復合材料飛機上靜電放電特性研究

摘 要：針對碳纖維復合材料（介質）飛機上的靜電放電（ESD）展開研究，首先給出復合材料飛機上靜電放電的產生原理，并根據飛機上放電電流脈沖波形，建立數值模型，模擬靜電荷在復合材料飛機上的積累以及靜電荷在飛機上靜電放電產生的輻射電場，最后結合有限元方法，計算出復合材料飛機的電容并估算靜電放電的能量。與傳統的金屬飛機不同，這里強調對于靜電放電產生的輻射電場，以及靜電放電對機載天線的影響均在復合材料飛機環境下計算。

關鍵詞：復合材料飛機；靜電放電；輻射電場；放電能量

中圖分類號：TN41，TP33 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1601503

Research on Electrostatic Discharge Characteristics in Composite Airplane

ZHANG Jun.1，XIE Yongjun.1，FU Huanzhan.1，LIU Zhigang.2

(1.National Laboratory of Antennas and Microwave Technology，Xidian University，Xi′an，710071，China;2.No.783 Factory，Mianyang，621000，China)

Abstract：In order to analyze the Electrostatic Discharge(ESD)characteristics in composite airplane，theory of ESD generated in composite airplane is first presented in this paper，then the model of ESD in composite airplane is established according to ESD current pulse form to simulate the electrostatic accumulation in carbon fiber composite airplane and to emulate the fields E radiated by ESD current.Finally numerical results by the FEM method are given to calculate the capacitance of composite airplane，and to estimate the energy of ESD.Dramatically different from general metal airplane，it should be emphasized that the impacts of electrostatic discharge and its radiation fields on the airborne antenna in this paper are all totally in the composite material environment of the aircraft throughout the analysis.

Keywords：composite airplane;electrostatic discharge;radiation electric fields;discharge energy

1 引 言

為保證飛機飛行安全，在20世紀20年代就開始了對飛機靜電放電的研究。飛機在飛過云層的過程中，飛機表面和空間粒子摩擦而在飛機表面積累一定量的電荷。隨著電荷在飛機表面的積累，機上表面電壓將持續升高，當達到機上靜電放電起始電壓值時便產生靜電放電。飛機上主要以電暈放電的形式將機上電荷釋放出去。隨著這一課題的深入，人們發現電暈放電產生在飛機表面電場強度大的結構尖端，如機翼末端，尾翼尖端等。飛機在飛行中產生靜電放電，會對航空航天飛行器及其飛行系統的效能會產生直接影響。

本文主要研究了碳纖維復合材料飛機上靜電放電產生的原理，對建立好的復合材料飛機數值模型，運用有限元方法進行數值計算，得出靜電放電在飛機表面感應的輻射場。在此基礎上，計算出復合材料飛機的電容，估算靜電放電的能量，給出機上靜電放電能量分布圖。這對復合材料飛機的外形設計以及減少靜電放電帶來的危害具有很大的指導意義。

2 復合材料飛機上ESD的產生

摩擦起電是飛機上最主要的靜電積累方式。摩擦靜電的積累，與飛機所處的靜電摩擦環境和飛機材料的電阻系數有關。當飛機處在飛行時的摩擦環 境中，電荷積累到材料的擊穿強度需要很長的一段時間，對于高電阻系數的材料可以積累相當大的電荷。電阻系數越大，電荷積累到一定量值所需的時間就越短。碳纖維復合材料飛機上的靜電積累比一般金屬飛機上的靜電積累要快的多，并且碳纖維復合材料也可以像金屬一樣保證積累電荷的移動，因此，靜電累積在飛機的什么部位與材料無關，靜電的積累主要決定于尖端原理。

