基于碳纖復(fù)合材料的可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)研究

武杰，鄭宏濤

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076）

環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)

基于碳纖復(fù)合材料的可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)研究

武杰，鄭宏濤

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京100076）

目的研究可重復(fù)使用運(yùn)載器的靜電防護(hù)方案。方法針對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器特點(diǎn)，以及飛行期間遭遇的空間靜電放電環(huán)境，基于空間靜電帶電數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出運(yùn)載器表面材料帶電離子的靜電充電電位。在此基礎(chǔ)上，分析復(fù)合材料靜電特性，提出靜電防護(hù)層與電氣設(shè)備等電位共地方案。結(jié)果該方案采用碳纖維復(fù)合材料作為靜電防護(hù)層，與大截面積的接地母線相連，為運(yùn)載器電氣設(shè)備提供低阻抗、大電荷容量的等電位地。結(jié)論該方案能夠有效抵御靜電產(chǎn)生的干擾，為運(yùn)載器電子設(shè)備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環(huán)境。另外，該方案工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，大大減輕了運(yùn)載器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

可重復(fù)使用運(yùn)載器；復(fù)合材料；空間靜電充放電；靜電防護(hù)

可重復(fù)使用運(yùn)載器是一種低成本、高收益、長(zhǎng)期在軌、水平著陸的新一代天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。其在空間高速飛行過(guò)程中，由于空間帶電離子的存在及運(yùn)載器表面與大氣摩擦?xí)a(chǎn)生大量靜電荷。靜電荷會(huì)沿著運(yùn)載器表面結(jié)構(gòu)材料以一定的擴(kuò)散速度進(jìn)行擴(kuò)散。如果運(yùn)載器結(jié)構(gòu)材料的電阻率很大，就會(huì)阻擋靜電荷的流動(dòng)和均勻性，導(dǎo)致運(yùn)載器不同區(qū)域出現(xiàn)很強(qiáng)的電勢(shì)差，一旦堆積在運(yùn)載器表面的靜電荷超過(guò)一定閾值，就會(huì)產(chǎn)生瞬間靜電放電[1]。靜電放電會(huì)對(duì)運(yùn)載器電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾、電源和敏感器件損壞以及表面材料性能退化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起運(yùn)載器在軌工作異?；蚬收蟍2]。

為達(dá)到減輕機(jī)體質(zhì)量，增加任務(wù)載荷目的，可重復(fù)使用運(yùn)載器整機(jī)身采用先進(jìn)復(fù)合材料成為必然選擇。復(fù)合材料也有自身缺點(diǎn)，由于其具有非金屬特點(diǎn)，所以無(wú)法達(dá)到金屬所具有的良好導(dǎo)電性能。當(dāng)遇到靜電環(huán)境時(shí)，運(yùn)載器機(jī)身無(wú)法實(shí)現(xiàn)等電位而產(chǎn)生靜電放電，對(duì)其安裝內(nèi)部的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，因而靜電防護(hù)及等電位設(shè)計(jì)問(wèn)題成為制約可重復(fù)使用運(yùn)載器的環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵問(wèn)題。

根據(jù)靜電理論，不同物質(zhì)間相互作用的靜電起電機(jī)理不同，帶電極性和帶電量存在顯著差別。另外，大氣壓、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速等因素也會(huì)影響起電過(guò)程[3]。由此可見(jiàn)，解決可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)問(wèn)題離不開(kāi)對(duì)環(huán)境、材料及等電位研究，為此，可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展。

1）對(duì)運(yùn)載器所處的環(huán)境進(jìn)行研究，結(jié)合材料的靜電特性確定帶電效應(yīng)和放電機(jī)理。

2）對(duì)運(yùn)載器常用復(fù)合材料的靜電特性進(jìn)行研究，分析其靜電特性、工藝特性等優(yōu)缺點(diǎn)。

3）根據(jù)空間帶電環(huán)境特點(diǎn)和復(fù)合材料靜電特性，研究基于復(fù)合材料的可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)設(shè)計(jì)方案。

1 空間帶電環(huán)境研究

運(yùn)載器產(chǎn)品在運(yùn)輸、系統(tǒng)聯(lián)試、總裝、貯存等過(guò)程中，會(huì)遇到操作人員、雷擊、摩擦產(chǎn)生的靜電放電干擾。除與常規(guī)電子設(shè)備和系統(tǒng)遭受的危害相似外，還有發(fā)射前后、在軌、再入段所遇到的空間帶電問(wèn)題。

