導(dǎo)彈靜電放電效應(yīng)及其防護(hù)裝置應(yīng)用研究*

張力,張家俊,李鑫宇,司曉亮

(1.強(qiáng)電磁環(huán)境防護(hù)技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.飛機(jī)雷電防護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

0 引言

導(dǎo)彈是高科技的結(jié)晶，具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高、突防能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)，已成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中維持戰(zhàn)略平衡的支柱和進(jìn)行不對(duì)稱作戰(zhàn)的主角。導(dǎo)彈的飛行環(huán)境是極其復(fù)雜的，其中，靜電環(huán)境是影響導(dǎo)彈飛行安全的關(guān)鍵因素之一。

導(dǎo)彈的電子電氣設(shè)備和系統(tǒng)高度集成，電磁敏感性閾值較低。當(dāng)導(dǎo)彈受到靜電放電導(dǎo)致的電磁脈沖干擾，輕則使制導(dǎo)、通訊等系統(tǒng)的噪聲增大，影響正常任務(wù)執(zhí)行；嚴(yán)重時(shí)還可以造成任務(wù)系統(tǒng)不同程度的功能失效，甚至引起戰(zhàn)斗部電火工品誤觸發(fā)等現(xiàn)象[1-2]。20世紀(jì)以來(lái)，已有多型導(dǎo)彈裝備發(fā)生過(guò)靜電安全性問(wèn)題，如“雷神-德?tīng)査毙瓦\(yùn)載火箭、“民兵”I型洲際彈道導(dǎo)彈等，曾先后發(fā)生過(guò)由于靜電放電導(dǎo)致的重大事故[3]。

靜電環(huán)境是導(dǎo)彈無(wú)法避免的外部自然電磁環(huán)境，靜電防護(hù)是導(dǎo)彈研制的剛性要求。為有效降低靜電放電危害，提高導(dǎo)彈的安全性和外部電磁環(huán)境適應(yīng)性，必須對(duì)其進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。靜電放電器是用于導(dǎo)彈靜電防護(hù)的重要裝置，具有成熟和可行的工程方案。

1 靜電放電起因

靜電放電的本質(zhì)是相鄰物體間存在不同的靜電電位而引起的電荷轉(zhuǎn)移。導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，其表面的靜電荷沉積途徑主要有微粒碰撞和電磁場(chǎng)感應(yīng)2種方式。

1.1 微粒碰撞

大氣中存在著多種微粒環(huán)境，如空氣、灰塵、和降水等。地球可等效為一個(gè)電容，由電離層、大地和大氣構(gòu)成，其中大地具有500 kC左右的負(fù)電荷，中間形成的地球靜電場(chǎng)，電壓約300 kV。大氣是地球靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)。在地球靜電場(chǎng)的作用下，大氣中的灰塵、無(wú)極分子(如N2，O2，CO2等)、有極分子(如H2O，CO，SO2等)等微粒會(huì)發(fā)生電介質(zhì)極化現(xiàn)象。極化后的大氣微粒，宏觀上與地球靜電場(chǎng)的電場(chǎng)方向一致，即負(fù)電荷在上，正電荷在下。導(dǎo)彈運(yùn)行時(shí)，在氣流、重力、溫升等多物理效應(yīng)下，會(huì)與大氣微粒連續(xù)發(fā)生碰撞、結(jié)合、剝落、分離等相對(duì)狀態(tài)的變化，此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電子或正離子轉(zhuǎn)移，使導(dǎo)彈帶上靜電荷(具有單極性特征[4])，電壓一般可達(dá)到幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏，最高可達(dá)300 kV[5]。

1.2 電磁場(chǎng)感應(yīng)

