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. 北京宇航系統工程研究所；2. 中國運載火箭技術研究院 研究發展中心：北京 100076；3. 軍械工程學院 靜電與電磁防護研究所，石家莊 050003）

運載火箭在大氣中飛行會使箭體、發動機等表面帶電，當靜電累積達到一定量級并產生靜電放電時，可能對箭上電氣設備造成災難性后果。在眾多起電原因中，文章重點研究發動機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，并結合相關靜電測量試驗，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，為指導單機設計及系統防護提供參考。

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生靜電，靜電放電（ESD）會對電子設備產生危害。尤其是中型運載火箭型號系統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生的沖擊電流非常敏感，很容易被損壞。箭體、發動機等表面帶電可能導致其內部電荷積累，發生靜電擊穿，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產生射頻干擾，繼而引起內部電路脈沖干擾，致使數字電路運行紊亂，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生靜電的原因有摩擦起電、噴流起電、感應起電、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]，故本文重點研究發動機噴流起電和摩擦起電過程，提出它們的計算模型，并結合相關靜電測量試驗，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，為單機及系統靜電防護方面設計提供參考。

1 發動機噴流起電

發動機噴流起電是指因發動機的火焰產生等離子氣體而起電。燃燒產生的電子以比正電荷快得

多的彌散速度進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。正負電荷的分離使得運載火箭發動機帶負電[3]。

為驗證發動機噴流起電的量級，本文針對航空發動機噴流進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 噴流起電測試系統的研制

傳感器的結構尺寸可根據發動機尾流的尺寸進行設計。不考慮引擎噴流尾氣的擴散，認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，內徑為1，長度為，空氣介電常數為。不考慮端部電場的不均勻性和尾氣的等離子體效應，則傳感器電容可近似為[2]

帶電量為

內筒靜電電位為

通過測量傳感器內筒電位，可以求得傳感器帶電量。發動機噴流起電帶電量與此數值相同，符號相反。

為防止發動機噴流尾氣擴散可能對法拉第筒式傳感器內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械結構穩定性要求，采用瓷質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；測試系統如圖2所示。