复材结构航天器静电特性及防护技术

陈灿辉，王 骞，李 昊

（中国运载火箭技术研究院 空天业务部，北京 100076）

0 引言

在航天领域，静电放电（ESD）有诸多危害：可导致火箭和导弹发射失败，破坏太阳电池组，使卫星寿命缩短；干扰各类航天器与地面的联系，造成飞行器失控等[1-2]，其影响不可忽视。充放电效应是导致航天器在轨故障的重要原因，美国NASA在对298起航天器在轨故障原因统计中给出了严峻的事实——带电引起的航天器在轨故障超过总故障数的50%[3]。表面带电对航天器的影响包括在线路上产生异常电流、产生瞬态电磁干扰脉冲，导致逻辑系统异常切换、指令错误、产生虚假信号或指令，传感器性能退化，组件失效，甚至导致任务失败[4]。

在航天器项目设计中，ESD防护设计是保证电气系统正常稳定运行的一项关键工作[5]。开展航天器静电特性及防护技术研究，通过采取积极有效的防护措施，可以控制航天器静电干扰和提高其抗静电干扰能力。以往的航天器静电防护技术研究主要是针对金属结构或以金属结构为主的航天器，由于金属材料的低电阻率特征，所以这些航天器表面很容易形成静电等电位体，不至堆积静电荷。而随着航天航空技术的发展，航天器特别是对于需要执行轨道再入飞行的新型航天器，为了满足防/隔热及减重等要求，采用复合材料结构已成为必然趋势。当航天器采用非金属结构时，静电荷扩散减慢，若不能形成静电等电位，则会在局部区域不断堆积；当表面的静电荷超过一定阈值，就会产生瞬间放电现象：在轨飞行中，严重时会出现介质击穿；而在再入大气层飞行中，严重时会出现电晕放电甚至火花放电。瞬间放电现象会对航天器仪器设备造成静电击穿和电磁脉冲干扰的不良影响。因而，静电防护及等电位设计成为复材结构航天器研制中的关键技术问题。

本文以复材结构天地往返无人航天器为对象，研制了高温条件下材料电阻率测试专用探头和测试系统，开展了热防护材料和碳纤维复材静电特性研究，并基于复材结构航天器静电特性提出相应的静电防护措施。

1 复材结构航天器结构特征

在低地球轨道（LEO）上运行的航天器与周围等离子体、高能带电粒子、磁场和太阳辐射等环境因素相互作用，会导致等离子体间或在航天器不同部位间出现相对电位差，当电位差达到一定阈值时就会造成静电放电，甚至导致设备损坏[6]。对于天地往返无人航天器，除了要满足在轨飞行环境条件外，还要满足复杂的再入返回飞行环境。其再入返回最大飞行马赫数高达25以上，恶劣的气动加热会使其表面温度急剧增高。为了满足在轨、再入飞行的需要，一般而言，复材结构航天器会采用两层结构，从外到内分别为热防护结构和冷结构。

天地往返无人航天器外层会覆盖热防护材料，以确保航天器在苛刻的气动加热条件下仍能保证气动外形和再入返回阶段的精确控制。因此，热防护材料必须实现高温非烧蚀；同时，为有效隔绝热量，使舱内各系统和设备处于正常工作环境中，热防护材料还必须实现高效防隔热。而复材结构天地往返无人航天器内层冷结构往往采用碳纤维复合材料，这是由于碳纤维具有高强度、高模量、化学稳定性能好，易形成导电网络等特性[7-9]。故此，开展复材结构航天器静电特性及防护方式研究就成为该类航天器研制中的重要课题。

2 复合材料静电特性及防护措施研究

2.1 评价参数

评价飞行器材料静电特性的重要参数是电阻率，包括表面电阻率和体电阻率[8]。

根据GJB/Z 105—1999《电子产品防静电放电控制手册》，静电放电防护材料分为导（静）电性的或耗散（静电）性的两种。其中：导（静）电材料特性为具有表面电阻率＜105Ω/□的导（静）电材料或体积电阻率＜104Ω·cm的体积导电型材料；耗散（静电）型材料特性为具有表面电阻率≥105Ω/□但＜1012Ω/□的表面导电型材料或体积电阻率≥104Ω·cm 但＜1011Ω·cm 的体积导电型材料。与GJB/Z 105—1999的规定略有差异，相关文献给出的材料电阻率分布特性如表1所示[8, 10]。