靜電在復合材料飛機表面的積累呈現不均勻分布，主要集中在飛機表面曲率大的部位，如機頭位置、機翼尖端和后緣、尾翼尖端部位后緣等結構尖端，這一特性與金屬材料類似。與金屬材料相比，碳纖維復合材料更容易積累電荷，在指定時間內積累的電量比金屬材料要大得多，復合材料飛機上電荷積累到靜電放電的時間就越短。所以當飛機結構尖端發生電暈放電時，放電之間的周期要短，各放電電流脈沖之間的時間比金屬小。在碳纖維復合材料飛機上，積累的靜電荷也可以轉移到放電刷放置的位置，以電暈放電的形式釋放出去。

復合材料飛機在空中飛行時，與周圍空間環境的粒子摩擦，飛機表面帶上大量的負電荷。電荷積累到一定程度，帶負電的介質飛機上將發生電暈放電。在放電時，電暈針附近的空氣中將產生電子和離子電流，促進空氣的電離，產生電暈放電電流脈沖。電暈放電期間產生的時變電暈電流脈沖具有雙指數形式^［1］，可用式（1）表示：I(0，t)=KIp(e.－α t－e.－β t)， t≥0(1)其中K，α和β為常數I為電暈電流；Ip為峰值電流值。

與金屬相比，復合材料上電暈放電脈沖的上升時間要短，一個放電周期內的脈沖電流上升沿約只有15 ns，脈沖寬度約為180 ns，峰值電流值Ip比金屬介質時的Ip要大。頻譜范圍小于30 MHz，主要集中在10 MHz以內，屬寬帶干擾，不同極性的電暈脈沖具有相同的頻域范圍。復合材料飛機電暈放電時的放電電流時域脈沖波形和頻域波形分別如圖1和圖2所示。

圖1 電暈放電電流時域脈沖波形圖2 電暈放電電流頻域波形3 復合材料飛機上ESD數值模型的建立及計算

3.1 復合材料飛機ESD建模

本文的研究對象為某型無人駕駛戰斗機，該介質飛機是用碳纖維復合材料制成的，其相對介電常數為εr=439.81－j227.19;相對磁導率為μr=1.0。由于研究對象的尺寸為機上電暈放電輻射波長的10倍以上，屬于電大尺寸問題，因此本文利用矩量法對飛機的電暈輻射電磁場進行仿真計算。復合材料飛機模型如圖3所示。

圖3 復合材料飛機模型3.2 ESD對機載天線的影響

依照飛機電暈放電的輻射特性，將復合材料飛機上的電暈放電等效為電偶極子模型^［2］，模擬電暈放電電流。依據尖端放電原理，在復合材料飛機上放電刷的安裝部位，即復合材料飛機左右機翼尖端處，分別設置兩個電偶極子模型以模擬電暈放電電流激勵。經過對機上電暈放電產生輻射電場的仿真，復合材料飛機上感應出的電流密度分布如圖4所示。

圖4 感應電流密度分布圖4中，圖4(a)是飛機上表面的感應電流密度；圖4(b)是飛機下表面即機腹處的感應電流密度。顏色越鮮艷，說明感應出的電流密度越大。由圖4可知，機體表面感應電流密度主要集中在機頭、機翼后緣、機身末端和尾翼上。飛機下表面的感應電流比飛機上表面的感應電流要大。在飛機上安裝設備時，應避免敏感設備安裝在這些部位。

在不同的放電頻率下，如30 MHz，60 MHz，100 MHz，復合材料飛機上電暈放電的遠場輻射方向圖也有所不同。圖5為不同放電頻率下，電暈放電遠場輻射方向圖。從飛機電暈放電遠場輻射方向圖的三維仿真結果看出:電暈輻射場主要集中在飛機機頭位置，隨著放電頻率升高，機頭電暈強輻射源增多，強輻射源間作用對整體方向圖的影響增強，但電暈放電輻射方向圖始終保持良好的對稱特性。電暈放電頻率越大，電暈放電遠場輻射方向圖變得越為復雜。

