復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器靜電特性及防護(hù)技術(shù)

陳燦輝，王 騫，李 昊

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 空天業(yè)務(wù)部，北京 100076）

0 引言

在航天領(lǐng)域，靜電放電（ESD）有諸多危害：可導(dǎo)致火箭和導(dǎo)彈發(fā)射失敗，破壞太陽電池組，使衛(wèi)星壽命縮短；干擾各類航天器與地面的聯(lián)系，造成飛行器失控等[1-2]，其影響不可忽視。充放電效應(yīng)是導(dǎo)致航天器在軌故障的重要原因，美國NASA在對298起航天器在軌故障原因統(tǒng)計(jì)中給出了嚴(yán)峻的事實(shí)——帶電引起的航天器在軌故障超過總故障數(shù)的50%[3]。表面帶電對航天器的影響包括在線路上產(chǎn)生異常電流、產(chǎn)生瞬態(tài)電磁干擾脈沖，導(dǎo)致邏輯系統(tǒng)異常切換、指令錯(cuò)誤、產(chǎn)生虛假信號或指令，傳感器性能退化，組件失效，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗[4]。

在航天器項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，ESD防護(hù)設(shè)計(jì)是保證電氣系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵工作[5]。開展航天器靜電特性及防護(hù)技術(shù)研究，通過采取積極有效的防護(hù)措施，可以控制航天器靜電干擾和提高其抗靜電干擾能力。以往的航天器靜電防護(hù)技術(shù)研究主要是針對金屬結(jié)構(gòu)或以金屬結(jié)構(gòu)為主的航天器，由于金屬材料的低電阻率特征，所以這些航天器表面很容易形成靜電等電位體，不至堆積靜電荷。而隨著航天航空技術(shù)的發(fā)展，航天器特別是對于需要執(zhí)行軌道再入飛行的新型航天器，為了滿足防/隔熱及減重等要求，采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已成為必然趨勢。當(dāng)航天器采用非金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，靜電荷擴(kuò)散減慢，若不能形成靜電等電位，則會(huì)在局部區(qū)域不斷堆積；當(dāng)表面的靜電荷超過一定閾值，就會(huì)產(chǎn)生瞬間放電現(xiàn)象：在軌飛行中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)擊穿；而在再入大氣層飛行中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電暈放電甚至火花放電。瞬間放電現(xiàn)象會(huì)對航天器儀器設(shè)備造成靜電擊穿和電磁脈沖干擾的不良影響。因而，靜電防護(hù)及等電位設(shè)計(jì)成為復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器研制中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文以復(fù)材結(jié)構(gòu)天地往返無人航天器為對象，研制了高溫條件下材料電阻率測試專用探頭和測試系統(tǒng)，開展了熱防護(hù)材料和碳纖維復(fù)材靜電特性研究，并基于復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器靜電特性提出相應(yīng)的靜電防護(hù)措施。

1 復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器結(jié)構(gòu)特征

在低地球軌道（LEO）上運(yùn)行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場和太陽輻射等環(huán)境因素相互作用，會(huì)導(dǎo)致等離子體間或在航天器不同部位間出現(xiàn)相對電位差，當(dāng)電位差達(dá)到一定閾值時(shí)就會(huì)造成靜電放電，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞[6]。對于天地往返無人航天器，除了要滿足在軌飛行環(huán)境條件外，還要滿足復(fù)雜的再入返回飛行環(huán)境。其再入返回最大飛行馬赫數(shù)高達(dá)25以上，惡劣的氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面溫度急劇增高。為了滿足在軌、再入飛行的需要，一般而言，復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器會(huì)采用兩層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)和冷結(jié)構(gòu)。

