航天器厂房测试静电防护探讨

权建武，张文秀

（西昌卫星发射中心，四川西昌 615000）

航天器厂房测试静电防护探讨

权建武，张文秀

（西昌卫星发射中心，四川西昌 615000）

航天器包括大量的微电子部件和火工品，极易发生静电损坏。航天器厂房作为其储存和测试的重要场所，是保护它们免遭静电损害的重要屏障。通过分析航天器厂房测试过程中危险静电源及静电损坏途径，给出相应的静电防护措施，期望对航天器测试发射中静电防护工作带来帮助。

航天器；ESD（静电放电）；静电防护；安全区

随着科学技术的飞速发展，高分子材料在航天发射领域得到了广泛应用，静电危害日益严重。在航天器测试过程中，静电放电作为一种看不见、甩不开的近场电磁危害源，其产生的电磁脉冲，轻者导致微电路的误动作，干扰仪器设备正常工作，重则可能造成火工品、液体燃料蒸气的意外点火、爆炸事故，这严重影响设备设施及人员的安全。航天器厂房作为航天器的储存、测试和加注场所，是保证航天器安全的重要屏障，因此，研究航天器测试厂房静电源、起电机理和防护技术，确保航天器在复杂的静电环境中安全储存、测试并正常发挥性能，是一项十分重要和紧迫的任务，具有重要的现实意义和实用价值。

1 厂房静电源及起电机理分析

1．1 静电起电机理

静电危害的产生通常需要满足如下3个基本条件。

1）厂房环境能产生并积聚起足够的静电，由此形成危险静电源，且静电电场强度足以达到或超过介质击穿场强，从而引发静电放电。

2）厂房环境存在达到爆炸浓度极限的易燃、易爆气体，或者有火工品等爆炸危险品，以及静电敏感器件和电子装置等静电易损物质。

3）危险静电源与易爆、易损物质之间形成能量耦合通道，且静电放电产生的能量超过爆炸物最小点火能或电子设备静电敏感度。

形成静电危害的3个基本条件也是静电危害发生的必要条件，在实际应用中只要控制一个条件不成立，就不会有静电危害发生［1］。航天器测试厂房中的火箭、卫星中包含火工品和大量微电子线路，防静电危害工作的关键体现在2个方面：一是预防危险静电源的形成；二是控制危害静电源与易燃、易爆等危险品和敏感电子设备之间形成能量耦合通道。

1．2 危险静电源和静电产生过程

静电产生过程包括：1）航天器运输过程；2）部件安装过程；3）航天器测试过程；4）燃料加注过程。

在整个测试加注过程中，每一个阶段中的每一步，航天器都可能遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易疏忽的一点却是在航天器的运输过程。在整个过程中，不但航天器因摩擦容易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场（如经过高压设备附近、人员频繁移动、车辆迅速移动等）而受到破坏，所以运输过程需要特别注意以减少损失。另外，在测试加注过程中，包括太阳翼安装、火工品安装、易燃、易爆燃料加注和静电敏感部件测试等操作过程，测试人员需要参与其中的工作，并且工作周期相对较长，其相关的操作过程应该成为静电防护工作的焦点。对航天器厂房测试过程危险静电源及危害途径分析见表1。

表1 航天器厂房危险静电源与静电危害类型分析表

2 静电放电消除方法

从技术上讲，航天器厂房的静电危害消除主要从两方面进行：一是采用防静电材料避免静电荷的积聚；二是采用接地法使静电荷安全导入大地，或采用中和的方法减少或消除静电荷控制静电的消散，从而控制静电危害源的产生。

一般来说，从静电防护的角度出发，大多数物体按照表面电阻率可分为导电体和绝缘体。依据不同的电学特性，按照静电防护理论，导电性物体和绝缘性物体的静电消除方法如下。

1）消除导电性物体静电的方法

由于导电性物体中的电子可以自由移动，人们可以简单地对其进行接地处理，给予这些不平衡的电子一个简单的通路，使其释放到大地，即可消除物体所携带的静电［2］。

2）消除绝缘性物体静电的方法

由于绝缘性物体中电子遭受束缚，不易移动，所以利用接地方法无法有效消除这类物体上积累的静电电荷。针对这个状况，目前通常使用离子中和的方法，主要包括辐射离子化空气法和电晕离子化空气法。其中，前者通过辐射能撞击空气，将空气分裂为等量的正、负离子；后者则通过交流高压在空气周围形成极高电场，从而将空气分裂为等量的正、负离子。但由于电晕离子化空气法本身存在一个强烈的交流电场，从而容易在空气中产生臭氧，对电子器件会产生较大影响，所以在有敏感电子部件的场合很少采用。同时，由于高压交流电极易产生危险，所以辐射离子化空气法是目前比较合适的一种针对绝缘性物体的静电消除方法［3］。

3 厂房静电防护

航天器厂房静电防护工作应分为硬件管理和软件管理两部分，两者相互结合、缺一不可。一般来说，一个完整的静电防护工作过程应具备以下几点。

1）应在工作区划分完整、合理的静电安全工作区域；

2）在静电敏感部件的运输和传递过程中采用适当的静电遮蔽容器；

3）现场工作人员具备完全的静电防护观念，应假定所有部件为静电敏感器件；4）根据工作进程标志意思完整的警示信息，使人员不因不知道而造成破坏；5）建立定期的环境静电检测制度。

3．1 静电安全区域

航天器测试厂房是一个安全的工作区域，其中包含的所有导电性与绝缘性物体，不得存在有足够破坏组件的电荷，所以整个工作区域须备有以下条件。

1）完整的导电及接地系统。完善的导电及接地系统要求工作人员、静电放电敏感对象和其他相关导电体应相互连接或电气互联，从而有效保证工作人员、静电放电敏感对象和所有其他导电体处于等电位。接地导线要有足够的机械强度并连接牢固，否则在松断部位可能会产生火花。固定设备的接地导线应采用1．25 mm以上的多股编织电线，并将其可靠连接在防静电腕带、地板和工作台表面。