4 復合材料飛機上的靜電放電能量

根據軟件建立的模型，應用Trefftz方法可以精確的求解復合材料飛機的電容值。Trefftz方法包括建立一個Trefftz網格劃分區域，通過建立一個Trefftz區域包圍住復合材料飛機總體，可以解決復合材料飛機的靜電場問題，包括計算復合材料飛機的電容。飛機的電容是一個基本不變的參數，相關文獻指出通過對各種型號飛機的測量，測得飛機的電容在0.002～0.005 μF之間。利用Trefftz仿真得到復合材料飛機的電容值為0.264 88e-02 μF。復合材料飛機上電暈放電電壓為V=14 kV。

圖5 電暈放電遠場輻射方向圖將C=0.264 88e-02 μF，V=14 kV代入公式：Q=UC(2)

W＝C2×V.2(3) 可以計算飛機上的靜電積累電荷Q和放電能量W。靜電積累電荷Q是指在靜電放電發生前飛機因為靜電積累產生的最大靜電積累電荷值。放電能量W是指在復合材料飛機上安裝放電刷后放電刷放電所釋放的能量值。

將C=0.264 88e-02 μF，V=14 kV代入式(2)、式(3)得：Q=C×U=2.648 8×10.－9×14×10.3

=3.708 3×10.－5 C(4)

W=2.648 8×10.－9×196×10.62

=2.595 8×10.－1 J(5) 由式(4)得出的Q值為靜電放電發生前，飛機靜電積累產生的最大靜電積累電荷Q。式(5)計算出的W值，即在復合材料飛機上安裝放電刷后放電刷放電所釋放的能量值。

噴氣飛機的靜電帶電量可達10.－3C，直升機的靜電帶電量可達10.－6~10.－4C，且其電位一般為幾萬伏，最大可達500 kV。以大型客機為例，其累積的電壓可達60 kV，電容計為0.005 μF，代入能量W＝C2×V.2得：W=5×10.－9×36×10.82=9J(6) 人體能夠承受直流1.35 J ，交流600 mJ的能量。一個接近電位60 kV的飛機，可對人放9 J的電能，該能量遠遠超過了人體所能承受的極限值。由式（5）可知，復合材料飛機上放電刷放電之前飛機積累的靜電積累電荷Q的量值接近直升機的量值，達到10.－5C量級，比一般噴氣式飛機帶電量要小。但因為放電刷的設計，使得復合材料飛機上電暈起始電壓在較小的值V=14 kV，從而使復合材料飛機電暈放電產生的放電能量W相對較小，在10.－1J數量級，遏制了機上電壓的增加，降低了因放電能量過大對機上設備產生的干擾。可以分別計算復合材料飛機電暈放電頻譜中各頻段的能量比例，繪制圖如表1所示。由圖6可知，電暈放電時能量主要集中在10.5~10.7 Hz之間，在其他頻段，能量的分布相對較小。

表1 電暈放電頻譜中各頻段能量比例

頻率段/Hz歸一化能量所占比例10.3~10.410.98%10.4~10.59.89.63%10.5~10.655.354.32%10.6~10.732.431.8%10.7~10.83.23.1%

圖6 電暈放電頻譜中各頻段能量比例圖5 結 語

從以上的研究可以發現，碳纖維復合材料飛機的電暈放電特性，與以往的金屬飛機有所不同。本文的研究重點在于，在復合材料飛機環境下，利用電偶極子模型設置激勵，模擬復合材料飛機電暈放電過程，運用矩量法仿真分析電暈放電在機上感應出的電流密度分布，并對復合材料飛機上靜電放電產生的輻射場做出相應的研究，數值計算復合材料飛機上積累的靜電電荷值Q和放電能量W。利用電暈放電理論模擬飛機電暈激勵，對飛機電暈輻射電磁場進行仿真研究，有助于飛機外形優化設計，能夠很好地預測靜電放電帶來的危害，盡量減小電暈輻射的危害。

參 考 文 獻

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作者簡介 張 珺 女，1982年出生，西安電子科技大學，在讀碩士研究生。主要從事電磁兼容、靜電放電方面的研究。