天地往返無人航天器外層會(huì)覆蓋熱防護(hù)材料，以確保航天器在苛刻的氣動(dòng)加熱條件下仍能保證氣動(dòng)外形和再入返回階段的精確控制。因此，熱防護(hù)材料必須實(shí)現(xiàn)高溫非燒蝕；同時(shí)，為有效隔絕熱量，使艙內(nèi)各系統(tǒng)和設(shè)備處于正常工作環(huán)境中，熱防護(hù)材料還必須實(shí)現(xiàn)高效防隔熱。而復(fù)材結(jié)構(gòu)天地往返無人航天器內(nèi)層冷結(jié)構(gòu)往往采用碳纖維復(fù)合材料，這是由于碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、化學(xué)穩(wěn)定性能好，易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)等特性[7-9]。故此，開展復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器靜電特性及防護(hù)方式研究就成為該類航天器研制中的重要課題。

2 復(fù)合材料靜電特性及防護(hù)措施研究

2.1 評價(jià)參數(shù)

評價(jià)飛行器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[8]。

根據(jù)GJB/Z 105—1999《電子產(chǎn)品防靜電放電控制手冊》，靜電放電防護(hù)材料分為導(dǎo)（靜）電性的或耗散（靜電）性的兩種。其中：導(dǎo)（靜）電材料特性為具有表面電阻率＜105Ω/□的導(dǎo)（靜）電材料或體積電阻率＜104Ω·cm的體積導(dǎo)電型材料；耗散（靜電）型材料特性為具有表面電阻率≥105Ω/□但＜1012Ω/□的表面導(dǎo)電型材料或體積電阻率≥104Ω·cm 但＜1011Ω·cm 的體積導(dǎo)電型材料。與GJB/Z 105—1999的規(guī)定略有差異，相關(guān)文獻(xiàn)給出的材料電阻率分布特性如表1所示[8, 10]。

當(dāng)航天器結(jié)構(gòu)材料電阻率能夠達(dá)到導(dǎo)（靜）電要求，可形成“法拉第筒”效應(yīng)，具有靜電泄放和電磁屏蔽作用時(shí)，則可對器上電子電氣設(shè)備提供靜電防護(hù)[8]。

表1 材料的電阻率分布Table 1 The resistivity distribution of materials

2.2 熱防護(hù)材料靜電特性

由于航天器不同部位工作溫度、載荷條件等存在較大差異，在滿足防隔熱要求的前提下，航天器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)往往會(huì)同時(shí)使用幾種不同類型的材料[8]。根據(jù)航天器所使用的材料類型，研制了碳基材料、多孔石英材料和隔熱氈材料試驗(yàn)樣件，研究其靜電特性。

天地往返航天器再入返回過程中，由于高速飛行與空氣介質(zhì)劇烈摩擦導(dǎo)致的高溫條件對航天器表面材料靜電特性的影響直接關(guān)系到航天器的靜電安全性，所以熱防護(hù)材料靜電特性研究不僅要關(guān)注在常溫條件下，還需重點(diǎn)研究在高溫條件下航天器表面材料的靜電特性。為此，在常溫條件下電阻率測試的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研制了高溫條件下材料電阻率測試專用探頭和測試系統(tǒng)，如圖1所示，并測試了不同溫度條件下表面材料的電阻率特性，以支撐航天器靜電特性研究。

圖1 高溫條件下表面電阻率測試平臺Fig. 1 The surface resistivity test platform at high temperature

