一、前言
雷电是伴有雷鸣和闪电的天气现象，主要是在雷雨云发展过程中，空气流动会使云层产生大量的电荷，当电荷积累到一定程度时，就会向其他带异性电荷的云层或大地发生迅猛的放电，在放电过程中，闪电通道内空气温度骤增，体积迅速膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣和闪电。
干燥的空气被1万伏特高压电场击穿的间距为1cm，如果空气的湿度由小到大呈阶梯式变化，击穿电压值也在几万伏特至几千伏特之间变化。一般来讲，强雷雨云电荷层所形成的对地电场电压为1亿伏特至10亿伏特左右。而在空气被击穿时所产生的电流是在3万至30万安培之间，由其所产生的电功率也是在1000万瓦特左右，这只是一次中等雷电的放电数据。云层对大地的剧烈放电，可能会对建筑物、电子电气设备和人、畜造成巨大危害。尽管云层与云层之间的放电不会对地面上的建筑物和人、动物造成大的影响，但是对在其中飞行的飞行器有很大危害。
雷电一般可以分成直击雷、电磁脉冲、球形雷和云闪四种，其中直击雷的危害性最大。
尽管飞机上设计和安装了防雷击的装置设备，但不可能完全避免遭受雷击，尤其在现代大中型飞机上大量使用复合材料，更容易遭受雷击，因此，飞机的防雷击设计只是尽量减少雷击对其的损坏，使得飞机在遭受雷击之后仍能继续安全飞行。
飞机遭受雷击后有两种受损模式：直接损伤和间接损伤，下文将对这两种损伤模式进行简要介绍，然后重点对间接损伤的形成原因、损伤现象、检查方式、预防措施等进行初步的分析。
二、飞机雷击的损伤模式和雷击区域
1、雷击损伤模式
据相关的统计，飞机平均每1万飞行小时就可能被雷击一次，雷击电流平均约为20000A左右，雷击电压约在10亿伏，平均一次雷击功率可达200亿千瓦(一般电饭锅功率为1千瓦)，但是由于放电时间仅为0.001秒左右，则平均电功率仅为5555千瓦时(度)左右。由于现代飞机的机壳和机翼基本上为一个完整的密闭金属壳体，根据静电屏蔽原理，这些强大的电流只能在机体外表面流过，会在入口和出口处留下大小不等的烧蚀点或者缺口，对飞机气动外形并无大的影响，既不会引燃机翼结构油箱里的燃油，也不会进入机身内部伤害到里面的乘客。
通常，根据雷击损伤检查的情况，飞机遭受雷击后主要有直接损伤和间接损伤两种损伤模式。
直接损伤是一种物理性损伤，比较直观明显，主要表现有几种现象：一是蒙皮和铆钉上出现烧蚀点、熔化点的情况，由于飞机相当于云层中的一段导体，基本上这种烧蚀点是成对出现的，一个电流进入点，一个是流出点。二是雷击电流流经机身表面，大电流会引起局部区域的高温，导致蒙皮表面漆层变色。三是近距离强烈的雷击会产生强烈声波，引起机身外部的薄金属蒙皮变形或者复合材料撕裂、分层等等。
图1：飞机蒙皮上典型的雷击点
图2：机翼尖部被雷击的放电刷和翼角
间接损伤则是另一种损伤模式，雷击电流流经机体表面时产生强电磁场，感应产生了强烈的瞬时电流和电压，会对机体内部的导线和系统造成的损伤，这种损伤可能是临时性的，雷击过后即可恢复正常，无需更换部件。但也有可能是永久性损伤，需要更换受损的部件。
另外，瞬间产生的强电磁场会磁化飞机上某些部件，例如，仪表显示器(CRT)显示失调，起落架、发动机吊架等含钢材料的部件被磁化等，这时候需要采取必要的措施进行检查和消磁工作。
为了减少雷击，通常采用两种方式：一是在机身或机翼突出部安装放电刷，以排放聚集在机体上的静电;二是采用导电性良好的导体，连接或者覆盖复合材料制造的机壳和部件。以上方式可以疏导电流，减少诱发雷击的因素，并不能完全杜绝飞机遭受雷击的情况。
2、飞机雷击区域的分类
飞机表面外形尖锐的区域是静电荷聚集强度较高的区域，如翼尖、天线、空速管等，也是容易遭受雷击的区域。通常，可将飞机各个部位遭受雷击的区域分成三类区域：
区域Ⅰ：
