导弹静电放电效应及其防护装置应用研究*

2021-03-24张力张家俊李鑫宇司晓亮

现代防御技术 2021年1期

张力,张家俊,李鑫宇,司晓亮

(1.强电磁环境防护技术航空科技重点实验室，安徽合肥 230031；2.飞机雷电防护安徽省重点实验室，安徽合肥 230031)

0 引言

导弹是高科技的结晶，具有威力大、射程远、精度高、突防能力强的突出特点，已成为信息化战争中维持战略平衡的支柱和进行不对称作战的主角。导弹的飞行环境是极其复杂的，其中，静电环境是影响导弹飞行安全的关键因素之一。

导弹的电子电气设备和系统高度集成，电磁敏感性阈值较低。当导弹受到静电放电导致的电磁脉冲干扰，轻则使制导、通讯等系统的噪声增大，影响正常任务执行；严重时还可以造成任务系统不同程度的功能失效，甚至引起战斗部电火工品误触发等现象[1-2]。20世纪以来，已有多型导弹装备发生过静电安全性问题，如“雷神-德尔塔”型运载火箭、“民兵”I型洲际弹道导弹等，曾先后发生过由于静电放电导致的重大事故[3]。

静电环境是导弹无法避免的外部自然电磁环境，静电防护是导弹研制的刚性要求。为有效降低静电放电危害，提高导弹的安全性和外部电磁环境适应性，必须对其进行静电防护设计。静电放电器是用于导弹静电防护的重要装置，具有成熟和可行的工程方案。

1 静电放电起因

静电放电的本质是相邻物体间存在不同的静电电位而引起的电荷转移。导弹在飞行过程中，其表面的静电荷沉积途径主要有微粒碰撞和电磁场感应2种方式。

1.1 微粒碰撞

大气中存在着多种微粒环境，如空气、灰尘、和降水等。地球可等效为一个电容，由电离层、大地和大气构成，其中大地具有500 kC左右的负电荷，中间形成的地球静电场，电压约300 kV。大气是地球静电场中的电介质。在地球静电场的作用下，大气中的灰尘、无极分子(如N2，O2，CO2等)、有极分子(如H2O，CO，SO2等)等微粒会发生电介质极化现象。极化后的大气微粒，宏观上与地球静电场的电场方向一致，即负电荷在上，正电荷在下。导弹运行时，在气流、重力、温升等多物理效应下，会与大气微粒连续发生碰撞、结合、剥落、分离等相对状态的变化，此过程会导致电子或正离子转移，使导弹带上静电荷(具有单极性特征[4])，电压一般可达到几万至几十万伏，最高可达300 kV[5]。

1.2 电磁场感应

大气中存在着多种电磁环境，包括自然环境因素(如雷电、静电、天电噪声等)和人为环境因素(如高强度辐射场、高功率微波等)，不同空域的大气电磁环境在时域、频域等特征方面存在巨大差异，非常复杂。当导弹在大气中飞行时，受邻近电磁场作用，导弹的导体结构会因静电感应而产生电荷(具有双极性特征)，并分布于外表面。对于整个导弹而言，因电磁场感应引起的感应电荷净电量为0。导弹的感应电荷数量受到电场强度、飞行速度、有效充电面积等因素的影响，其电场强度低于外部环境。当导弹表面的静电荷沉积达到一定程度，就会在导弹外部曲率较大的尖端位置和不同介质材料的搭接处等部位发生静电放电。

2 静电放电类型

随着静电荷的沉积，导弹与周围环境之间的电位差持续增大，直至在某些尖端部位，局部电场强度超过空气电离场强，使空气发生电晕放电。当电晕放电后导弹的电荷沉积速率仍大于电荷消散速率，其自身电位会进一步增强，最终击穿大气，产生静电放电。典型如导弹外部的非导电结构(如导引头罩、中部壳体构件等)会发生流光放电；孤立导电结构(如传感器、天线等)，会发生火花放电[6]。静电放电现象的持续时间较短，但由此引起的宽频电磁干扰是造成导弹导航、通信等系统噪声的主要根源之一。

2.1 高压电晕放电

高压电晕放电一般发生在导弹尖端结构，如弹翼尖端、天线尖端和其他曲率半径较小的部位。电晕放电属于宽带干扰，会产生重复脉冲式电晕电流，其产生的电晕电流单周期的上升沿约10 ns，噪声频谱通常低于30 MHz。电晕放电对工作在甚低频(VLF)、低频(LF)和中频(MF)的机载外部电子电气设备会产生严重干扰。影响电晕放电频率和幅值等特性的主要因素是：环境温度、飞行高度和空气流速等。

2.2 表面流光放电

表面流光放电一般发生在导弹外部非导电结构，如导引头罩、中部过渡段壳体构件等。流光放电会产生高电平的单脉冲式流光电流，其产生的流光电流最大脉宽可达200 ns，噪声频谱通常低于1 MHz，干扰一般不会延伸至更高频段。对导弹而言，流光放电导致的电磁干扰远不如其他2种静电放电现象明显。影响流光放电效果的主要因素是：材料的物理特性(包括电导率、几何外形等)、电搭接和电荷沉积速率等。

