導彈靜電放電效應及其防護裝置應用研究*

張力,張家俊,李鑫宇,司曉亮

(1.強電磁環(huán)境防護技術航空科技重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.飛機雷電防護安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031)

0 引言

導彈是高科技的結晶，具有威力大、射程遠、精度高、突防能力強的突出特點，已成為信息化戰(zhàn)爭中維持戰(zhàn)略平衡的支柱和進行不對稱作戰(zhàn)的主角。導彈的飛行環(huán)境是極其復雜的，其中，靜電環(huán)境是影響導彈飛行安全的關鍵因素之一。

導彈的電子電氣設備和系統(tǒng)高度集成，電磁敏感性閾值較低。當導彈受到靜電放電導致的電磁脈沖干擾，輕則使制導、通訊等系統(tǒng)的噪聲增大，影響正常任務執(zhí)行；嚴重時還可以造成任務系統(tǒng)不同程度的功能失效，甚至引起戰(zhàn)斗部電火工品誤觸發(fā)等現(xiàn)象[1-2]。20世紀以來，已有多型導彈裝備發(fā)生過靜電安全性問題，如“雷神-德爾塔”型運載火箭、“民兵”I型洲際彈道導彈等，曾先后發(fā)生過由于靜電放電導致的重大事故[3]。

靜電環(huán)境是導彈無法避免的外部自然電磁環(huán)境，靜電防護是導彈研制的剛性要求。為有效降低靜電放電危害，提高導彈的安全性和外部電磁環(huán)境適應性，必須對其進行靜電防護設計。靜電放電器是用于導彈靜電防護的重要裝置，具有成熟和可行的工程方案。

1 靜電放電起因

靜電放電的本質是相鄰物體間存在不同的靜電電位而引起的電荷轉移。導彈在飛行過程中，其表面的靜電荷沉積途徑主要有微粒碰撞和電磁場感應2種方式。

1.1 微粒碰撞

大氣中存在著多種微粒環(huán)境，如空氣、灰塵、和降水等。地球可等效為一個電容，由電離層、大地和大氣構成，其中大地具有500 kC左右的負電荷，中間形成的地球靜電場，電壓約300 kV。大氣是地球靜電場中的電介質。在地球靜電場的作用下，大氣中的灰塵、無極分子(如N2，O2，CO2等)、有極分子(如H2O，CO，SO2等)等微粒會發(fā)生電介質極化現(xiàn)象。極化后的大氣微粒，宏觀上與地球靜電場的電場方向一致，即負電荷在上，正電荷在下。導彈運行時，在氣流、重力、溫升等多物理效應下，會與大氣微粒連續(xù)發(fā)生碰撞、結合、剝落、分離等相對狀態(tài)的變化，此過程會導致電子或正離子轉移，使導彈帶上靜電荷(具有單極性特征[4])，電壓一般可達到幾萬至幾十萬伏，最高可達300 kV[5]。

1.2 電磁場感應

大氣中存在著多種電磁環(huán)境，包括自然環(huán)境因素(如雷電、靜電、天電噪聲等)和人為環(huán)境因素(如高強度輻射場、高功率微波等)，不同空域的大氣電磁環(huán)境在時域、頻域等特征方面存在巨大差異，非常復雜。當導彈在大氣中飛行時，受鄰近電磁場作用，導彈的導體結構會因靜電感應而產(chǎn)生電荷(具有雙極性特征)，并分布于外表面。對于整個導彈而言，因電磁場感應引起的感應電荷凈電量為0。導彈的感應電荷數(shù)量受到電場強度、飛行速度、有效充電面積等因素的影響，其電場強度低于外部環(huán)境。當導彈表面的靜電荷沉積達到一定程度，就會在導彈外部曲率較大的尖端位置和不同介質材料的搭接處等部位發(fā)生靜電放電。

2 靜電放電類型

隨著靜電荷的沉積，導彈與周圍環(huán)境之間的電位差持續(xù)增大，直至在某些尖端部位，局部電場強度超過空氣電離場強，使空氣發(fā)生電暈放電。當電暈放電后導彈的電荷沉積速率仍大于電荷消散速率，其自身電位會進一步增強，最終擊穿大氣，產(chǎn)生靜電放電。典型如導彈外部的非導電結構(如導引頭罩、中部殼體構件等)會發(fā)生流光放電；孤立導電結構(如傳感器、天線等)，會發(fā)生火花放電[6]。靜電放電現(xiàn)象的持續(xù)時間較短，但由此引起的寬頻電磁干擾是造成導彈導航、通信等系統(tǒng)噪聲的主要根源之一。