測試結(jié)果表明，不同熱防護(hù)材料的表面電阻率相差較大，具體如下：

1）碳基材料在常溫和高溫狀態(tài)下表面電阻率均＜106Ω/□，屬于導(dǎo)靜電材料，具有良好的靜電泄漏性能；

2）多孔石英材料在常溫和高溫狀態(tài)下表面電阻率均在108～1012Ω/□量級之間，且加熱冷卻后仍能恢復(fù)至該參數(shù)，屬于靜電耗散材料；

3）隔熱氈材料雖然含有金屬鋁粉，但其表面電阻率＞1012Ω/□，且不隨溫度變化，始終屬于靜電非導(dǎo)體。

由于不同熱防護(hù)材料電阻率特性存在較大差異，帶電特性不同，會(huì)產(chǎn)生電勢差，易導(dǎo)致靜電放電。而在目前技術(shù)工藝下，很難在熱防護(hù)層上采取預(yù)埋金屬網(wǎng)或噴涂導(dǎo)電涂層等措施實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)層的靜電等電位。根據(jù)靜電放電機(jī)理，空中高速運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)帶上靜電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電暈放電[11-12]，并伴隨強(qiáng)烈的電磁輻射，對航天器艙內(nèi)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此，在熱防護(hù)層上不能采取靜電防護(hù)措施的情況下，需使航天器的冷結(jié)構(gòu)滿足靜電等電位、實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)的要求。

2.3 冷結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)措施及材料靜電特性

從材料靜電防護(hù)措施的實(shí)施方式來看，利用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)的常用措施主要有3種：

1）無措施碳纖維復(fù)材，即利用碳纖維復(fù)合材料自身可形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的性能，不采取額外措施來滿足靜電等電位設(shè)計(jì)需要；

2）復(fù)材覆銅網(wǎng)（或復(fù)材覆導(dǎo)電膜），即在冷結(jié)構(gòu)研制過程中，采用一體化設(shè)計(jì)工藝在碳纖維復(fù)合材料表面敷設(shè)一層導(dǎo)電銅網(wǎng)或?qū)щ娔ぃ蓪?dǎo)電銅網(wǎng)或?qū)щ娔?gòu)建航天器靜電等電位體，實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)；

3）復(fù)材涂覆層，即在冷結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表面噴涂導(dǎo)電涂層，通過導(dǎo)電涂層形成靜電等電位層，實(shí)現(xiàn)靜電防護(hù)。

按上述3種方法分別制作了3種構(gòu)型的樣件，如圖2所示。

圖2 冷結(jié)構(gòu)樣件Fig. 2 The cold structure samples

對構(gòu)型一（無措施碳纖維復(fù)材）樣件的測試結(jié)果表明，其表面電阻率均＜104Ω/□，且分布較均勻，體積電阻率則在 (1～4)×106Ω·cm，不同位置存在差異。這主要是因?yàn)椋弘m然碳纖維復(fù)合材料由具有良好導(dǎo)電性能的碳纖維來實(shí)現(xiàn)[13]，但其結(jié)構(gòu)是在一定的溫度和壓力條件下浸漬環(huán)氧樹脂基體而形成，而環(huán)氧樹脂電阻率比較高，且加工過程中碳纖維容易破碎，所以復(fù)合材料的體電阻率較大，且呈現(xiàn)各向異性[7, 14]。

對構(gòu)型二（復(fù)材覆銅網(wǎng)）樣件的測試結(jié)果表明，其表面電阻率在 (1～5)×103Ω/□間，具有良好的靜電導(dǎo)電性。

對構(gòu)型三（復(fù)材涂覆層）樣件的測試結(jié)果表明，其表面電阻率＜103Ω/□，且分布較均勻，相對無措施碳纖維復(fù)材而言，表面電阻率降低1個(gè)數(shù)量級以上。

進(jìn)一步對采用不同靜電防護(hù)措施的冷結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了電磁屏蔽效能測試。結(jié)果表明：在150 MHz～1.5 GHz頻段，3 種構(gòu)型的電磁屏蔽效能相差不大，均＞20 dB；在＜150 MHz 頻段，復(fù)材覆銅網(wǎng)構(gòu)型和復(fù)材涂覆層構(gòu)型要比無措施碳纖維復(fù)材屏蔽效能好15 dB以上，其中復(fù)材覆銅網(wǎng)構(gòu)型最好，其屏蔽性能達(dá)到40 dB以上。