2）适当的离子化空气产生器。感应式离子发生器可以用来消除普通塑料等绝缘体上的静电荷，其工作原理就是当感应式离子发生器的尖端接近带电体时，在其尖端上能感应出与带电体上静电电荷极性相反的电荷，并在其尖端附近形成较强的局部电场，当场强超过一定阈值时，空气产生电晕放电并产生正、负离子，异性离子在电场作用下向带电体运动，因此可以连续地中和发生在绝缘体表面的静电电荷积累。

3）适度控制环境温湿度。湿度和温度对静电电荷的积累和消散都有重要影响，非导体材料的表面电导率会随空气湿度的增加而增加，而空气导电性能的增强可以导致物体上积蓄的静电荷更快泄漏，从而有利于对静电危害的防护。因此，为进一步降低静电危害，厂房内可以使用空调加湿等方法提高空气的相对湿度。但是湿度过大也会导致电路发生短路、漏电等故障，因此通常应将湿度控制在40%～65%RH范围内［4］。

4）张贴醒目的警示标志。应在厂房内划分清楚的静电保护区域，表明被保护区域的警告标志应清晰可见，并张贴在人员进入保护区域的入口之前。工作人员只有在完成适当的静电放电培训后才能进入静电保护区域，且在保护区域里。未受过培训的人员应在受过培训人员的带领下工作。塑料或纸制的杯子、食物包装和个人物品等所有非必要的绝缘体必须从工作台取走。静电放电敏感对象在非保护的区域应使用防护静电包装。

3．2 合适的包装材料和周转箱

航天器测试时最主要的关注点是部件的传递过程。部件包装容器的外部摩擦、工作人员的静电以及容器遇高电压电场等都有可能造成零部件受到不明原因的破坏。因此，厂房内应备有合适的包装容器，以备在零部件的传递过程中使用，不要让包装容器因摩擦而产生静电，破坏组件。可以考虑使用导电性材料制成包装容器，以便在保证零部件不受机械破坏的同时隔离外界电场。同时，在测试和储运过程中合理设计和安排工序与材料，也可以在很大程度上消除静电的产生与积累。

1）静电遮蔽袋

目前导电性材料均为碳化性材料，为不透明黑色，在某些特殊状况下，对高度静电敏感部件，静电遮蔽要求更严格的情形时，可能需要静电遮蔽袋的构造功能如下。

内层：抗静电聚乙烯，不产生静电；中层：加强聚脂纤维，增加机械强度；外层：镀镍，形成良好导体，可瞬间释放电荷，形成法拉第容器［5］。

2）静电遮蔽器

静电遮蔽容器包含：导电性塑胶袋和塑胶盒等。使用静电遮蔽器运输静电敏感部件可以保护其不受外界电场（如搬运人员，电源等）的破坏。

3）周转箱

使用静电耗散材料制作而成的周转箱，可以通过接地或放置在静电耗散材料或导电材料的桌面上泄放其表面积累的静电荷。虽然静电敏感部件外侧及其周边的电荷可能无法通过接地消除，但周转箱的结构可以使其与静电危害源的耦合最小。

3．3 人员操作的静电防护措施

操作人员的静电防护措施可以采用以下措施。

1）静电耗散及泄漏。将航天器测试过程中接触到的各类绝缘物用具替换为防静电材料并使之接地，比如操作人员佩戴防静电腕带、穿着防静电鞋服、使用静电防护台垫等，这可以形成有效的静电泄漏通道，消除静电荷的积累。

2）静电中和。在对静电要求较高的场所或操作过程中可适时采用防爆型离子静电消除器，从而产生与带电体上的电荷符号相反的电荷、电子或离子的复合，从而消除带电体上的静电，但需评估其可能带来的其他影响。

3）静电屏蔽与接地。通常用于对静电极敏感电路的屏蔽。如：在防静电工作区域，设置静电防护接地系统，可与其他接地体共地；操作工具、测量设备机柜等都需要良好接地。

4）规范操作行为。进入静电安全区域内人员需穿着防静电鞋服，与敏感电子器件和火工品相关的操作人员外露穿着物应存在电气连续性，禁止在静电安全区内穿脱衣服、帽子及类似物，并避免剧烈的身体运动。

4 结 语

航天器组件既有火工品，又包括微电子部件。多年的研究成果表明：静电放电对火工品的工作可靠性有明显影响，对其危害主要表现为意外发火和爆炸；静电放电对微电子设备的影响则主要表现在软损伤、硬损伤和电磁干扰等3个方面。因此，航天器静电防护工作应结合测试厂房防静电装置与技术工序，完善静电安全防护制度，加强技术、人员管理，确保在航天器运输、储存、测试和加注过程中不发生静电损害事故。

［1］ 魏光辉，潘晓东，孙永卫．通用电爆装置抗静电能力研究［J］．河北大学学报（自然科学版），2008，28（5）：480－485．

［2］ GB 12158—2006，防静电事故通用导则［S］．

［3］ 胡允娥．论静电对电子行业的危害及防护［J］．科技信息，2010（15）：70－71．

［4］ 孙延真．电子工业静电防护指南［M］．北京：电子工业出版社，2006．

［5］ 武占成，刘尚合．静电放电及危害防护［M］．北京：北京邮电大学出版社，2004．

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1008－1542（2011）12－0210－04

2011－06－20；责任编辑：陈书欣

权建武（1978－），男，陕西宝鸡人，工程师，硕士，主要从事航天器发射通信技术方面的研究。