2.1 高壓電暈放電

高壓電暈放電一般發(fā)生在導彈尖端結構，如彈翼尖端、天線尖端和其他曲率半徑較小的部位。電暈放電屬于寬帶干擾，會產(chǎn)生重復脈沖式電暈電流，其產(chǎn)生的電暈電流單周期的上升沿約10 ns，噪聲頻譜通常低于30 MHz。電暈放電對工作在甚低頻(VLF)、低頻(LF)和中頻(MF)的機載外部電子電氣設備會產(chǎn)生嚴重干擾。影響電暈放電頻率和幅值等特性的主要因素是：環(huán)境溫度、飛行高度和空氣流速等。

2.2 表面流光放電

表面流光放電一般發(fā)生在導彈外部非導電結構，如導引頭罩、中部過渡段殼體構件等。流光放電會產(chǎn)生高電平的單脈沖式流光電流，其產(chǎn)生的流光電流最大脈寬可達200 ns，噪聲頻譜通常低于1 MHz，干擾一般不會延伸至更高頻段。對導彈而言，流光放電導致的電磁干擾遠不如其他2種靜電放電現(xiàn)象明顯。影響流光放電效果的主要因素是：材料的物理特性(包括電導率、幾何外形等)、電搭接和電荷沉積速率等。

2.3 火花電弧放電

火花電弧放電一般發(fā)生在導彈表面的不同結構之間，如天線與非導電外殼之間、復合材料表面與其他導電部件之間等。火花放電是靜電放電現(xiàn)象中最強烈的放電形式，其能量密度遠大于電暈放電和流光放電，具有振蕩特征。火花放電會產(chǎn)生甚高頻和超高頻的噪聲干擾，其放電通道的電流密度可達107～108A/mm2，弧端和放電通道的最高溫度可達12 000 ℃。影響火花放電效果的主要因素是：放電能量、不同結構之間的電特性差異程度和等效電容等。

3 靜電放電效應

導彈的靜電放電效應主要包括電流輻射效應和電磁脈沖效應兩方面[7-8]。

3.1 電流輻射效應

美國自動車工程師協(xié)會的相關靜電防護研究人員長期觀測飛行器工作狀態(tài)下的靜電放電現(xiàn)象及其效應，依托相關研究成果編制了目前國際上普遍采用的SAE ARP 5672《Aircraft Precipitation Static Certification》標準，首次明確了飛行器的靜電充電電流It(μA)取決于飛行器的飛行速度v(m/s)、有效充電面積Aeff(m2)、飛行環(huán)境中的粒子濃度c(粒子/m3)和單個粒子可轉移的電荷量qp(C/粒子)。該標準中定義了飛行器靜電充電電流的最大理論值計算方式：

It=vAeffcqp.

(1)

GJB 8848-2016《系統(tǒng)電磁環(huán)境效應試驗方法》中，將SAE ARP 5672標準中與氣象條件相關的飛行環(huán)境中的粒子濃度c和單個粒子可轉移的電荷量qp之積等效為充電電流密度Ic(μA/m2)，并給出了不同氣象條件下的靜電充電電流密度Ic的典型值范圍，見表1。

表1 不同云層的靜電充電電流密度Table 1 Electrostatic charge current density of different clouds

當導彈穿越云層中的電荷中心時將會遭遇最嚴酷的沉積靜電環(huán)境。由于導彈等效電容很小(≤1 μf)，因此，幾十μA的充電電流便會使導彈表面電位驟然上升到足以在導彈突起部位產(chǎn)生可電暈放電的場強。導彈靜電放電現(xiàn)象無法杜絕，其放電電流的輻射效應為高空、高速、隱身目標的探測提供了一種創(chuàng)新的解決思路。針對導彈飛行期間產(chǎn)生的可感測放電輻射效應研究情況[9]，見圖1,2。

圖1 有無安裝靜電放電器的靜電放電電流比對Fig.1 Comparision of electrostatic discharge current with or without installation of electrostatic dischargers

