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摘要：为实现飞机导线轻量化，对民用飞机使用铝导线替代铜导线进行详细分析。首先对国内外飞机上的铝导线应用情况及铝导线的架构进行调查分析，并对铝铜导线替代参数进行对比，其次分析使用铝导线后的接线端子压接及相关工艺，从而提出民用飞机应用铝导线的建议。
关键词：民用飞机；导线材料；减重分析；接线端子工艺
引言
随着民用飞机设计制造工艺的不断提高，其性能的优劣很大程度取决于重量。若减轻飞机重量，能够提升型号商载能力、提高飞机经济性、增加商业利润、增强国际竞争力。电缆减重为全机减重的重要途径之一，在民机研制过程中得到越来越多的重视。本文从应用调查、架构研究、数据比对、工艺分析四个方面对民用飞机铝导线应用情况进行详细地分析，研究铜铝导线的替换是否能有效实现导线轻量化，分析使用铝导线替换铜导线存在的特定风险及相应的缓解措施，并对铝导线的应用提出合理的建议。
1 铝导线国内外飞机上的应用情况
上世纪五六十年代，前苏联安东诺夫设计局研制的两款运输机：安-24 及安-12，由中国引进。这两款飞机上的馈电线使用纯铝导线。
六七十年代，我国参照前苏联设计的运输机，研制生产运-7及运-8。馈电线采用沈阳电缆厂生产的纯铝导线，并形成了航标铝导线。然而，在使用过程中发现航标铝导线存在外绝缘材料易破损、压接端子处易腐蚀的问题。
到八十年代，运-7及运-8飞机经改型后，除环控系统供电仍旧使用航标铝导线之外，全机交/直流供电导线采用镀锡铜线，但和原先铝导线相比，重量增加350Kg。
为了克服纯铝导线耐腐蚀性差的缺点，线缆制造商研制出了铝合金导线。现今国外波音及空客飞机上，铜馈电线主要应用于高振动区域和高温度区域，例如机翼与发动机连接的位置、引擎内部。而除此之外的其他增压或非增压区域，均存在使用铝导线作为馈电线的情况。
2铝导线架构
a）企标0438 标准铝导线
0438 标准铝导线的导体为铝镀镍，线规范围为AWG6～00，此类导线的绝缘层有两个显著特点：
1）绝缘层采用的聚酰亚胺缠绕带绕包，防水解性能相对较差；
2）绝缘层外层增加了类似防弹衣材料Nomex保护层，耐磨性、阻燃性大幅提高。
目前大量飞机的馈电线都在应用此类铝导线，例如A320 改进型及直-15（EC175）。
b）企标0949 标准铝导线
线规范围为AWG24～000，此标准的铝导线的最外层有一层PTFE 缠绕带绕包，防水解效果显著提高。不同线规的导线的构架有所不同：
1）AWG24～22 为镀镍铜包铝合金導线；
2）AWG20～10 为镀镍铜包铝合金导线；
3）AWG8～4 为镀镍铜包铝合金导线；
4）AWG3～000 为镀镍铝导线。
3 铝铜导线替代参数对比
比较铜导线和铝导线的重量的一个基本原则是：保证导线具有相当的载流量。而决定载流量的因素有：导线温度等级、运行高度和电压降。
由公式（1）和（2）可推导出：
式中是导线重量，是导体电阻，是导线长度，是导线半径。
不同材质的参数如表1所示：
为保证导线具有相同的载流量，应确保导线的电阻值相同。在导线长度相同的情况下，导线导体重量取决于导体密度及导体的电阻率。
经计算，不同材质导线的单位长度重量及减重情况如表2所示：
假设：馈电线使用情况为极端环境温度为85℃，允许的最大温升为40℃，飞机巡航高度30000ft，馈电线单根敷设，且有载电流100%。
分析：导线最大额定载流量与环境温度、飞机飞行高度、线束中的导线数量以及不同阶段通电的导线束有关。因为替代是基于相同条件，故该假设不会对替代关系造成影响。
为使铜铝导线具有相同的载流量，两者的替代关系如表3及表4所示：
在允许温升相同的情况下，从铝导线代替不同温度等级的铜导线的替代结果中可以看出：
a）相同线规的铜导线，温度等级越高，安全系数越大，直径和重量越小，单就导线本身来说，成本会提高。但是总的导线成本需从全机角度考虑，与飞机用的导线的总类及数量有很大关系；
b）在相同载流量、相同温升的情况下，使用铝导线替换后，导线直径有所增大，但是减重效果明显。
4接线端子及相关工艺分析
与导线选择类似，考虑重量因素，在满足安全性的前提下，应尽可能选择重量较轻的铝合金端子。但在选择时，需要考虑以下两个问题：
a）拉脱力的大小
铝的抗拉强度比铜小，铜线在拉脱力大小方面优于铝线。
b）铝端子与铜包铝导线的原电池反应
为了避免铜铝之间发生原电池反应，压接示意如图1所示：
1）增加防水垫圈切断原电池反应的条件；
2）增加抗氧化剂导电膏。抗氧化剂导电膏含有大量的锌、银颗粒，经过挤压后形成电桥，从而对铝进行保护，接触电阻减小约60%。
c）若设计选用铝导线，则需要对铝质端子、接触件、端接工具等工艺规范进行相应扩充，并对制造部门操作人员进行铝导线工艺处理方法培训。
5结论
铝导线的使用已经成为民机电缆减重的一个重要途径，已在国外多个民用飞机上应用，结果验证有效可行。从安全性的角度出发，为降低使用铝导线的风险，提出以下建议：
1）对飞机厨房、盥洗室等客户可选项的电缆或飞机馈电线应用铝导线；
2）在经热环境分析可接受的区域应用铝导线；
3）选用外层为PTFE 缠绕带绕包的铝导线，有助于降低水解风险； 4）选择已在其他机型上认证过的供应商和产品。
参考文献：
[1]戴雅康. 铜包铝导线的特性及其在变压器绕组中的应用[J]. 变压器. 2006，第43卷，第6期：13-15.