主要是在机翼翼尖、机头区域、机翼上突出部件(如天线)、发动机进气道、尾部、螺旋桨等表面区域。这部分区域也称为直接雷击区域，由于容易积累大量电荷，最容易遭受雷击，且受损的程度比较严重。
区域Ⅱ：
主要是指机身全表面、发动机短舱后部区域、水平安定面内侧、垂直安定面等区域。这部分区域容易遭受扫掠式雷击，会出现一连串的雷击点，有时多达几十个甚至上百个，受损的程度也不一样。
区域Ⅲ：
区域I、II之外的飞机机体外表面，相对而言，这部分遭受雷击的可能性较低，而在实际运行中报告的雷击数量也很少，主要原因是该区域表面平整、导电性能良好。
图3：飞机各部位的雷击区域划分
三、雷击产生强电磁场对飞机的影响
1、飞机遭受雷击时产生电磁场的过程
根据电磁学理论，电磁场(electromagnetic field)是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称，电磁场是电磁作用的媒递物，是统一的整体。随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场，也就是说，电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起。
均匀变化的电场能激发恒定的磁场，但是恒定的电场不能激发磁场。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的向量场，描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B，在空间里的任意位置都具有方向和数值大小。电磁场的特征及其运动变化规律可以由麦克斯韦方程组确定。
▽×E=-(dB/dt) 公式⑴
▽×B= μ J+ με(dE/dt) 公式⑵
E：电场强度，B：磁感应强度，J：总电流密度，▽×：旋度算符，μ：磁导系数，με：电导系数。
从公式⑴、⑵得出，若只有恒电场E，电流密度J=0，(dE/dt)=0，则B=0，所以恒电场不激发磁场。在均匀变化的电场情况下，可以产生恒电流，J=常数，B则不等于0，可以产生磁场。
由上可知，飞机遭受雷击时，整个飞机仅相当于雷击电流经过的一段导体，虽然雷击电流只是绕机身蒙皮表面流动，但是这个强电流会产生一个时变电磁场，在飞机内部产生很强的感应电流和电压，对导线或者系统部件造成损害;同时，当大电流集中在一个小的交叉区域时，还会产生一个很强的磁场，对该区域部件产生磁化作用。
2、飞机内部导线及部件的防雷击措施
不同于静态电场，时变电磁场的电场和磁场互为涡旋源，磁场与电场相互激励，相互依存，不可分割，形成电磁波。电磁感应会在导体内产生电动势，即为感应电动势，若将此导体闭合成一回路，则该感应电动势会驱使电子流动，形成感应电流。如果在导线或者电子电气部件内产生感应电流，轻则是造成噪声干扰，严重的甚至损坏导线或者内部元器件。
飞机的大部分电缆、导线都包裹一层网状静电屏蔽线，这种网状屏蔽线要完整包裹整个电缆或者导线，且两端必须接地良好，以平衡雷击造成的感应电动势，尽量避免屏蔽线内产生感应电流。
图4：屏蔽导线束和非屏蔽导线束
飞机上电子电气部件外壳为密闭的全金属外壳，金属壳也要接地良好，起到类似于导线束屏蔽层的作用。此外，在飞机内部有大量的接地线(又称搭铁线)，使得部件外壳能够良好接地，其目的就是平衡感应电势差，防止产生感应电流，保护部件受到雷击损坏。
3、磁性物质的简介
根据电磁学理论，磁石、磁铁、电流、时变电场等都会产生磁场，磁场会对处于其中的磁性物质或电流施加磁力，通过各种现象和测试手段即可显示出磁场的存在。当外磁场施加于某个磁性物体时，这个磁性物体的内部会被磁化，产生很多微小的磁偶极子。当外磁场移走之后，被磁化物体则可以保留很强的磁性，通过磁场强度计即可测出磁场强度，也就是被磁化的程度。铁，镍，钴等材料表现了很强的磁特性，所以磁学又被称为铁磁学。