圖2 有無安裝靜電放電器的放電輻射信號強度比對Fig.2 Comparison of discharge radiation signal intensity with or without installation of electrostatic dischargers

研究成果表明，在系統(tǒng)架構不變的基礎上，安裝靜電放電器可將導彈自身尖端強烈的高壓電暈放電過程轉變成平穩(wěn)舒緩的靜電放電器電暈放電過程。在約50 mA的靜電充電電流條件下，相較于導彈原先的靜電放電現(xiàn)象，可取得優(yōu)于50 dB的降噪性能，使其輻射信號的可探測距離只僅為原距離的0.3%，具有極高的戰(zhàn)略價值[10]。

3.2 電磁脈沖效應

靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖效應可簡稱為靜電放電電磁脈沖(Electrostatic Discharge Electromagnetic Pulse,ESD EMP)，具有寬頻帶、高電壓、低電流的特點。靜電放電電磁脈沖的能量較小，一般不會對導彈的結構造成物理性損傷，但它會造成導彈的通信、遙測、導航、軍械等系統(tǒng)出現(xiàn)功能性干擾，嚴重時甚至可能觸發(fā)導彈的制導計算機、電火工品等，導致導彈發(fā)生空中自爆、無法返航等重大安全事故。

20世紀50年代中期，美軍曾進行“民兵”I型洲際彈道導彈發(fā)射試驗，但2枚導彈升空后不久相繼發(fā)生由于飛行姿態(tài)失常而引起的自毀爆炸。經(jīng)調查分析，導彈升空前已進行嚴格測試，無未處理隱患。確認事故原因為該型導彈在結構上存在導電的不連續(xù)性(導彈的前部與后部絕緣)；在飛行過程中，彈體發(fā)生靜電荷沉積，在前后兩絕緣段間出現(xiàn)了靜電放電現(xiàn)象，產(chǎn)生了嚴重的靜電電磁脈沖干擾，導致導彈的控制與制導系統(tǒng)失靈，并啟動自毀裝置，導彈空中爆炸解體。

為復現(xiàn)靜電放電電磁脈沖導致的導彈制導系統(tǒng)的功能性故障，采用靜電放電試驗系統(tǒng)，測試靜電放電對某天線接收端信號的影響情況[11]，見表2。

表2 不同靜電干擾環(huán)境下的天線信號接收情況Table 2 Antenna signal reception under different electrostatic interference environment

根據(jù)表2和圖3～5，比較該天線在無靜電干擾、弱靜電干擾和強靜電干擾3種條件下的信號接收情況。可以發(fā)現(xiàn)：

圖3 無靜電放電干擾時天線接收到的信號波形Fig.3 Signal waveform received by antenna under the interference without electrostatic discharge

圖4 弱靜電放電干擾時天線接收到的信號波形Fig.4 Signal waveform received by antenna under the interference with slight electrostatic discharge

圖5 強靜電放電干擾時天線接收到的信號波形Fig.5 Signal waveform received by antenna under the interference with severe electrostatic discharge

(1) 弱靜電放電干擾時，電場天線和磁場天線的通訊信號波形未發(fā)生明顯變化，但電場天線接收到的噪音干擾已增加到無干擾時的5倍；

(2) 強靜電放電干擾時，電場天線和磁場天線都受到明顯影響。其中，電場天線的噪音干擾已經(jīng)徹底覆蓋了正常通訊信號，磁場天線接收到的噪音干擾已增加到無干擾時的10倍。

高速飛行的導彈會在其非導電結構的表面迅速產(chǎn)生靜電荷沉積，抬升各部件之間的電位差，引發(fā)高壓電暈放電、表面流光放電或火花電弧放電，導致靜電放電電磁脈沖產(chǎn)生。靜電放電電磁脈沖會顯著增加導彈天線接收端的噪音電平，導致系統(tǒng)信噪比急劇下降，甚至引發(fā)其他嚴重事故。因此，導彈必須采取防護措施，減小或消除靜電放電效應。

4 靜電放電器類型

隨著導彈結構中復合材料的比重越來越大，以及智能蒙皮技術的應用，導彈的靜電防護變得更加重要。導彈靜電放電的主要威脅來源于電暈放電，可通過在彈翼、尾翼及其后緣等靜電荷最易累積的部位安裝足夠數(shù)量的靜電放電器進行防護。靜電放電器可以低噪聲的方式緩慢的釋放導彈表面的靜電荷，而不產(chǎn)生嚴重電磁干擾，有效降低了外部尖端結構的電暈閾值電壓，提高了導彈的靜電安全性。

