МОЛНИЕОТВОДЯЩАЯ СЕГМЕНТНАЯ ШИНА Российский патент 2005 года по МПК B64D45/02 H05F3/00 

Область техники

Изобретение относится к авиации, к индикаторным и защитным устройствам летательных аппаратов, более конкретно к устройствам молниезащиты, в частности, для защиты диэлектрических оболочек обтекателя антенны самолета, для повышения их молниестойкости.

Уровень техники

Известно устройство для отведения ударов молнии, защиты диэлектрических оболочек и оборудования, располагаемого под ними на летательных аппаратах (Патент США №4,796,153, 1989 г., НКИ 361-218).

Устройство содержит продольные диэлектрические пластины с закрепленными на их поверхностях с зазором электропроводными металлическими сегментами, выполненными на шине в два параллельных ряда. Сегменты первого ряда расположены в основании продольной диэлектрической пластины и электрически связаны с сегментами второго ряда, расположенного на верхней стороне шины.

Такое устройство сложно в изготовлении имеет низкую надежность, недостаточную молниестойкость.

Известно молниезащитное средство для обтекателя бортовой антенны самолета. (Патент США №3.416.027, НКИ 315-36), содержащее диэлектрическую продольную пластину, закрепленные на верхней поверхности с зазором металлические электропроводные сегменты, соединенные между собой резистивным слоем. Основа продольной пластины выполнена из стеклопластика толщиной 0,1 дюйма, резистивный материал (тип R-14). При этом зазор между сегментами равен 0,02 дюйма, длина сегмента составляет 0,15 дюйма, ширина продольной пластины равна 0,75 дюйма, ширина канала, в который вставляют сегменты, составляет 0,25 дюйма.

Связка из продольных пластин устанавливается на поверхности обтекателя, концы пластин заземляются с помощью электропроводных средств на массу самолета. Такое молниезащитное средство обеспечивает обтекателю радиопрозрачность.

Однако при повторных, ударах молнии происходит снижение молниестойкости устройства из-за большой плотности тока в пятне импульсной электрической дуги от удара молнии.

Таким образом, известное молниезащитное средство не обладает достаточными молниестойкостью и надежностью.

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является защита диэлектрических оболочек, создание молниеотводящего устройства, обладающего молниестойкостью при многократном воздействии молнии и повышенной надежностью.

Кроме того, устройство должно обладать достаточной радиопрозрачностью для исключения помех в работе радиооборудования, располагаемого под диэлектрической оболочкой.

Более того, устройство должно обладать низким аэродинамическим сопротивлением.

В соответствии с изобретением поставленная задача достигается тем, что в молниеотводящей сегментной шине, преимущественно, для защиты обтекателя антенны, выполненной в виде диэлектрической продольной пластины с закрепленными на ее поверхности с зазором металлическими электропроводными сегментами, соединенными между собой резистивным слоем, верхняя поверхность шины выполнена с диэлектрическим покрытием, нанесенным в виде полос, покрывающих поверхность сегментов и ограничивающих их открытую поверхность до минимальных поперечных размеров 15-25%, обеспечивающих горение дуги между сегментами при разряде молнии.

Кроме того, покрытие слоев выполнено из стеклопластика с асбестовым наполнителем толщиной 0,1-0,2 мм.

Более того сегменты выполнены со сквозным выступом в центральной его части и размещены между полосами диэлектрического покрытия на его толщину.

Диэлектрическое покрытие выполнено в виде круглого покрытия, нанесенного на центральную часть сегментов посредине шины, и двух боковых - по продольным кромкам шины.

Такое выполнение шины позволит увеличить ее молниестойкость при повторных ударах молнии, повысить надежность при обеспечении достаточной радиопрозрачности.

Перечень фигур на чертежах

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 представляет вид сверху на фрагмент молниеотводящей сегментной шины с круглыми плоскими сегментами, выполненной в соответствии с изобретением;

фиг.2 показывает продольное сечение А-А фиг.1;

фиг.3 показывает поперечное сечение В-В фиг.1;

фиг.4 показывает поперечное сечение В-В для молниеотводящей сегментной шины, выполненной с выступами в центре сегментов;

фиг.5 показывает поперечное сечение В-В для молниеотводящей сегментной шины, выполненной с круглым покрытием на сегментах в верхней их части;

фиг.6 показывает поперечное сечение В-В для молниеотводящей шины, выполненной с сегментами с кольцевыми выступами в верхней их части.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Молниеотводящая сегментная шина содержит в основании диэлектрическую продольную пластину 1, закрепленные на ее поверхности с зазором металлические электропроводные сегменты 2, тонкий резистивный слой 3, например электропроводящей краски (см. фиг.2), нанесенный на продольную пластину, связывающий между собой сегменты 2. Сегменты 2, устанавливаемые на молниеотводящих шинах, могут быть выполнены круглыми или квадратными.