物质的磁性大致可以分成三大类：抗磁性、顺磁性和铁磁性。一类物质的磁化率是负的，称之为抗磁性物质，这些物质在磁场中获得的磁矩方向与磁场方向相反，故在不均匀磁场中被推向磁场减弱的方向，即被磁场排斥;另一类物质的磁化率是正的，在不均匀磁场中被推向磁场增强的方向，即被磁场吸引，或被称为顺磁性物质。铁则另属一类，具有很强的磁性，也称为铁磁性。
这三类磁性物体表现出不同的特性：抗磁体的磁化率不依赖于磁场强度且一般不依赖于温度，顺磁体的磁化率不依赖于磁场强度而与绝对温度成反比(居里定律)，铁磁性物质的最明显的特点是易于磁化，它的磁化率比强顺磁物质要高几个数量级，并随磁场强度而变。磁化强度有饱和现象，即在一定温度下达到某强度时有不再随磁场的增强而增的趋势。温度对铁磁性的影响很大，铁的强磁性随温度上升而减弱，铁在某一温度以上将会失去其强磁性，这个温度点称为居里温度或居里点，纯铁的居里点为1043K。
除极少数像铁那样的强磁性物质外，一般物质的磁化率的绝对值都是很小的。一块铁被一个永磁体吸附，经过一段时间以后就会被 “磁化”，也成了一个永磁体。一般的铁块从强磁场移到磁场很弱的地方就失掉其磁化状态称为“去磁”或“退磁”。容易被磁化、也容易去磁的材料通称为软磁材料，例如成分近于纯铁的低碳钢。难于被磁化、也不易去磁的材料通称为硬磁或永磁体材料，如淬火了的、含碳和锰各约1%的铁就是最低级的硬磁材料。
图5：测量磁场强度的高斯表
四、飞机遭受雷击的磁化检查实例分析
飞机机身及结构的材料主要为铝合金材料，但是部分特殊区域，如起落架区域、发动机短舱、发动机吊架、风挡雨刮器等对材料强度有特殊要求的部位，使用了含有不同含量和特性的钢材料，其中一部分是易被磁化的部件。
我公司某架飞机飞行过程中被严重雷击，在地面进行检查时发现机身外表有大量的烧蚀点，前部机身的部分蒙皮出现高温炙烤后的变色症状，通电检查时还发现CRT类型仪表显示器的出现显示失真或者变色情况，LED类型显示器则没有异常情况。除了外部损伤和显示器损伤外，我们还对飞机上不同的区域进行了磁化强度测量，然后对被磁化的相应部件进行消磁处理，再次进行磁化强度测量，具体数据参见表1。表1中的磁化强度的纵向是指磁化强度最大的方向，横向则是与之垂直的方向，也是磁化强度最弱的方向。
表1：消磁前后的磁化强度数据(单位：高斯)
从表1数据看出，飞机上被雷击磁化的部件既有在飞机外表突出部位，如起落架支柱和雨刮器，但是也有在蒙皮里的部件，如发动机包皮里的安装吊架。此外，在磁化部件的不同方向，磁化强度也是不一样的，有一个变化的数值，这说明雷击产生的电磁场是一个包围着整架飞机时变电磁场，飞机所有的部件都会受到不同程度的影响，据当事机组反映，雷击时听到了一声巨响，驾驶舱部分设备和仪表出现短暂失效，但是先后恢复正常，没有影响飞机继续飞行。
以铝质和不锈钢材料制造的部件没有被磁化，如座椅安装滑轨是不锈钢材料，磁化强度为0，而一部分含钢材料制造的部件很容易被磁化，如起落架的被磁化强度明显偏高。在遭受雷击的2个月之后，我们对这架飞机各个部位的磁化强度进行测量，左主起落架支柱的磁化强度依然保持在6高斯，右主起落架支柱下降为1高斯，左右发动机安装吊架下降为1高斯，其它部件已经的磁化强度均为0。以上情况说明，磁化的程度和保留时间主要取决于部件的材料，经过一段时间之后，磁化情况轻微的部件可以自然消磁，但是对磁化严重的部件效果不明显。
针对这架飞机消磁工作使用的磁轭，最高只能产生5高斯的交变磁场，这对磁化强度为6高斯的左主起落架，没有起到任何消磁的作用，但对相对磁化程度较低的部件，磁轭的消磁效果则比较明显。
需要注意的是，在使用磁轭进行消磁工作时，必须按照规定的要求进行操作，磁轭不要直接接触物体，一般情况下，必须在离开被消磁物体30cm以上的距离时才能断电关闭磁场，以免产生二次磁化。
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