大氣中存在著多種電磁環(huán)境，包括自然環(huán)境因素(如雷電、靜電、天電噪聲等)和人為環(huán)境因素(如高強(qiáng)度輻射場(chǎng)、高功率微波等)，不同空域的大氣電磁環(huán)境在時(shí)域、頻域等特征方面存在巨大差異，非常復(fù)雜。當(dāng)導(dǎo)彈在大氣中飛行時(shí)，受鄰近電磁場(chǎng)作用，導(dǎo)彈的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)會(huì)因靜電感應(yīng)而產(chǎn)生電荷(具有雙極性特征)，并分布于外表面。對(duì)于整個(gè)導(dǎo)彈而言，因電磁場(chǎng)感應(yīng)引起的感應(yīng)電荷凈電量為0。導(dǎo)彈的感應(yīng)電荷數(shù)量受到電場(chǎng)強(qiáng)度、飛行速度、有效充電面積等因素的影響，其電場(chǎng)強(qiáng)度低于外部環(huán)境。當(dāng)導(dǎo)彈表面的靜電荷沉積達(dá)到一定程度，就會(huì)在導(dǎo)彈外部曲率較大的尖端位置和不同介質(zhì)材料的搭接處等部位發(fā)生靜電放電。

2 靜電放電類型

隨著靜電荷的沉積，導(dǎo)彈與周?chē)h(huán)境之間的電位差持續(xù)增大，直至在某些尖端部位，局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)空氣電離場(chǎng)強(qiáng)，使空氣發(fā)生電暈放電。當(dāng)電暈放電后導(dǎo)彈的電荷沉積速率仍大于電荷消散速率，其自身電位會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，最終擊穿大氣，產(chǎn)生靜電放電。典型如導(dǎo)彈外部的非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(如導(dǎo)引頭罩、中部殼體構(gòu)件等)會(huì)發(fā)生流光放電；孤立導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(如傳感器、天線等)，會(huì)發(fā)生火花放電[6]。靜電放電現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間較短，但由此引起的寬頻電磁干擾是造成導(dǎo)彈導(dǎo)航、通信等系統(tǒng)噪聲的主要根源之一。

2.1 高壓電暈放電

高壓電暈放電一般發(fā)生在導(dǎo)彈尖端結(jié)構(gòu)，如彈翼尖端、天線尖端和其他曲率半徑較小的部位。電暈放電屬于寬帶干擾，會(huì)產(chǎn)生重復(fù)脈沖式電暈電流，其產(chǎn)生的電暈電流單周期的上升沿約10 ns，噪聲頻譜通常低于30 MHz。電暈放電對(duì)工作在甚低頻(VLF)、低頻(LF)和中頻(MF)的機(jī)載外部電子電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。影響電暈放電頻率和幅值等特性的主要因素是：環(huán)境溫度、飛行高度和空氣流速等。

2.2 表面流光放電

表面流光放電一般發(fā)生在導(dǎo)彈外部非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，如導(dǎo)引頭罩、中部過(guò)渡段殼體構(gòu)件等。流光放電會(huì)產(chǎn)生高電平的單脈沖式流光電流，其產(chǎn)生的流光電流最大脈寬可達(dá)200 ns，噪聲頻譜通常低于1 MHz，干擾一般不會(huì)延伸至更高頻段。對(duì)導(dǎo)彈而言，流光放電導(dǎo)致的電磁干擾遠(yuǎn)不如其他2種靜電放電現(xiàn)象明顯。影響流光放電效果的主要因素是：材料的物理特性(包括電導(dǎo)率、幾何外形等)、電搭接和電荷沉積速率等。

2.3 火花電弧放電

火花電弧放電一般發(fā)生在導(dǎo)彈表面的不同結(jié)構(gòu)之間，如天線與非導(dǎo)電外殼之間、復(fù)合材料表面與其他導(dǎo)電部件之間等。火花放電是靜電放電現(xiàn)象中最強(qiáng)烈的放電形式，其能量密度遠(yuǎn)大于電暈放電和流光放電，具有振蕩特征。火花放電會(huì)產(chǎn)生甚高頻和超高頻的噪聲干擾，其放電通道的電流密度可達(dá)107～108A/mm2，弧端和放電通道的最高溫度可達(dá)12 000 ℃。影響火花放電效果的主要因素是：放電能量、不同結(jié)構(gòu)之間的電特性差異程度和等效電容等。

3 靜電放電效應(yīng)

導(dǎo)彈的靜電放電效應(yīng)主要包括電流輻射效應(yīng)和電磁脈沖效應(yīng)兩方面[7-8]。

3.1 電流輻射效應(yīng)

美國(guó)自動(dòng)車(chē)工程師協(xié)會(huì)的相關(guān)靜電防護(hù)研究人員長(zhǎng)期觀測(cè)飛行器工作狀態(tài)下的靜電放電現(xiàn)象及其效應(yīng)，依托相關(guān)研究成果編制了目前國(guó)際上普遍采用的SAE ARP 5672《Aircraft Precipitation Static Certification》標(biāo)準(zhǔn)，首次明確了飛行器的靜電充電電流It(μA)取決于飛行器的飛行速度v(m/s)、有效充電面積Aeff(m2)、飛行環(huán)境中的粒子濃度c(粒子/m3)和單個(gè)粒子可轉(zhuǎn)移的電荷量qp(C/粒子)。該標(biāo)準(zhǔn)中定義了飛行器靜電充電電流的最大理論值計(jì)算方式：

It=vAeffcqp.