在地面測(cè)試段，地面操作人員、雷擊、摩擦產(chǎn)生的靜電放電干擾，人體靜電會(huì)產(chǎn)生幾至幾十千伏電壓[4]，帶靜電的產(chǎn)品在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生放電電流，導(dǎo)致產(chǎn)品故障或損壞。發(fā)射上升段，運(yùn)載器一般安裝在火箭整流罩內(nèi)?；鸺仙蔚撵o電防護(hù)主要由火箭完成。

可重復(fù)使用運(yùn)載器主要活動(dòng)空間為低軌道，其空間帶電以表面帶電為主[5]，因此，空間表面帶電主要與運(yùn)載器熱防護(hù)材料相關(guān)。熱防護(hù)層與等離子體相互作用，可能導(dǎo)致運(yùn)載器表面充電。由于這些材料導(dǎo)電性能差別，以及材料二次電子特性差異等因素的影響，不同部位、不同材料具有不同的電位[6]。

基于氣體動(dòng)理論，利用粒子的麥克斯韋速度分布函數(shù)對(duì)表面電位進(jìn)行求解。該方法能夠根據(jù)運(yùn)載器不同材料、不同區(qū)域及不同運(yùn)動(dòng)情況，較為精確地計(jì)算出了運(yùn)載器表面充電表達(dá)式[7]。

由氣體動(dòng)理論得：

式中：n為等離子體密度；Γ為電流密度；k為波爾茲蔓常數(shù)；T為等離子體溫度；m為等離子質(zhì)量；v為等離子速度。

運(yùn)載器達(dá)到電位穩(wěn)定后，總電流密度為0，即：

式中，Γe為電子電流密度；Γi為正離子電流密度；ΓFe為介質(zhì)材料表面電流密度；ΓVe為介質(zhì)材料體內(nèi)電子流密度。

整理后得空間靜電帶電數(shù)學(xué)模型：

式中：δ為材料二次發(fā)射系數(shù)；e為電子電量；Te和Ti為等離子體的電子溫度和離子溫度；ne和ni為等離子體電子密度和離子密度；me和mi為等離子體電子質(zhì)量和離子質(zhì)量；vs為飛行器相對(duì)于等離子環(huán)境的速度；k為玻爾茲曼常數(shù)。

從空間靜電帶電數(shù)學(xué)模型可以看出，等離子體溫度、材料的二次發(fā)射系數(shù)是影響充電量級(jí)的主要參數(shù)。以地球低軌道等離子環(huán)境參數(shù)為例，選取不同熱防護(hù)材料進(jìn)行運(yùn)載器表面充電計(jì)算。由圖1可知，可重復(fù)使用運(yùn)載器空間帶電環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生大于1 V的電位。運(yùn)載器表面充電電位由等離子體環(huán)境變化而決定，在低軌環(huán)境下，航天器帶電最大充電電壓不會(huì)超過(guò)幾十伏[5]。

圖1 運(yùn)載器表面電位與電子溫度關(guān)系

通過(guò)對(duì)空間靜電帶電環(huán)境可知，由于充電電壓低，運(yùn)載器空間環(huán)境產(chǎn)生的靜電干擾較小。因此，靜電防護(hù)重點(diǎn)集中在地面操作、測(cè)試及運(yùn)輸產(chǎn)生的靜電防護(hù)上。在發(fā)生靜電放電干擾時(shí)，應(yīng)使運(yùn)載器表面形成等電位，不要直接侵入內(nèi)部電路，通過(guò)國(guó)內(nèi)外的大量調(diào)研和詳細(xì)分析，形成了以“法拉第筒”進(jìn)行飛行器等電位設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想[8]?？芍貜?fù)將運(yùn)載器材料用全復(fù)材作為其機(jī)身，由于其具有非金屬特點(diǎn)，因此無(wú)法達(dá)到金屬所具有的良好導(dǎo)電性能。由此可重復(fù)使用運(yùn)載器表面材料的靜電特性是否能夠滿足靜電防護(hù)需求成為研究重點(diǎn)。

2 材料的靜電特性研究

評(píng)價(jià)材料靜電特性的重要參數(shù)是電阻率，包括表面電阻率和體電阻率。表面電阻率定義為單位寬度、單位長(zhǎng)度材料的表面電阻值，即正方形材料兩對(duì)邊間的表面電阻值，其數(shù)值大小與正方形的幾何尺寸無(wú)關(guān)。體電阻率定義為單位橫截面積單位長(zhǎng)度上材料的體積電阻值。