[2]李哲曌，曾竟成，杜刚. 复合材料线芯铝导线的应用 [J].电网技术，2006，第30卷：225-227.
[3]余虹云，袁群. 全铝合金导线与钢芯铝导线能耗的对比分析[J]. 电力技术，2000年，第2期：31-33.
[4]孟宪彬，戴云飞，王红辉. 碳纤维复合芯软铝导线金具的选用[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2015年，第1期：41-42.
[5]李安，赵艳丽，赵勇慧，吴崧，张学忠. 铜包铝线的规格与性能 [J]. 有色金属加工，200年，第37卷，第3期：34-35.
[6] P.V. Suneesh，T.G. SatheeshBabu，and T. Ramachandran.Electrodeposition of aluminium and aluminium-copper alloys from aroom temperature ionic liquid electrolyte containing aluminiumchloride and triethylamine hydrochloride [J]. International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2013，Volume 20，Number 9：909-916.
[7] Run-ze CHAO，Xi-hua GUAN，Ren-guo GUAN，Di TIE，Chao LIAN，Xiang WANG，Jian ZHANG. Effect of Zr and Sc on mechanical properties andelectrical conductivities of Al wires [J]. Transactions of Nonferrous Metal Society of China，2014，24：3164?3169.
作者简介：
陈榆涵 中国商飞上海飞机设计研究院 电气集成部 EWIS专业 设计研发Email：chenyuhan@comac.cc（Footnotes）铝合金导线中的合金成分比例极小，铝合金的密度及电阻率与纯铝近似。
关键词：民用飞机；导线材料；减重分析；接线端子工艺
引言
随着民用飞机设计制造工艺的不断提高，其性能的优劣很大程度取决于重量。若减轻飞机重量，能够提升型号商载能力、提高飞机经济性、增加商业利润、增强国际竞争力。电缆减重为全机减重的重要途径之一，在民机研制过程中得到越来越多的重视。本文从应用调查、架构研究、数据比对、工艺分析四个方面对民用飞机铝导线应用情况进行详细地分析，研究铜铝导线的替换是否能有效实现导线轻量化，分析使用铝导线替换铜导线存在的特定风险及相应的缓解措施，并对铝导线的应用提出合理的建议。
1 铝导线国内外飞机上的应用情况
上世纪五六十年代，前苏联安东诺夫设计局研制的两款运输机：安-24 及安-12，由中国引进。这两款飞机上的馈电线使用纯铝导线。
六七十年代，我国参照前苏联设计的运输机，研制生产运-7及运-8。馈电线采用沈阳电缆厂生产的纯铝导线，并形成了航标铝导线。然而，在使用过程中发现航标铝导线存在外绝缘材料易破损、压接端子处易腐蚀的问题。
到八十年代，运-7及运-8飞机经改型后，除环控系统供电仍旧使用航标铝导线之外，全机交/直流供电导线采用镀锡铜线，但和原先铝导线相比，重量增加350Kg。
为了克服纯铝导线耐腐蚀性差的缺点，线缆制造商研制出了铝合金导线。现今国外波音及空客飞机上，铜馈电线主要应用于高振动区域和高温度区域，例如机翼与发动机连接的位置、引擎内部。而除此之外的其他增压或非增压区域，均存在使用铝导线作为馈电线的情况。
2铝导线架构
a）企标0438 标准铝导线
0438 标准铝导线的导体为铝镀镍，线规范围为AWG6～00，此类导线的绝缘层有两个显著特点：
1）绝缘层采用的聚酰亚胺缠绕带绕包，防水解性能相对较差；
2）绝缘层外层增加了类似防弹衣材料Nomex保护层，耐磨性、阻燃性大幅提高。
目前大量飞机的馈电线都在应用此类铝导线，例如A320 改进型及直-15（EC175）。
b）企标0949 标准铝导线
线规范围为AWG24～000，此标准的铝导线的最外层有一层PTFE 缠绕带绕包，防水解效果显著提高。不同线规的导线的构架有所不同：
1）AWG24～22 为镀镍铜包铝合金導线；
2）AWG20～10 为镀镍铜包铝合金导线；
3）AWG8～4 为镀镍铜包铝合金导线；
4）AWG3～000 为镀镍铝导线。
3 铝铜导线替代参数对比
比较铜导线和铝导线的重量的一个基本原则是：保证导线具有相当的载流量。而决定载流量的因素有：导线温度等级、运行高度和电压降。
