E-glass和250华氏度固结的热固性环氧树脂形成。可替代的是，可以采用处于250华氏度固结的热固性环氧树脂中的类似玻璃织物(E-glass，Style 108)的湿铺设层。

底漆36包括航空工业领域中普通技术人员熟知的传统热固性环氧基燃料箱底漆。底漆36涂刷一层或多层，形成的干膜厚度介于约0.5和0.9mil之间。在涂刷上层涂料层42之前，将底漆36风干约4小时。

涂料层42优选由传统航空等级的聚氨酯瓷釉形成，这也是航空工业领域普通技术人员所熟知的。这种聚氨酯瓷釉优选以单层约2±0.1mil的干厚度涂刷在以前已经干燥的底漆36上。在涂刷涂料42之前，如果从涂刷底漆36开始算，已经超过48小时，则需要用溶剂诸如异丙醇擦拭底漆表面36以重新激活该表面。涂料42风干4小时至7天，以确保完全固结。

但是，雷击发生后，或因为某些机械事故，铜箔栅格32的一条或多条带子33和/或一个或多个紧固件12可能被损坏，从而不能建立安全传导路径来将电流从紧固件12转移走，和沿着机翼结构10表面将电流从底层燃料箱子结构转移走。这种损坏区域50，如图3所示，在飞行器后续使用之前必须进行修补。本发明提出了两种修补损坏区域50的优选方法。每种方法去除或者修补了铜箔栅格32任何铜箔带33的损坏区域50并在该位置引入了铜补丁53，这些方法分别在图4和图6中以逻辑流程图来说明。利用图4和6中的逻辑流程图形成的修补后的结构因此分别在图5和7中示出。

现在参照图4，在本发明一种优选方法中，从步骤100开始，首先用150磨料或精细研磨料从机翼结构10上去除损坏区域50的涂料42和底漆36，最少径向增加两英寸，保证全部涂料42和底漆36全部去除，但不影响底层玻璃纤维层34。

接着，在步骤110中，以砂磨过程去除复合叠压玻璃纤维层34。在该过程中，首先沿着砂磨区域轮廓施加低温或高温压力带。接这，利用各种砂纸和金刚石或碳化物切削轮的磨料进行手工或机械砂磨。根据缺陷结构和位置，以圆形、长椭圆型或半圆形图案进行砂磨。然后以240磨料或精细砂纸面层(finish)砂磨。然后暴露出剩余玻璃纤维叠压层34并用溶剂清洗。然后将砂磨区域擦干。

接着，在步骤120中，仔细去除带子33上任何损坏的铜，而不要损坏底层碳纤维外壳14。图3中为了简化，示出了一条损坏的带子33。各损坏的带子33的未损坏铜箔33B留在其位于碳纤维外壳14顶部的修补区域54周围位置。

在步骤130中，去除损坏区域50中间区域的紧固件12，让紧固件孔13保持开放。雷击或机械事故可能损坏紧固件12或者可能不损坏它。然后用1/4英寸聚四氟乙烯塞子塞位紧固件孔13。磨碎(milled)的玻璃和150华氏度固结的热固性环氧树脂引入到该塞子周围，以填充紧固件孔130周围的沉孔。在紧固件孔13附近进行足够温度的局部加热，以固结环氧树脂。

接着，在步骤140中，一段原始铜箔52切割成配合修补区域54，带有重叠部56，该重叠部盖在修补区域54周围的底层剩余铜箔带33B周边58上。通常，该重叠部56介于半英寸和一英寸之间。铜箔段52和原始铜带33用相同材料(优选Gould IPC-4562/Cu-E-2-2-D-S-2(0.0027英寸厚，2盎司))形成，厚度相同。用异丙醇清洗铜箔段52，不砂磨或研磨，将铜箔段52准备好用于后续结合到环氧膜粘结剂60。