雖然從3種構(gòu)型材料來看，碳纖維復(fù)合材料自身導(dǎo)靜電性能及屏蔽效能稍差，但按GJB/Z 105—1999《電子產(chǎn)品防靜電放電控制手冊》中的分類，3種構(gòu)型材料均屬于導(dǎo)靜電材料，可以滿足防靜電需要；且綜合考慮3種構(gòu)型靜電防護(hù)實(shí)施方式在重量、成本以及工藝等方面的優(yōu)劣，可優(yōu)選無措施碳纖維復(fù)合材料，即不采用預(yù)埋金屬網(wǎng)格、噴涂導(dǎo)電涂層等措施，直接作為航天器艙內(nèi)設(shè)備的靜電防護(hù)層，實(shí)現(xiàn)靜電等電勢，抑制傳導(dǎo)干擾，達(dá)到靜電防護(hù)的目的。當(dāng)然，由于復(fù)合材料本身的各向異性以及電阻性能不穩(wěn)定等特征，實(shí)際使用中，需針對具體項(xiàng)目的實(shí)際需要，對材料靜電特性進(jìn)行測試與評估，確保滿足防靜電需要；必要時(shí)，可采用預(yù)埋金屬網(wǎng)格、噴涂導(dǎo)電涂層等方式進(jìn)一步提高材料靜電防護(hù)性能。

3 不同階段靜電防護(hù)設(shè)計(jì)分析

復(fù)材結(jié)構(gòu)天地往返無人航天器兼有衛(wèi)星（如在軌）和飛機(jī)（如著陸）的特征。為了滿足在軌載荷任務(wù)和再入返回對氣動(dòng)外形的需要，這類航天器設(shè)置了有效載荷艙門。發(fā)射上升段和再入返回段艙門關(guān)閉；在軌運(yùn)行段，艙門處于打開狀態(tài)。

1）發(fā)射上升段及再入返回段

艙門關(guān)閉時(shí)，航天器屬于封閉狀態(tài)。從前文可知，作為冷結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料屬于導(dǎo)靜電材料，具備靜電防護(hù)能力，因此，航天器封閉狀態(tài)下，采用結(jié)構(gòu)搭接等形式可使航天器冷結(jié)構(gòu)形成靜電等電位，具有“法拉第筒”靜電防護(hù)效應(yīng)，滿足航天器發(fā)射上升段及再入返回段飛行過程中靜電防護(hù)要求。

2）在軌運(yùn)行段

航天器艙門打開狀態(tài)下，在航天器冷結(jié)構(gòu)已構(gòu)成靜電等電位的前提下，可以進(jìn)一步通過包覆、與艙門的搭接、屏蔽等方式形成整個(gè)在軌運(yùn)行段結(jié)構(gòu)靜電等電位，抑制空間帶電粒子和艙體靜電放電產(chǎn)生的干擾。

航天器的帶電電位與其結(jié)構(gòu)尺寸、所處空間環(huán)境、太陽電池陣電壓等相關(guān)。研究表明，采用高壓大功率太陽電池陣的低地球軌道航天器，將會(huì)產(chǎn)生約90%太陽電池陣工作電壓的結(jié)構(gòu)負(fù)電位[15-16]。例如：國際空間站太陽電池陣供電電壓為160 V，在不采取任何電位控制措施的情況下，其本體電位會(huì)達(dá)-140～-120 V[15-16]；且大結(jié)構(gòu)尺寸空間站在切割地球磁場感應(yīng)線時(shí)產(chǎn)生的電勢約為20 V，兩者疊加，會(huì)形成較高電勢，對空間站出艙活動(dòng)、交會(huì)對接等的安全產(chǎn)生重要影響，需要采取主動(dòng)電位控制方法。與空間站等大型在軌航天器不同，本文研究的天地往返無人航天器使用28 V太陽電池陣，且整體尺寸較小，利用空間靜電帶電數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了航天器不同熱防護(hù)材料表面充電計(jì)算，結(jié)果表明，在所處空間帶電環(huán)境下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)電位約為1 V[8]。因此，對該類天地往返無人航天器，在無特殊需求的情況下，在軌工作過程中，可不考慮熱防護(hù)材料表面靜電泄放問題，只要按前述方法確保飛行器整體結(jié)構(gòu)靜電等電位，確保在軌設(shè)備不受靜電的影響。