2.3 火花电弧放电

火花电弧放电一般发生在导弹表面的不同结构之间，如天线与非导电外壳之间、复合材料表面与其他导电部件之间等。火花放电是静电放电现象中最强烈的放电形式，其能量密度远大于电晕放电和流光放电，具有振荡特征。火花放电会产生甚高频和超高频的噪声干扰，其放电通道的电流密度可达107～108A/mm2，弧端和放电通道的最高温度可达12 000 ℃。影响火花放电效果的主要因素是：放电能量、不同结构之间的电特性差异程度和等效电容等。

3 静电放电效应

导弹的静电放电效应主要包括电流辐射效应和电磁脉冲效应两方面[7-8]。

3.1 电流辐射效应

美国自动车工程师协会的相关静电防护研究人员长期观测飞行器工作状态下的静电放电现象及其效应，依托相关研究成果编制了目前国际上普遍采用的SAE ARP 5672《Aircraft Precipitation Static Certification》标准，首次明确了飞行器的静电充电电流It(μA)取决于飞行器的飞行速度v(m/s)、有效充电面积Aeff(m2)、飞行环境中的粒子浓度c(粒子/m3)和单个粒子可转移的电荷量qp(C/粒子)。该标准中定义了飞行器静电充电电流的最大理论值计算方式：

It=vAeffcqp.

(1)

GJB 8848-2016《系统电磁环境效应试验方法》中，将SAE ARP 5672标准中与气象条件相关的飞行环境中的粒子浓度c和单个粒子可转移的电荷量qp之积等效为充电电流密度Ic(μA/m2)，并给出了不同气象条件下的静电充电电流密度Ic的典型值范围，见表1。

表1 不同云层的静电充电电流密度Table 1 Electrostatic charge current density of different clouds

当导弹穿越云层中的电荷中心时将会遭遇最严酷的沉积静电环境。由于导弹等效电容很小(≤1 μf)，因此，几十μA的充电电流便会使导弹表面电位骤然上升到足以在导弹突起部位产生可电晕放电的场强。导弹静电放电现象无法杜绝，其放电电流的辐射效应为高空、高速、隐身目标的探测提供了一种创新的解决思路。针对导弹飞行期间产生的可感测放电辐射效应研究情况[9]，见图1,2。

图1 有无安装静电放电器的静电放电电流比对Fig.1 Comparision of electrostatic discharge current with or without installation of electrostatic dischargers

图2 有无安装静电放电器的放电辐射信号强度比对Fig.2 Comparison of discharge radiation signal intensity with or without installation of electrostatic dischargers

研究成果表明，在系统架构不变的基础上，安装静电放电器可将导弹自身尖端强烈的高压电晕放电过程转变成平稳舒缓的静电放电器电晕放电过程。在约50 mA的静电充电电流条件下，相较于导弹原先的静电放电现象，可取得优于50 dB的降噪性能，使其辐射信号的可探测距离只仅为原距离的0.3%，具有极高的战略价值[10]。

3.2 电磁脉冲效应

静电放电产生的电磁脉冲效应可简称为静电放电电磁脉冲(Electrostatic Discharge Electromagnetic Pulse,ESD EMP)，具有宽频带、高电压、低电流的特点。静电放电电磁脉冲的能量较小，一般不会对导弹的结构造成物理性损伤，但它会造成导弹的通信、遥测、导航、军械等系统出现功能性干扰，严重时甚至可能触发导弹的制导计算机、电火工品等，导致导弹发生空中自爆、无法返航等重大安全事故。

20世纪50年代中期，美军曾进行“民兵”I型洲际弹道导弹发射试验，但2枚导弹升空后不久相继发生由于飞行姿态失常而引起的自毁爆炸。经调查分析，导弹升空前已进行严格测试，无未处理隐患。确认事故原因为该型导弹在结构上存在导电的不连续性(导弹的前部与后部绝缘)；在飞行过程中，弹体发生静电荷沉积，在前后两绝缘段间出现了静电放电现象，产生了严重的静电电磁脉冲干扰，导致导弹的控制与制导系统失灵，并启动自毁装置，导弹空中爆炸解体。

为复现静电放电电磁脉冲导致的导弹制导系统的功能性故障，采用静电放电试验系统，测试静电放电对某天线接收端信号的影响情况[11]，见表2。

表2 不同静电干扰环境下的天线信号接收情况Table 2 Antenna signal reception under different electrostatic interference environment

根据表2和图3～5，比较该天线在无静电干扰、弱静电干扰和强静电干扰3种条件下的信号接收情况。可以发现：

图3 无静电放电干扰时天线接收到的信号波形Fig.3 Signal waveform received by antenna under the interference without electrostatic discharge