(1)

GJB 8848-2016《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法》中，將SAE ARP 5672標(biāo)準(zhǔn)中與氣象條件相關(guān)的飛行環(huán)境中的粒子濃度c和單個(gè)粒子可轉(zhuǎn)移的電荷量qp之積等效為充電電流密度Ic(μA/m2)，并給出了不同氣象條件下的靜電充電電流密度Ic的典型值范圍，見(jiàn)表1。

表1 不同云層的靜電充電電流密度Table 1 Electrostatic charge current density of different clouds

當(dāng)導(dǎo)彈穿越云層中的電荷中心時(shí)將會(huì)遭遇最嚴(yán)酷的沉積靜電環(huán)境。由于導(dǎo)彈等效電容很小(≤1 μf)，因此，幾十μA的充電電流便會(huì)使導(dǎo)彈表面電位驟然上升到足以在導(dǎo)彈突起部位產(chǎn)生可電暈放電的場(chǎng)強(qiáng)。導(dǎo)彈靜電放電現(xiàn)象無(wú)法杜絕，其放電電流的輻射效應(yīng)為高空、高速、隱身目標(biāo)的探測(cè)提供了一種創(chuàng)新的解決思路。針對(duì)導(dǎo)彈飛行期間產(chǎn)生的可感測(cè)放電輻射效應(yīng)研究情況[9]，見(jiàn)圖1,2。

圖1 有無(wú)安裝靜電放電器的靜電放電電流比對(duì)Fig.1 Comparision of electrostatic discharge current with or without installation of electrostatic dischargers

圖2 有無(wú)安裝靜電放電器的放電輻射信號(hào)強(qiáng)度比對(duì)Fig.2 Comparison of discharge radiation signal intensity with or without installation of electrostatic dischargers

研究成果表明，在系統(tǒng)架構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，安裝靜電放電器可將導(dǎo)彈自身尖端強(qiáng)烈的高壓電暈放電過(guò)程轉(zhuǎn)變成平穩(wěn)舒緩的靜電放電器電暈放電過(guò)程。在約50 mA的靜電充電電流條件下，相較于導(dǎo)彈原先的靜電放電現(xiàn)象，可取得優(yōu)于50 dB的降噪性能，使其輻射信號(hào)的可探測(cè)距離只僅為原距離的0.3%，具有極高的戰(zhàn)略價(jià)值[10]。

3.2 電磁脈沖效應(yīng)

靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖效應(yīng)可簡(jiǎn)稱為靜電放電電磁脈沖(Electrostatic Discharge Electromagnetic Pulse,ESD EMP)，具有寬頻帶、高電壓、低電流的特點(diǎn)。靜電放電電磁脈沖的能量較小，一般不會(huì)對(duì)導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)造成物理性損傷，但它會(huì)造成導(dǎo)彈的通信、遙測(cè)、導(dǎo)航、軍械等系統(tǒng)出現(xiàn)功能性干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至可能觸發(fā)導(dǎo)彈的制導(dǎo)計(jì)算機(jī)、電火工品等，導(dǎo)致導(dǎo)彈發(fā)生空中自爆、無(wú)法返航等重大安全事故。

