運載火箭靜電帶電理論研究與試驗驗證

郗 琦，晁魯靜，王海濤，胡曉峰

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運載火箭靜電帶電理論研究與試驗驗證

郗 琦1，晁魯靜2，王海濤1，胡曉峰3

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所；2. 中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心：北京 100076；3. 軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護(hù)研究所，石家莊 050003）

運載火箭在大氣中飛行會使箭體、發(fā)動機(jī)等表面帶電，當(dāng)靜電累積達(dá)到一定量級并產(chǎn)生靜電放電時，可能對箭上電氣設(shè)備造成災(zāi)難性后果。在眾多起電原因中，文章重點研究發(fā)動機(jī)噴流起電和摩擦起電過程，提出這2種起電方式的計算模型，并結(jié)合相關(guān)靜電測量試驗，確定這2種起電方式的等效充電電流，定量分析火箭最大靜電帶電電位，為指導(dǎo)單機(jī)設(shè)計及系統(tǒng)防護(hù)提供參考。

運載火箭；摩擦起電；噴流起電；靜電電位

0 引言

運載火箭在飛行過程中會產(chǎn)生靜電，靜電放電（ESD）會對電子設(shè)備產(chǎn)生危害。尤其是中型運載火箭型號系統(tǒng)中大量使用低電壓供電的集成電路元器件，這些元器件對靜電放電產(chǎn)生的沖擊電流非常敏感，很容易被損壞。箭體、發(fā)動機(jī)等表面帶電可能導(dǎo)致其內(nèi)部電荷積累，發(fā)生靜電擊穿，使電爆管起爆。同時，運載火箭箭體靜電也可能導(dǎo)致電暈放電、火花放電、表面電流放電等，在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生射頻干擾，繼而引起內(nèi)部電路脈沖干擾，致使數(shù)字電路運行紊亂，影響運載火箭正常工作，甚至造成飛行故障或失敗[1]。

運載火箭在大氣飛行中產(chǎn)生靜電的原因有摩擦起電、噴流起電、感應(yīng)起電、破裂起電、捕獲大氣中帶電粒子等。與摩擦起電和噴流起電相比，其他幾種起電方式在運載火箭起電過程中所占比重要小得多[2]，故本文重點研究發(fā)動機(jī)噴流起電和摩擦起電過程，提出它們的計算模型，并結(jié)合相關(guān)靜電測量試驗，確定這2種起電方式的等效充電電流，定量分析火箭靜電電位，為單機(jī)及系統(tǒng)靜電防護(hù)方面設(shè)計提供參考。

1 發(fā)動機(jī)噴流起電

發(fā)動機(jī)噴流起電是指因發(fā)動機(jī)的火焰產(chǎn)生等離子氣體而起電。燃燒產(chǎn)生的電子以比正電荷快得

多的彌散速度進(jìn)入燃燒室的金屬缸體中，而正電荷被高溫高速的噴氣帶到大氣中。正負(fù)電荷的分離使得運載火箭發(fā)動機(jī)帶負(fù)電[3]。

為驗證發(fā)動機(jī)噴流起電的量級，本文針對航空發(fā)動機(jī)噴流進(jìn)行了噴流起電測試方法研究，并研制了測試傳感器，開展了某型飛行器的噴流起電試驗。

1.1 噴流起電測試系統(tǒng)的研制

傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)發(fā)動機(jī)尾流的尺寸進(jìn)行設(shè)計。不考慮引擎噴流尾氣的擴(kuò)散，認(rèn)為尾氣氣流是電荷密度為、半徑為的均勻帶電的圓柱體。法拉第筒式傳感器與氣流柱共軸放置，外徑為2，內(nèi)徑為1，長度為，空氣介電常數(shù)為。不考慮端部電場的不均勻性和尾氣的等離子體效應(yīng)，則傳感器電容可近似為[2]

帶電量為

內(nèi)筒靜電電位為

通過測量傳感器內(nèi)筒電位，可以求得傳感器帶電量。發(fā)動機(jī)噴流起電帶電量與此數(shù)值相同，符號相反。

為防止發(fā)動機(jī)噴流尾氣擴(kuò)散可能對法拉第筒式傳感器內(nèi)壁試驗裝置造成損傷，試驗中將同心圓柱型法拉第筒式傳感器設(shè)計為圓錐狀。同時考慮到如此龐大體積下的法拉第筒的靜電絕緣要求和機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，采用瓷質(zhì)絕緣子與聚四氟乙烯材料嵌套形式。該傳感器的理論計算電容應(yīng)該在403～480 pF之間，實測電容為496 pF。傳感器實物和尺寸如圖1所示；測試系統(tǒng)如圖2所示。