图4 弱静电放电干扰时天线接收到的信号波形Fig.4 Signal waveform received by antenna under the interference with slight electrostatic discharge

图5 强静电放电干扰时天线接收到的信号波形Fig.5 Signal waveform received by antenna under the interference with severe electrostatic discharge

(1) 弱静电放电干扰时，电场天线和磁场天线的通讯信号波形未发生明显变化，但电场天线接收到的噪音干扰已增加到无干扰时的5倍；

(2) 强静电放电干扰时，电场天线和磁场天线都受到明显影响。其中，电场天线的噪音干扰已经彻底覆盖了正常通讯信号，磁场天线接收到的噪音干扰已增加到无干扰时的10倍。

高速飞行的导弹会在其非导电结构的表面迅速产生静电荷沉积，抬升各部件之间的电位差，引发高压电晕放电、表面流光放电或火花电弧放电，导致静电放电电磁脉冲产生。静电放电电磁脉冲会显著增加导弹天线接收端的噪音电平，导致系统信噪比急剧下降，甚至引发其他严重事故。因此，导弹必须采取防护措施，减小或消除静电放电效应。

4 静电放电器类型

随着导弹结构中复合材料的比重越来越大，以及智能蒙皮技术的应用，导弹的静电防护变得更加重要。导弹静电放电的主要威胁来源于电晕放电，可通过在弹翼、尾翼及其后缘等静电荷最易累积的部位安装足够数量的静电放电器进行防护。静电放电器可以低噪声的方式缓慢的释放导弹表面的静电荷，而不产生严重电磁干扰，有效降低了外部尖端结构的电晕阈值电压，提高了导弹的静电安全性。

静电放电器主要分为后缘型和尖端型：

(1) 后缘型放电器安装在导弹机翼和安定面的后缘，平行固定；

(2) 尖端型放电器安装在导弹机翼和安定面的尖端，成30°倾角固定。

静电放电器安装基座主要有3种安装方式：粘接、铆接和螺接。通过使用标准安装基座，可以快速完成静电放电器维护。当静电放电器损坏或者出现故障时，只要简单的从底座卸下故障件，用一个新的静电放电器更换即可。

静电放电器的主要电性能要求如下：

(1) 尖端型放电器电阻为6～120 MΩ；

(2) 后缘型放电器电阻为6～200 MΩ；

(3) 10 kV放电电压时，放电电流不小于1 μA；40 kV放电电压时，放电电流不小于10 μA；

(4) 50 μA放电电流时，后缘型静电放电器的射频噪音衰减不小于40 dB；

(5) 50 μA放电电流时，尖端型静电放电器的射频噪音衰减不小于30 dB；

(6) 连续放电时，静电放电器的放电电流应不小于50 μA@24 h。试验期间，产品不应出现损伤。试验后，产品应仍满足第(3),(4),(5)项要求。

5 静电放电器效能

导弹的静电放电环境不可避免，抑制静电源量级是进行有效静电防护的前提。

空中状态的导弹可看成一个对地绝缘的孤立导体。采用导电材料的结构，才能对其内部的电子电气设备起到屏蔽作用，降低静电放电对有关敏感器件的影响。导弹一般为不规则外形，且各结构件的几何尺寸及其材料的物理性质均不相同，这导致导弹不同部位的静电荷沉积速率、静电荷密度和局部电场强度存在较大差异。通常在弹翼、尾翼及其后缘等曲率较大的尖端部位，电荷累积情况尤其显著。为增强导弹的静电安全性，必须对上述危险部位进行静电防护设计，细化电搭接工艺要求，优化外部结构材料选型，减小部件间的电位差，主动提高电荷泄放速率，避免导弹发生剧烈静电放电现象[12]。

静电放电器是目前最成熟和可行的工程方案，可为导弹静电荷沉积提供泄放到大气的途径。有无安装静电放电器对导弹电晕放电电压和放电电流的影响见图6。

图6 静电放电器对导弹电晕放电的影响Fig.6 Effect of electrostatic discharger on corona discharge of aircraft

飞行过程中导弹表面的沉积静电荷仅能通过其外部结构的尖端部位进行泄放，放电强度难以控制，易在敏感设备附近发生剧烈的静电放电现象，导致严重静电干扰，危害导弹飞行安全。静电放电器具有严格的设计要求，其端头的曲率远小于一般的导弹结构尖端，在相同数量的沉积静电荷条件下具有更大的电场强度，因此，可在较低电位下产生稳定的电晕放电现象。

静电放电器可以可控的限制导弹表面的静电放电电压，抑制高电压静电源的形成。导弹上一般采用电晕放电针型静电放电器，它可将静电放电电压钳制在电晕放电限值，从而消除火花放电现象，减轻沉积静电放电产生的电磁脉冲的影响[13]。以美军民兵I洲际弹道导弹为例，改进后其发动机基座上均安装有韧性和强度都较好的钽丝电晕放电针，由于放电电位较低，能量密度较小，显著降低了静电干扰[14-15]。