參照表1中的內(nèi)容，靜電防護(hù)材料的電阻率一般控制在104～1010?·cm區(qū)段。大部分研究人員認(rèn)為電阻率介于107～1010?·cm范圍時(shí)，材料就已具備傳導(dǎo)和耗散靜電電荷的能力[9]。

表1 材料的電阻率分布

運(yùn)載器主要涉及兩層的結(jié)構(gòu)材料，由外至內(nèi)分別為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)，電氣設(shè)備包裹在結(jié)構(gòu)層內(nèi)部。如果運(yùn)載器結(jié)構(gòu)材料電阻率靜電特性能夠達(dá)到防靜電要求（小于1010?·cm），則可形成對(duì)其內(nèi)部設(shè)備構(gòu)成具有“法拉第筒”效應(yīng)靜電防護(hù)層，具有靜電泄放和電磁屏蔽作用，對(duì)其內(nèi)部線纜，電子線路和部件提供靜電防護(hù)。

2.1 熱防護(hù)材料靜電特性研究

熱防護(hù)材料是一種為適應(yīng)航天器特殊工程環(huán)境而研制的專用功能材料，作為防熱材料除了必須具備良好的耐燒蝕綜合性能外，還需具有一定的力學(xué)性能和熱物理性能，使其在氣動(dòng)環(huán)境下仍能保持結(jié)構(gòu)的承載能力和熱物理性能。相繼研制成功的燒蝕防熱材料已有多種，適用于不同的工作環(huán)境。按其基體的不同，可分為碳基、樹(shù)脂基和陶瓷基三類[10]。

碳基防熱材料指多晶石墨和碳-碳復(fù)合材料。碳是高導(dǎo)體，因此碳基防熱材料一般具有良好的導(dǎo)電性能。樹(shù)脂基防熱材料有玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛、碳-酚醛和以不同樹(shù)脂為基體的低密度燒蝕材料，導(dǎo)電性能差。陶瓷基防熱材料至今只有碳-石英一種，屬于絕緣材料[11]。為了減輕質(zhì)量、節(jié)約成本，運(yùn)載器熱防護(hù)往往會(huì)同時(shí)使用幾種不同熱防護(hù)材料，即碳基、樹(shù)脂基和陶瓷基混用，不同熱防護(hù)材料電阻率特性不相同，在運(yùn)載器表面將呈現(xiàn)不同的帶電特性，存在電勢(shì)差，易產(chǎn)生靜電放電。為了保障熱防護(hù)層性能，無(wú)法在熱防護(hù)層表面預(yù)埋金屬導(dǎo)線或噴涂導(dǎo)電涂層，因此，熱防護(hù)層無(wú)法完成靜電防護(hù)，而且還可能產(chǎn)生靜電干擾。

根據(jù)靜電放電的特點(diǎn)和任務(wù)環(huán)境分析，空中高速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)帶上靜電產(chǎn)生電暈放電[12]。電暈放電工程伴隨強(qiáng)烈的電磁輻射，其對(duì)運(yùn)載器艙內(nèi)電子設(shè)備、天線端口電路產(chǎn)生干擾，電磁輻射的主要參數(shù)是放電輻射場(chǎng)的頻譜和幅值等。圖2為模擬電暈放電試驗(yàn)，在高壓源加±60 kV情況下，測(cè)得電暈放電輻射場(chǎng)的時(shí)域特征表現(xiàn)為衰減振蕩脈沖，具有很快的上升沿電暈放電輻射場(chǎng)的頻率分布范圍較大，低頻成分在100 MHz以下，高頻成分能達(dá)到640 MHz，幅值能達(dá)到－50 dBm。

圖2 典型電暈放電輻射場(chǎng)時(shí)頻分析

運(yùn)載器上天線一般布在飛行器表面，離熱防護(hù)最近，最易受熱防護(hù)靜電放電干擾。因此，運(yùn)載器在進(jìn)行天線頻點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)1 GHz以下頻段。這樣即使熱防護(hù)材料產(chǎn)生靜電放電，對(duì)運(yùn)載器電氣設(shè)備工作不會(huì)產(chǎn)生影響。

2.2 承載結(jié)構(gòu)材料靜電特性研究

為提高航天器的結(jié)構(gòu)效率，具有高性能的先進(jìn)復(fù)合材料成為新一代航天產(chǎn)品不可缺少的結(jié)構(gòu)材料[10]。碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫及導(dǎo)電等優(yōu)異性能，在航天、航空、兵器、船舶、核等國(guó)防領(lǐng)域具有重要作用。碳纖維復(fù)合材料可用作飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人等[13]。