20世紀(jì)50年代中期，美軍曾進(jìn)行“民兵”I型洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)，但2枚導(dǎo)彈升空后不久相繼發(fā)生由于飛行姿態(tài)失常而引起的自毀爆炸。經(jīng)調(diào)查分析，導(dǎo)彈升空前已進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，無(wú)未處理隱患。確認(rèn)事故原因?yàn)樵撔蛯?dǎo)彈在結(jié)構(gòu)上存在導(dǎo)電的不連續(xù)性(導(dǎo)彈的前部與后部絕緣)；在飛行過(guò)程中，彈體發(fā)生靜電荷沉積，在前后兩絕緣段間出現(xiàn)了靜電放電現(xiàn)象，產(chǎn)生了嚴(yán)重的靜電電磁脈沖干擾，導(dǎo)致導(dǎo)彈的控制與制導(dǎo)系統(tǒng)失靈，并啟動(dòng)自毀裝置，導(dǎo)彈空中爆炸解體。

為復(fù)現(xiàn)靜電放電電磁脈沖導(dǎo)致的導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的功能性故障，采用靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試靜電放電對(duì)某天線接收端信號(hào)的影響情況[11]，見(jiàn)表2。

表2 不同靜電干擾環(huán)境下的天線信號(hào)接收情況Table 2 Antenna signal reception under different electrostatic interference environment

根據(jù)表2和圖3～5，比較該天線在無(wú)靜電干擾、弱靜電干擾和強(qiáng)靜電干擾3種條件下的信號(hào)接收情況?？梢园l(fā)現(xiàn)：

圖3 無(wú)靜電放電干擾時(shí)天線接收到的信號(hào)波形Fig.3 Signal waveform received by antenna under the interference without electrostatic discharge

圖4 弱靜電放電干擾時(shí)天線接收到的信號(hào)波形Fig.4 Signal waveform received by antenna under the interference with slight electrostatic discharge

圖5 強(qiáng)靜電放電干擾時(shí)天線接收到的信號(hào)波形Fig.5 Signal waveform received by antenna under the interference with severe electrostatic discharge

(1) 弱靜電放電干擾時(shí)，電場(chǎng)天線和磁場(chǎng)天線的通訊信號(hào)波形未發(fā)生明顯變化，但電場(chǎng)天線接收到的噪音干擾已增加到無(wú)干擾時(shí)的5倍；

(2) 強(qiáng)靜電放電干擾時(shí)，電場(chǎng)天線和磁場(chǎng)天線都受到明顯影響。其中，電場(chǎng)天線的噪音干擾已經(jīng)徹底覆蓋了正常通訊信號(hào)，磁場(chǎng)天線接收到的噪音干擾已增加到無(wú)干擾時(shí)的10倍。

高速飛行的導(dǎo)彈會(huì)在其非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的表面迅速產(chǎn)生靜電荷沉積，抬升各部件之間的電位差，引發(fā)高壓電暈放電、表面流光放電或火花電弧放電，導(dǎo)致靜電放電電磁脈沖產(chǎn)生。靜電放電電磁脈沖會(huì)顯著增加導(dǎo)彈天線接收端的噪音電平，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比急劇下降，甚至引發(fā)其他嚴(yán)重事故。因此，導(dǎo)彈必須采取防護(hù)措施，減小或消除靜電放電效應(yīng)。

4 靜電放電器類型

隨著導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料的比重越來(lái)越大，以及智能蒙皮技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)彈的靜電防護(hù)變得更加重要。導(dǎo)彈靜電放電的主要威脅來(lái)源于電暈放電，可通過(guò)在彈翼、尾翼及其后緣等靜電荷最易累積的部位安裝足夠數(shù)量的靜電放電器進(jìn)行防護(hù)。靜電放電器可以低噪聲的方式緩慢的釋放導(dǎo)彈表面的靜電荷，而不產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，有效降低了外部尖端結(jié)構(gòu)的電暈閾值電壓，提高了導(dǎo)彈的靜電安全性。

靜電放電器主要分為后緣型和尖端型：

(1) 后緣型放電器安裝在導(dǎo)彈機(jī)翼和安定面的后緣，平行固定；

(2) 尖端型放電器安裝在導(dǎo)彈機(jī)翼和安定面的尖端，成30°傾角固定。

靜電放電器安裝基座主要有3種安裝方式：粘接、鉚接和螺接。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)安裝基座，可以快速完成靜電放電器維護(hù)。當(dāng)靜電放電器損壞或者出現(xiàn)故障時(shí)，只要簡(jiǎn)單的從底座卸下故障件，用一個(gè)新的靜電放電器更換即可。