在步骤150中，环氧膜粘结剂60切割成与铜箔段52尺寸相同，并耦接到铜箔52下侧，形成铜补丁53。环氧膜粘结剂60是非支撑(unsupported)粘结材料，即不使用载体材料。优选环氧膜粘结剂60约0.005英寸厚，且标称重量约为每平方英尺0.030磅。一种优选的非支撑改性环氧膜粘结剂60是FM300-2U，一种可以从New Jeresey，WestPatterson的Cytec EngineeredMaterials购买到的250华氏度固结的热固性环氧粘结剂。

在替代实施例中，可以使用350华氏度固结的热固性环氧粘结剂膜60。一种这种350华氏度固结的热固性环氧粘结剂膜60是AF555 Grade 15U，可以从Minnesota，St.Paul的Minnesota Mining & Manufacturing(3M)购买到。

在步骤160中，将铜补丁53引入到修补区域54，使得膜粘结剂60覆盖底层外壳14并与剩余铜带33B外周边38重叠一部分，而且使得铜箔段52覆盖膜粘结剂60的整个部分。通常，这样进行：首先将膜粘结剂60引入到外壳14上，重叠剩余带子33B，然后将铜箔段52引入到膜粘结剂60上。可替代的是，首先将膜粘结剂60结合到铜箔段52来形成补丁53，然后接看将该补丁作为单个单元引入到外壳14上，使粘结剂一侧60接触外壳14。

在步骤170中，并且如图5最佳示出，通过将膜粘结剂60的环氧成分固结到铜箔段52上、铜带33B外周边58上以及底层外壳14上，使铜箔段52在重叠部56结合到修补区域54上剩余的底层铜带33B上。对于250华氏度固结的热固性环氧粘结剂，利用真空包技术和热毯，采用约250±10华氏度，持续约90分钟。最优选采用真空包，并维持在约25in-Hg的负压下，同时包侧温度以5华氏度的增量渐增，直到热毯温度达到约255华氏度。热毯温度维持在255华氏度，持续约90分钟，以确保完全固结。然后，在取下真空包之前，热毯温度缓慢降至140华氏度。取下真空包之后取下热毯。为了确保适当的温度控制，在固结步骤之前，将热电偶(未示出)优选贴靠外壳14定位在翼梁16旁边，并位于翼梁16的外壳一侧。

对于350华氏度固结的热固性环氧粘结剂，利用真空包技术和热毯，采用约350±10华氏度，持续约90分钟。最优选采用真空包，并维持在约25in-Hg的负压下，同时包侧温度以5华氏度的增量渐增，直到热毯温度达到约355华氏度。然后热毯温度维持在355华氏度，持续约90分钟，以确保完全固结。然后，在取下真空包之前，热毯温度缓慢降至140华氏度。在取下真空包之后取下热毯。为了确保适当的温度控制，在固结步骤之前，将热电偶(未示出)优选贴靠外壳14定位在翼梁16旁边，并位于翼梁16的外壳一侧。

接着，在步骤180中，一层树脂浸渍的玻璃纤维织物62湿覆(wet-layed)在固结的铜补丁53上，在补丁53外周边上形成0.5英寸重叠部。

为了形成树脂浸渍的玻璃纤维织物62，或者称为叠压层62，在每一个方向都比浸渍过的玻璃纤维织物部件大至少4英寸的固体分型膜首先置于平坦表面上。接着，一层150华氏度固结的热固性环氧树脂施加到该分型膜上。接着，一层E-glass玻璃纤维织物施加到该环氧树脂层上。然后另一层环氧树脂施加到该玻璃纤维织物上。优选的树脂对玻璃纤维织物比率介于约1和1.5盎司树脂每盎司织物之间。第二层分型膜施加到第二层树脂层上。最后，使用辊子、压板或类似设备将树脂层的树脂均匀浸渍在玻璃纤维中。最优选将真空包置于该组件上，促使浸渍。

接着，叠压层62湿覆到铜补丁53上。为了实现该目的，从叠压层62一侧去除分型膜，将暴露侧铺到铜箔段52上。然后从相对于补丁53的表面去除叠压层62的第二片分型膜。然后将层62用真空包包裹，以确保额外的环氧树脂完全渗入玻璃织物中。