目前利用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)功能的常用方法主要有三種：利用碳纖維復(fù)合材料自身導(dǎo)電性能；復(fù)合材料表面覆金屬導(dǎo)電膜；復(fù)合材料表面覆導(dǎo)電涂層。航空飛機(jī)通過(guò)碳纖維高性能復(fù)合材料表面預(yù)埋金屬網(wǎng)格和在復(fù)合材料蒙皮表面噴涂一層金屬鋁，以實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)，該方案在空客A380、A350和波音787飛機(jī)中被大范圍采用[14]?；鸺髡滞ㄟ^(guò)表面預(yù)埋金屬導(dǎo)線并與箭體進(jìn)行搭接處理，同時(shí)在表面噴涂導(dǎo)電涂層以實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。

1）碳纖維復(fù)合材料自身導(dǎo)電性能。碳纖維復(fù)合材料由良好導(dǎo)電性能的碳纖維(電阻率ρ≈（1.0～1.5）×10-3?·cm)來(lái)實(shí)現(xiàn)[15]。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，該材料通常稱為“預(yù)浸料”，是大量單絲纖維束或經(jīng)過(guò)編織的纖維編織物。通過(guò)專業(yè)熱熔預(yù)浸設(shè)備，在一定的溫度和壓力條件下浸漬環(huán)氧樹(shù)脂基體而形成。由于環(huán)氧樹(shù)脂電阻率比較高，且加工過(guò)程中碳纖維容易破碎，因此復(fù)合材料的電阻率很大（ρ≈104?·m），而且呈現(xiàn)各向異性[16—17]。

2）復(fù)合材料表面覆金屬導(dǎo)電膜。金屬導(dǎo)電膜具有導(dǎo)電性好、電磁屏蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)。圖3為Henkel公司SynSkin 9837.1LS系列導(dǎo)電膜組成。碳纖維復(fù)合材料表面覆金屬導(dǎo)電膜，導(dǎo)電膜組成包括金屬網(wǎng)、PE織物、表面膜和襯紙。

圖3 SynSkin 9837.1LS系列導(dǎo)電膜組成

由圖3可知，復(fù)合材料9837.1LS表面覆金屬網(wǎng)靜電防護(hù)效果取決于金屬網(wǎng)特性。其性能參數(shù)：面密度為73 g/m2，膠膜固化后厚度為0.102～0.1778 mm，銅網(wǎng)電阻為0.78 m?/m2。由此可知，復(fù)合材料表面覆金屬網(wǎng)具有良好的導(dǎo)電性能。

3）復(fù)合材料表面覆導(dǎo)電涂層。涂層具有功能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，是運(yùn)載器外表面防護(hù)的主要材料。防靜電涂層體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可知，復(fù)合材料表面覆導(dǎo)電涂層靜電防護(hù)效果取決于涂層特性。目前航天系統(tǒng)內(nèi)常用防靜電涂層主要有兩種：TL-19系列四防漆和TX-1型丙烯酸導(dǎo)電漆。

圖4 防靜電涂層體系結(jié)構(gòu)

通過(guò)比較靜電防護(hù)功能的三種常用方法可知：相比方法二和方法三，碳纖維復(fù)合材料自身導(dǎo)電性能最差，但其自身導(dǎo)電性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足小于1010?·cm的防靜電要求。復(fù)合材料表面覆金屬導(dǎo)電膜電導(dǎo)率特性最好，但其會(huì)增加復(fù)合材料質(zhì)量。復(fù)合材料表面覆導(dǎo)電涂層導(dǎo)電性能取決于涂層的金屬含量，金屬含量越高，導(dǎo)電性能越好，同樣質(zhì)量也會(huì)越大。

對(duì)于可重復(fù)使用運(yùn)載器，其承載結(jié)構(gòu)在熱防護(hù)內(nèi)部，在承載結(jié)構(gòu)表面覆金屬導(dǎo)電膜和涂覆層，存在與熱防護(hù)層相容性問(wèn)題，實(shí)施工藝難度大，而且增加很大質(zhì)量。綜合考慮三種方案質(zhì)量、成本、工藝實(shí)施難度，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料作為運(yùn)載器靜電防護(hù)層，實(shí)現(xiàn)具有“法拉第筒”等電位靜電防護(hù)設(shè)計(jì)方案為最優(yōu)方案。由于碳纖維復(fù)合材料通過(guò)碳纖維浸漬環(huán)氧樹(shù)脂基體而形成，因此其電阻性能不穩(wěn)定，使用時(shí)需要對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試后選用，必要時(shí)可采用對(duì)碳纖維化學(xué)鍍金屬方法，提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性和屏蔽效能[16]。