靜電放電器主要分為后緣型和尖端型：

(1) 后緣型放電器安裝在導彈機翼和安定面的后緣，平行固定；

(2) 尖端型放電器安裝在導彈機翼和安定面的尖端，成30°傾角固定。

靜電放電器安裝基座主要有3種安裝方式：粘接、鉚接和螺接。通過使用標準安裝基座，可以快速完成靜電放電器維護。當靜電放電器損壞或者出現(xiàn)故障時，只要簡單的從底座卸下故障件，用一個新的靜電放電器更換即可。

靜電放電器的主要電性能要求如下：

(1) 尖端型放電器電阻為6～120 MΩ；

(2) 后緣型放電器電阻為6～200 MΩ；

(3) 10 kV放電電壓時，放電電流不小于1 μA；40 kV放電電壓時，放電電流不小于10 μA；

(4) 50 μA放電電流時，后緣型靜電放電器的射頻噪音衰減不小于40 dB；

(5) 50 μA放電電流時，尖端型靜電放電器的射頻噪音衰減不小于30 dB；

(6) 連續(xù)放電時，靜電放電器的放電電流應不小于50 μA@24 h。試驗期間，產(chǎn)品不應出現(xiàn)損傷。試驗后，產(chǎn)品應仍滿足第(3),(4),(5)項要求。

5 靜電放電器效能

導彈的靜電放電環(huán)境不可避免，抑制靜電源量級是進行有效靜電防護的前提。

空中狀態(tài)的導彈可看成一個對地絕緣的孤立導體。采用導電材料的結構，才能對其內部的電子電氣設備起到屏蔽作用，降低靜電放電對有關敏感器件的影響。導彈一般為不規(guī)則外形，且各結構件的幾何尺寸及其材料的物理性質均不相同，這導致導彈不同部位的靜電荷沉積速率、靜電荷密度和局部電場強度存在較大差異。通常在彈翼、尾翼及其后緣等曲率較大的尖端部位，電荷累積情況尤其顯著。為增強導彈的靜電安全性，必須對上述危險部位進行靜電防護設計，細化電搭接工藝要求，優(yōu)化外部結構材料選型，減小部件間的電位差，主動提高電荷泄放速率，避免導彈發(fā)生劇烈靜電放電現(xiàn)象[12]。

靜電放電器是目前最成熟和可行的工程方案，可為導彈靜電荷沉積提供泄放到大氣的途徑。有無安裝靜電放電器對導彈電暈放電電壓和放電電流的影響見圖6。

圖6 靜電放電器對導彈電暈放電的影響Fig.6 Effect of electrostatic discharger on corona discharge of aircraft

飛行過程中導彈表面的沉積靜電荷僅能通過其外部結構的尖端部位進行泄放，放電強度難以控制，易在敏感設備附近發(fā)生劇烈的靜電放電現(xiàn)象，導致嚴重靜電干擾，危害導彈飛行安全。靜電放電器具有嚴格的設計要求，其端頭的曲率遠小于一般的導彈結構尖端，在相同數(shù)量的沉積靜電荷條件下具有更大的電場強度，因此，可在較低電位下產(chǎn)生穩(wěn)定的電暈放電現(xiàn)象。

靜電放電器可以可控的限制導彈表面的靜電放電電壓，抑制高電壓靜電源的形成。導彈上一般采用電暈放電針型靜電放電器，它可將靜電放電電壓鉗制在電暈放電限值，從而消除火花放電現(xiàn)象，減輕沉積靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖的影響[13]。以美軍民兵I洲際彈道導彈為例，改進后其發(fā)動機基座上均安裝有韌性和強度都較好的鉭絲電暈放電針，由于放電電位較低，能量密度較小，顯著降低了靜電干擾[14-15]。

6 結束語

導彈的靜電荷沉積過程不可避免，應基于相關仿真和試驗數(shù)據(jù)，從降低威脅影響的角度對其靜電放電效應進行有效控制[16]。對于不同的機體結構，采用不同類型的靜電放電器，可為導彈靜電放電防護提供很好的解決方案。