最后，将热毯耦接到叠压层62，以约200±10华氏度的热毯温度在真空下固结玻璃纤维织物62层的环氧成分，持续约220分钟。然后取下热毯。

接着，在步骤190中，穿过固结的玻璃纤维层62、铜补丁53、外壳14并穿入底层垫片28和翼梁16钻新紧固件孔64。检查新紧固件孔64以确认位置和确定形状和尺寸。

在步骤200中，新的原始紧固件12借助传统技术穿过紧固件孔64湿安装(wet-installed)，所述技术包括在杆部24的非螺纹区域施加全紧密结合表面密封剂。在密封剂的工作寿命内拧转紧固件12。安装紧固件12，确认适当的夹持长度、头部平齐度、扭矩值，而且密封剂挤出后，去除过多的密封剂。

最后，在步骤210中，以类似上述形成原始涂料和底漆表面的方法，将底漆32和涂料42层重新涂刷到玻璃纤维叠压层62和紧固件12上。在图5中示出了获得的修补件。

现在参照图6的逻辑流程图，并如图7进一步示出，在本发明另一种优选方法中，以类似上述步骤100-160的相同材料和完全相同的方式执行步骤300-360。

接着，在步骤370中，一层玻璃纤维预浸渍体80施加到已经涂覆的铜补丁53上。玻璃纤维预浸渍体80包括以250华氏度或350华氏度固结的热固性环氧树脂预浸渍的E-glass织物。玻璃纤维预浸渍体80切割成配合修补后的区域54，带有超过该区域周边的0.5英寸重叠部。

在步骤380中，如果非支撑膜粘结剂和预浸渍体80的环氧成分固结温度相同，则玻璃纤维预浸渍体80中的环氧成分以及补丁53的环氧膜粘结剂60利用真空包技术和热毯同时固结。对于250华氏度固结来说，利用真空包技术和热毯，采用约255±10华氏度的温度，持续约2小时。对于350华氏度固结来说，利用真空包技术和热毯，采用约355±10华氏度的温度，持续约2小时。然后取下热毯和真空件，则预浸渍体80和粘结剂60的固结层冷却。

可替代的是，如步骤365和375所示，如果非支撑膜粘结剂60的固结温度不同于预浸渍体80中环氧成分的固结温度，则采用不同的方法。

首先，如步骤365所示，如上述方法的步骤170中所述，将非支撑膜粘结剂60固结，从而将铜箔段52结合到外壳14。

接着，在步骤375中，将环氧预浸渍体80铺在铜箔段52上，单独固结。对于250华氏度固结的热固性环氧粘结剂来说，利用真空包技术和热毯，采用约255±10华氏度的温度，持续约2小时。对于350华氏度固结的热固性环氧粘结剂来说，利用真空包技术和热毯，采用约355±10华氏度的温度，持续约2小时。然后预浸渍体80和粘结剂60的固结层冷却。

接着，从步骤375或者380进行到步骤390中，如步骤190中所述，穿过玻璃纤维预浸渍体80、铜箔段52、外壳14并穿入底层垫片18和翼梁16钻新紧固件孔64。

在步骤400中，将紧固件12重新插入，并基本上如步骤200所述进行固紧。

最后，在步骤410中，利用步骤210中所述技术，将底漆36层和涂料42层重新涂刷并固结到玻璃纤维预浸渍体80上，覆盖紧固件12。获得的修补好的机翼结构10在图7中最佳示出。

至此，说明了本发明用来修补被雷击或某些其他机械因素损坏的复合机翼结构10的两种优选方法。这种修补帮助维持防雷击系统的完整性，从而通过沿着机翼表面提供低阻抗路径而协助将闪电电流从燃料箱子结构转移走。因铜箔形成的并联路径阻抗较低，通过允许电流分布到相邻的紧固件中，这种修补还保持了降低目标紧固件上的电流密度。

优选实施例的方法相对简单且成本节约，在于采用了标准的复合修补材料，并且容易在相对短的时间内进行。这样就限制了修补商用飞行器的间歇时间，从而允许飞行器花费更多的时间来运输旅客和货物。

虽然已经针对优选实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明当然不限制于所述内容，因为特别是在前述教导下，本领域技术人员可以进行各种改动。