Верхняя поверхность шины согласно изобретению выполнена с диэлектрическим покрытием 4, нанесенным в виде полос, покрывающих поверхность сегментов 2, ограничивающих их открытую поверхность до минимальных поперечных размеров d, равных 15-25% от ширины сегментов поперек направления тока (см.фиг.2 сечение А-А на фиг.1). Диэлектрическое покрытие 4 на верхней поверхности шины выполнено из стеклопластика с асбестовым наполнителем толщиной 0,1-0,3 мм. Возможны варианты выполнения молниеотводящей сегментной шины с плоскими металлическими сегментами (см. фиг.3 сечение В-В на фиг.1).

В этом случае молниеотводящая сегментная шина содержит диэлектрическую продольную пластину 1, покрытую резистивным слоем 3, закрепленные на шине сегменты 2. Сегменты 2 размещают на верхней поверхности шины по ее центру. На верхнюю поверхность шины наносят диэлектрическое покрытие 4 в виде двух полос по продольным кромкам шины, ограничивающих открытую центральную поверхность сегментов до минимального поперечного размера d 15-20% от ширины сегментов. Благодаря тому, что площадь сегмента, доступная для горения дуги, ограничена диэлектрическим покрытием до 15-25% от ширины сегмента, уменьшается величина плотности тока, протекающего через сегменты, что обеспечивает многократное действие сегмента и его молниестойкость. По результатам экспериментов определено, что поперечный размер сегмента (диаметр круга, сторона квадрата) должен лежать в диапазоне 4-7 мм, что обеспечивает приемлемые радиотехнические характеристики. Диэлектрическое покрытие на верхней поверхности шины выполнено толщиной 0,1-0,3 мм из стеклопластика с асбестовым наполнителем.

Молниеотводящая сегментная шина по второму варианту (см.фиг.4) содержит диэлектрическую подложку 1, покрытую резистивным слоем 3, закрепленные на верхней поверхности шины электропроводящие металлические сегменты 5, выполненные с выступами 6. Выступы 6 сегментов расположены вдоль центральной части шины между двух полос диэлектрического покрытия 7 на его толщину и ограничивающих открытую поверхность выступа до минимального поперечного размера d.

Возможны другие варианты выполнения молниеотводящей сегментной шины (см. фиг.5), когда молниеотводящая сегментная шина выполнена в виде диэлектрической продольной пластины 1, покрытой резистивным слоем 3. На верхней поверхности шины установлены плоские сегменты 8. Диэлектрические покрытия нанесены на верхнюю поверхность на боковые стороны 9 по продольным кромкам сегментной шины и в виде круглых покрытий 10 на центральную часть сегментов. При этом открытую часть сегментов ограничивают диэлектрическим покрытием до минимального поперечного значения d.

Возможен другой вариант выполнения сегментов. Так, например, молниеотводящая сегментная шина (см.фиг.6) содержит диэлектрическую продольную пластину 1, резистивный слой 3, с закрепленными на верхней поверхности пластины 1 с зазором электропроводными металлическими сегментами 11, сегменты выполнены с кольцевыми выступами 12 по своему периметру, а образованное углубление заполнено диэлектрическим покрытием заподлицо с кольцевыми выступами.

Диэлектрическое покрытие нанесено на верхнюю поверхность шины: на боковые части по продольным кромкам сегментной шины 13 и в углублениях сегментов 14 заподлицо с кольцевыми выступами. Ширина поперечного размера d сегмента выбирается из условия, чтобы открытая часть верхней поверхности сегмента была ограничена до минимального размера, выбранного из тех же условий, т.е. не более 15-25%.

Молниеотводящие шины выполнены для установки их на диэлектрических обтекателях, в частности на оболочке обтекателя антенны самолета.

Работа молниеотводящей сегментной шины

Молниеотводящая сегментная шина работает следующим образом.

При ударе молнии между металлическими сегментами 2 (см.фиг.1, 2) возникают электрические дуги, причем один из концов сегмента является анодом, а другой катодом. При увеличении протекающего тока площади, занимаемые анодными и катодными пятнами электрических дуг, увеличиваются, и когда эти пятна займут всю поверхность сегмента, над металлическими сегментами шины возникает проводящий канал в результате замыкания положительного и отрицательного столбов дугового канала, развившихся с противоположных концов металлического элемента (сегмента). В зависимости от геометрических параметров сегмента нормированный ток молнии может полностью разрушить (сжечь) металлический сегмент и, соответственно, молниезащитную шину, что приводит к утрате молниезащитных свойств. Можно добиться приемлемых повреждений (молниестойкости), увеличив сечение сегмента и, следовательно, толщину и массу шины. Поскольку молниезащитные шины закрепляются на носовых обтекателях летательных аппаратов, их влияние на аэродинамические и весовые характеристики обтекателя должны быть минимальными, поэтому увеличение сечений сегментов для обеспечения молниестойкости нежелательно. Приемлемое решение может быть найдено из следующих соображений.