3）地面著陸后

對于采用復(fù)材結(jié)構(gòu)的軌道再入航天器而言，為了保證地面操作維護(hù)人員的安全，地面著陸后的靜電防護(hù)是必須考慮的因素。為了滿足水平著陸的需要，航天器設(shè)計(jì)有輪胎。根據(jù)GJB 683A—1998《軍用航空輪胎規(guī)范》的要求，輪胎使用的材料應(yīng)能將靜電分散于地面，輪胎電阻值應(yīng)不大于50 kΩ。因此，對于航天器冷結(jié)構(gòu)，在航天器著陸后，可通過輪胎將靜電釋放至大地。但是航天器再入返回飛行過程中與周圍空間環(huán)境的粒子摩擦，其表面會(huì)帶上大量電荷[17]，由于熱防護(hù)混合使用多種不同材料，其差異性大，在航天器表面呈現(xiàn)不同的帶電特性。對于碳基防熱材料，因其具有導(dǎo)電性，所以可通過連接螺釘經(jīng)由冷結(jié)構(gòu)將靜電導(dǎo)至大地。然而對于絕緣類材料，帶電粒子很難在表面移動(dòng)，且很難通過與冷結(jié)構(gòu)間的連接將靜電導(dǎo)至大地；且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，航天器著陸后地面人員操作時(shí)，只是會(huì)將接觸部分的靜電粒子通過人體導(dǎo)走，而很難也沒必要將絕緣材料上的靜電全部導(dǎo)走。因此，只需采用局部靜電消除的方法，例如，采用離子風(fēng)靜電消除器，可通過非接觸的方式，由其吹出的正負(fù)電荷氣流中和物體表面所帶電荷，將地面人員需要操作的部分熱防護(hù)材料表面靜電降低至安全范圍內(nèi)，即可滿足著陸后的靜電防護(hù)需要。

4 結(jié)束語

復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器的靜電特性與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)航天器不同。通過對復(fù)材結(jié)構(gòu)航天器靜電防護(hù)技術(shù)的研究，可形成如下基本結(jié)論：

1）作為冷結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料屬于導(dǎo)靜電型材料，可以滿足防靜電需要，但其性能呈現(xiàn)各向異性，不同部位電阻特性存在差異。對于靜電防護(hù)較嚴(yán)格的場合，可采用表面覆金屬導(dǎo)電膜或?qū)щ娡繉拥却胧┻M(jìn)一步提高材料導(dǎo)電性和電磁屏蔽性能；同時(shí)，還需采用結(jié)構(gòu)搭接等方式將整個(gè)結(jié)構(gòu)層構(gòu)成一個(gè)整體，形成“法拉第筒”效應(yīng)，為航天器上的電設(shè)備提供靜電防護(hù)。

2）對再入返回水平著陸類航天器，需配備導(dǎo)靜電輪胎，在航天器再入返回地面著陸后，通過導(dǎo)靜電輪胎可將航天器冷結(jié)構(gòu)上的靜電釋放至大地，實(shí)現(xiàn)對航天器著陸后的靜電防護(hù)。

3）采用局部靜電消除的方法，中和物體表面所帶電荷，消除熱防護(hù)絕緣材料上的靜電，將航天器熱防護(hù)材料表面靜電降低至安全范圍內(nèi)，保證再入返回著陸后地面操作人員的安全。

對于大尺寸航天器，表面電位較高，對出艙活動(dòng)、交會(huì)對接等工作安全性有較大影響，后續(xù)還需進(jìn)一步研究在軌主動(dòng)電位控制等方法，以確保航天器在軌工作安全。