3 等電位設(shè)計(jì)研究

碳纖維復(fù)合材料雖然具備傳導(dǎo)和耗散靜電電荷的能力，以及靜電防護(hù)能力，但是對(duì)于運(yùn)載器電氣系統(tǒng)，其共地阻抗較大且各向分布不均勻，因此無(wú)法作為運(yùn)載器接地主體。

為避免形成公共阻抗干擾和接地閉合環(huán)路，可采用圖5方式布置，準(zhǔn)備一條接地母線連接各單機(jī)接地點(diǎn)，由接地母線去接接地極。為了減少接地引線的阻抗特別是電感，最好采用截面積大于60 mm2的扁平銅排作為總接地母線，一般分支接地線也要采用截面積大于22 mm2的銅導(dǎo)線[4]。將接地母線與承載結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)層相連，形成運(yùn)載器靜電防護(hù)等電位地。在地面操作、測(cè)試及運(yùn)輸時(shí)，通過(guò)接地樁將運(yùn)載器上的靜電導(dǎo)入大地。該方案既實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載器電氣設(shè)備大容量、低阻抗等電位地要求，又實(shí)現(xiàn)了靜電防護(hù)功能。為運(yùn)載器電子設(shè)備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環(huán)境。

圖5 運(yùn)載器等電位地線布置

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)可重復(fù)使用運(yùn)載器環(huán)境特點(diǎn)、所用材料靜電特性研究，得到如下結(jié)論。

1）根據(jù)運(yùn)載器任務(wù)特點(diǎn)，基于空間靜電帶電數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算證明空間環(huán)境產(chǎn)生的靜電干擾較小，可以忽略不考慮。靜電防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)集中地面操作、測(cè)試及運(yùn)輸產(chǎn)生的靜電干擾上。

2）通過(guò)對(duì)熱防護(hù)材料靜電特性測(cè)試，可知熱防護(hù)材料表面將呈現(xiàn)不同的帶電特性，對(duì)熱防護(hù)材料產(chǎn)生的靜電干擾措施主要是通過(guò)對(duì)天線頻點(diǎn)進(jìn)行合理分配，避開(kāi)靜電放電產(chǎn)生的干擾頻段。

3）通過(guò)比較運(yùn)載器承載結(jié)構(gòu)常用的三種靜電防護(hù)方案，綜合考慮三種構(gòu)型質(zhì)量、成本、工藝實(shí)施難度，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料作為運(yùn)載器內(nèi)部設(shè)備的靜電防護(hù)層實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)的方案為最優(yōu)方案。

4）通過(guò)設(shè)計(jì)接地母線，解決了運(yùn)載器由于大量使用復(fù)合材料導(dǎo)致運(yùn)載器電氣設(shè)備無(wú)參考零電位問(wèn)題。通過(guò)將接地母線與承載結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)層相連，既實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載器靜電防護(hù)功能，又為運(yùn)載器電子設(shè)備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環(huán)境，達(dá)到可重復(fù)使用運(yùn)載器靜電防護(hù)目的。

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Electrostatic Protection of Reusable Launch Vehicle Based on Carbon Fiber Composite Ma-terial

WU Jie,ZHEN G Hong-tao
(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)

ObjectiveTo research the electrostatic protection scheme of reusable launch vehicles.MethodsAccording to the working environment characteristics and the space electrostatic discharge environment encountered by reusable launch vehicle,the mathematical model of the space charge was established to calculate the electrostatic charge potential of charged ions on the surface of reusable launch vehicle.On this basis,the static characteristics of a large number of materials were analyzed,and the integration scheme of electrostatic protection layer and electrical equipment were proposed.ResultsCarbon fibre composite was taken as an electrostatic protection layer to connect ground bus of large section to provide equipotential of low resistance and large charge capacity for electrical equipment of vehicle.ConclusionThe scheme can effectively resist the disturbance caused by static electricity,and provide a reliable,safe and anti-interference electromagnetic environment for the electronic equipment.In addition,the method is simple,which greatly reduces the weight of the vehicle.

reusable launch vehicle;composite materials;space electrostatic charge-discharge;electrostatic protection

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.015

TJ04；V258

A

1672-9242(2017)07-0074-05

2017-01-12；

2017-02-18

武杰（1975—），男，山西霍州人，碩士，高級(jí)工程，主要研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)。