Предположим, что имеется молниеотводящая шина, сегменты которой разрушаются при воздействии на нее тока молнии Iр и сохраняют работоспособность при воздействии существенно меньшего тока Iн. Отсюда следует, что необходимо внести такие конструктивные изменения в молниеотводящую шину, которые воспрепятствуют протеканию через сегменты тока, превышающего Iн. Из литературных источников [1-3] известно, что плотность тока J в пятне импульсной электрической дуги может достигать (10³-10⁴)А/мм² и в определенном временном интервале неизменна. Тогда разрушающий ток определится из выражения:

где S_h - площадь металлического сегмента.

Для того, чтобы уменьшить ток, протекающий через сегмент 3, до неразрушающей величины Iн, необходимо ограничить поверхность сегмента, доступную для существования дугового пятна. Это можно осуществить путем нанесения, как показано на фиг.1, на часть поверхности сегмента диэлектрического покрытия в виде полос 4, обладающего кратковременной дугостойкостью (например, минеральная эмаль или стеклопластик с асбестовым наполнителем), толщиной 0,1-0,3 м. Величина площади S_н, которая оставляется для дугового воздействия, определится из выражения:

Рассмотрим следующий пример:

Для сегментов размером 6×6×0,3 мм с сечением по протекающему току 6 мм×0,3 мм=18 мм и площадью, доступной для горения дуги S_h=6×6 мм, ток, при котором должно произойти переключение дуги, при плотности тока 10 кА/мм в соответствии с формулой (1) составит:

Ip=J Sh/2-10 кА/мм 36/2=180 кА

В литературе [4] известно, что проводник такого сечения разрушится (взорвется) при протекании импульса с амплитудой 155 кА. Если ограничить площадь сегмента, доступную для горения дуги, до величины 1,5 мм по ширине и 6 мм по длине, то переключение тока произойдет при токе с амплитудой 45 кА и разрушение сегмента не произойдет. Таким образом, для обеспечения многократного действия сегментной шины, как это следует из экспериментов, необходимо оставлять доступной для горения дуги 15-25% от ширины сегмента (поперек направления тока). Для обеспечения приемлемых радиотехнических характеристик максимальный размер сегмента (диаметр, сторона) должен находиться в пределах 4-7 мм.

Лабораторные испытания показали высокую эффективность шины.

Заявленная молниеотводящая сегментная шина обладает повышенными молниестойкостью и надежностью при обеспечении достаточной радиопрозрачности.

Литература:

1. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М. Наука, 1968, 244 с.

2. Залесский A.M. Электрические аппараты высокого напряжения. ГЭИ. Л. - М. 1967 г.

3. Стекольников И.С. Природа длинной искры. Изд-во АН СССР. Москва. 1967 г.

4. Взрывающиеся проволочки. Пер. с английского. Под редакцией А.А.Рухадзе. Издательство Иностранной Литературы. Москва. 1963 г. стр.77.

Изобретение относится к защитным устройствам летательных аппаратов и предназначено для использования при реализации молниезащиты диэлектрических оболочек обтекателя антенны самолета. Шина выполнена в виде диэлектрической продольной пластины с закрепленными на ее поверхности с зазором металлическими электропроводными сегментами. Последние соединены между собой резистивным слоем. Верхняя поверхность шины имеет диэлектрическое покрытие, нанесенное в виде полос, покрывающих поверхность сегментов. Полосы ограничивают открытую поверхность сегментов до минимальных поперечных размеров, обеспечивающих горение дуги между сегментами при разряде молнии. Изобретение характеризуется молниестойкостью при многократном воздействии молнии и повышенной эксплуатационной надежностью. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Молниеотводящая сегментная шина, преимущественно для защиты обтекателя антенны самолета, выполненная в виде диэлектрической продольной пластины с закрепленными на ее поверхности с зазором металлическими электропроводными сегментами, соединенными между собой резистивным слоем, отличающаяся тем, что верхняя поверхность шины выполнена с диэлектрическим покрытием, нанесенным в виде полос, покрывающих поверхность сегментов и ограничивающих их открытую поверхность до минимальных поперечных размеров, обеспечивающих горение дуги между сегментами при разряде молнии.2. Молниеотводящая сегментная шина по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическое покрытие на верхней поверхности шины выполнено нанесенным в виде двух полос из стеклопластика с асбестовым наполнителем, толщиной 0,1-0,3 мм.3. Молниеотводящая сегментная шина по п.2, отличающаяся тем, что сегменты выполнены с выступом между полосами диэлектрического покрытия, достигающим толщины покрытия.4. Молниеотводящая сегментная шина по п.2, отличающаяся тем, что сегменты выполнены с кольцевыми выступами по своему периметру, а образованное углубление заполнено диэлектрическим покрытием заподлицо с кольцевыми выступами.5. Молниеотводящая сегментная шина по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрическое покрытие выполнено в виде трех полос: одной центральной, проходящей посредине шины, и двух боковых, проходящих по продольным кромкам.