由公式（1）和（2）可推导出：
式中是导线重量，是导体电阻，是导线长度，是导线半径。
不同材质的参数如表1所示：
为保证导线具有相同的载流量，应确保导线的电阻值相同。在导线长度相同的情况下，导线导体重量取决于导体密度及导体的电阻率。
经计算，不同材质导线的单位长度重量及减重情况如表2所示：
假设：馈电线使用情况为极端环境温度为85℃，允许的最大温升为40℃，飞机巡航高度30000ft，馈电线单根敷设，且有载电流100%。
分析：导线最大额定载流量与环境温度、飞机飞行高度、线束中的导线数量以及不同阶段通电的导线束有关。因为替代是基于相同条件，故该假设不会对替代关系造成影响。
为使铜铝导线具有相同的载流量，两者的替代关系如表3及表4所示：
在允许温升相同的情况下，从铝导线代替不同温度等级的铜导线的替代结果中可以看出：
a）相同线规的铜导线，温度等级越高，安全系数越大，直径和重量越小，单就导线本身来说，成本会提高。但是总的导线成本需从全机角度考虑，与飞机用的导线的总类及数量有很大关系；
b）在相同载流量、相同温升的情况下，使用铝导线替换后，导线直径有所增大，但是减重效果明显。
4接线端子及相关工艺分析
与导线选择类似，考虑重量因素，在满足安全性的前提下，应尽可能选择重量较轻的铝合金端子。但在选择时，需要考虑以下两个问题：
a）拉脱力的大小
铝的抗拉强度比铜小，铜线在拉脱力大小方面优于铝线。
b）铝端子与铜包铝导线的原电池反应
为了避免铜铝之间发生原电池反应，压接示意如图1所示：
1）增加防水垫圈切断原电池反应的条件；
2）增加抗氧化剂导电膏。抗氧化剂导电膏含有大量的锌、银颗粒，经过挤压后形成电桥，从而对铝进行保护，接触电阻减小约60%。
c）若设计选用铝导线，则需要对铝质端子、接触件、端接工具等工艺规范进行相应扩充，并对制造部门操作人员进行铝导线工艺处理方法培训。
5结论
铝导线的使用已经成为民机电缆减重的一个重要途径，已在国外多个民用飞机上应用，结果验证有效可行。从安全性的角度出发，为降低使用铝导线的风险，提出以下建议：
1）对飞机厨房、盥洗室等客户可选项的电缆或飞机馈电线应用铝导线；
2）在经热环境分析可接受的区域应用铝导线；
3）选用外层为PTFE 缠绕带绕包的铝导线，有助于降低水解风险； 4）选择已在其他机型上认证过的供应商和产品。
参考文献：
[1]戴雅康. 铜包铝导线的特性及其在变压器绕组中的应用[J]. 变压器. 2006，第43卷，第6期：13-15.
[2]李哲曌，曾竟成，杜刚. 复合材料线芯铝导线的应用 [J].电网技术，2006，第30卷：225-227.
[3]余虹云，袁群. 全铝合金导线与钢芯铝导线能耗的对比分析[J]. 电力技术，2000年，第2期：31-33.
[4]孟宪彬，戴云飞，王红辉. 碳纤维复合芯软铝导线金具的选用[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2015年，第1期：41-42.
[5]李安，赵艳丽，赵勇慧，吴崧，张学忠. 铜包铝线的规格与性能 [J]. 有色金属加工，200年，第37卷，第3期：34-35.
[6] P.V. Suneesh，T.G. SatheeshBabu，and T. Ramachandran.Electrodeposition of aluminium and aluminium-copper alloys from aroom temperature ionic liquid electrolyte containing aluminiumchloride and triethylamine hydrochloride [J]. International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2013，Volume 20，Number 9：909-916.
[7] Run-ze CHAO，Xi-hua GUAN，Ren-guo GUAN，Di TIE，Chao LIAN，Xiang WANG，Jian ZHANG. Effect of Zr and Sc on mechanical properties andelectrical conductivities of Al wires [J]. Transactions of Nonferrous Metal Society of China，2014，24：3164?3169.
作者简介：
陈榆涵 中国商飞上海飞机设计研究院 电气集成部 EWIS专业 设计研发Email：chenyuhan@comac.cc（Footnotes）铝合金导线中的合金成分比例极小，铝合金的密度及电阻率与纯铝近似。