靜電放電器的主要電性能要求如下：

(1) 尖端型放電器電阻為6～120 MΩ；

(2) 后緣型放電器電阻為6～200 MΩ；

(3) 10 kV放電電壓時(shí)，放電電流不小于1 μA；40 kV放電電壓時(shí)，放電電流不小于10 μA；

(4) 50 μA放電電流時(shí)，后緣型靜電放電器的射頻噪音衰減不小于40 dB；

(5) 50 μA放電電流時(shí)，尖端型靜電放電器的射頻噪音衰減不小于30 dB；

(6) 連續(xù)放電時(shí)，靜電放電器的放電電流應(yīng)不小于50 μA@24 h。試驗(yàn)期間，產(chǎn)品不應(yīng)出現(xiàn)損傷。試驗(yàn)后，產(chǎn)品應(yīng)仍滿足第(3),(4),(5)項(xiàng)要求。

5 靜電放電器效能

導(dǎo)彈的靜電放電環(huán)境不可避免，抑制靜電源量級(jí)是進(jìn)行有效靜電防護(hù)的前提。

空中狀態(tài)的導(dǎo)彈可看成一個(gè)對(duì)地絕緣的孤立導(dǎo)體。采用導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)，才能對(duì)其內(nèi)部的電子電氣設(shè)備起到屏蔽作用，降低靜電放電對(duì)有關(guān)敏感器件的影響。導(dǎo)彈一般為不規(guī)則外形，且各結(jié)構(gòu)件的幾何尺寸及其材料的物理性質(zhì)均不相同，這導(dǎo)致導(dǎo)彈不同部位的靜電荷沉積速率、靜電荷密度和局部電場(chǎng)強(qiáng)度存在較大差異。通常在彈翼、尾翼及其后緣等曲率較大的尖端部位，電荷累積情況尤其顯著。為增強(qiáng)導(dǎo)彈的靜電安全性，必須對(duì)上述危險(xiǎn)部位進(jìn)行靜電防護(hù)設(shè)計(jì)，細(xì)化電搭接工藝要求，優(yōu)化外部結(jié)構(gòu)材料選型，減小部件間的電位差，主動(dòng)提高電荷泄放速率，避免導(dǎo)彈發(fā)生劇烈靜電放電現(xiàn)象[12]。

靜電放電器是目前最成熟和可行的工程方案，可為導(dǎo)彈靜電荷沉積提供泄放到大氣的途徑。有無(wú)安裝靜電放電器對(duì)導(dǎo)彈電暈放電電壓和放電電流的影響見(jiàn)圖6。

圖6 靜電放電器對(duì)導(dǎo)彈電暈放電的影響Fig.6 Effect of electrostatic discharger on corona discharge of aircraft

飛行過(guò)程中導(dǎo)彈表面的沉積靜電荷僅能通過(guò)其外部結(jié)構(gòu)的尖端部位進(jìn)行泄放，放電強(qiáng)度難以控制，易在敏感設(shè)備附近發(fā)生劇烈的靜電放電現(xiàn)象，導(dǎo)致嚴(yán)重靜電干擾，危害導(dǎo)彈飛行安全。靜電放電器具有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求，其端頭的曲率遠(yuǎn)小于一般的導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)尖端，在相同數(shù)量的沉積靜電荷條件下具有更大的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此，可在較低電位下產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電現(xiàn)象。

靜電放電器可以可控的限制導(dǎo)彈表面的靜電放電電壓，抑制高電壓靜電源的形成。導(dǎo)彈上一般采用電暈放電針型靜電放電器，它可將靜電放電電壓鉗制在電暈放電限值，從而消除火花放電現(xiàn)象，減輕沉積靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖的影響[13]。以美軍民兵I洲際彈道導(dǎo)彈為例，改進(jìn)后其發(fā)動(dòng)機(jī)基座上均安裝有韌性和強(qiáng)度都較好的鉭絲電暈放電針，由于放電電位較低，能量密度較小，顯著降低了靜電干擾[14-15]。

6 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)彈的靜電荷沉積過(guò)程不可避免，應(yīng)基于相關(guān)仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從降低威脅影響的角度對(duì)其靜電放電效應(yīng)進(jìn)行有效控制[16]。對(duì)于不同的機(jī)體結(jié)構(gòu)，采用不同類型的靜電放電器，可為導(dǎo)彈靜電放電防護(hù)提供很好的解決方案。