当航天器结构材料电阻率能够达到导（静）电要求，可形成“法拉第筒”效应，具有静电泄放和电磁屏蔽作用时，则可对器上电子电气设备提供静电防护[8]。

表1 材料的电阻率分布Table 1 The resistivity distribution of materials

2.2 热防护材料静电特性

由于航天器不同部位工作温度、载荷条件等存在较大差异，在满足防隔热要求的前提下，航天器热防护结构往往会同时使用几种不同类型的材料[8]。根据航天器所使用的材料类型，研制了碳基材料、多孔石英材料和隔热毡材料试验样件，研究其静电特性。

天地往返航天器再入返回过程中，由于高速飞行与空气介质剧烈摩擦导致的高温条件对航天器表面材料静电特性的影响直接关系到航天器的静电安全性，所以热防护材料静电特性研究不仅要关注在常温条件下，还需重点研究在高温条件下航天器表面材料的静电特性。为此，在常温条件下电阻率测试的基础上，进一步研制了高温条件下材料电阻率测试专用探头和测试系统，如图1所示，并测试了不同温度条件下表面材料的电阻率特性，以支撑航天器静电特性研究。

图1 高温条件下表面电阻率测试平台Fig. 1 The surface resistivity test platform at high temperature

测试结果表明，不同热防护材料的表面电阻率相差较大，具体如下：

1）碳基材料在常温和高温状态下表面电阻率均＜106Ω/□，属于导静电材料，具有良好的静电泄漏性能；

2）多孔石英材料在常温和高温状态下表面电阻率均在108～1012Ω/□量级之间，且加热冷却后仍能恢复至该参数，属于静电耗散材料；

3）隔热毡材料虽然含有金属铝粉，但其表面电阻率＞1012Ω/□，且不随温度变化，始终属于静电非导体。

由于不同热防护材料电阻率特性存在较大差异，带电特性不同，会产生电势差，易导致静电放电。而在目前技术工艺下，很难在热防护层上采取预埋金属网或喷涂导电涂层等措施实现热防护层的静电等电位。根据静电放电机理，空中高速运动的物体会带上静电，严重时会产生电晕放电[11-12]，并伴随强烈的电磁辐射，对航天器舱内电子设备产生干扰，因此，在热防护层上不能采取静电防护措施的情况下，需使航天器的冷结构满足静电等电位、实现静电防护的要求。

2.3 冷结构静电防护措施及材料静电特性

从材料静电防护措施的实施方式来看，利用复合材料实现静电防护的常用措施主要有3种：

1）无措施碳纤维复材，即利用碳纤维复合材料自身可形成导电网络的性能，不采取额外措施来满足静电等电位设计需要；

2）复材覆铜网（或复材覆导电膜），即在冷结构研制过程中，采用一体化设计工艺在碳纤维复合材料表面敷设一层导电铜网或导电膜，由导电铜网或导电膜构建航天器静电等电位体，实现静电防护；

3）复材涂覆层，即在冷结构复合材料表面喷涂导电涂层，通过导电涂层形成静电等电位层，实现静电防护。

按上述3种方法分别制作了3种构型的样件，如图2所示。

图2 冷结构样件Fig. 2 The cold structure samples

对构型一（无措施碳纤维复材）样件的测试结果表明，其表面电阻率均＜104Ω/□，且分布较均匀，体积电阻率则在 (1～4)×106Ω·cm，不同位置存在差异。这主要是因为：虽然碳纤维复合材料由具有良好导电性能的碳纤维来实现[13]，但其结构是在一定的温度和压力条件下浸渍环氧树脂基体而形成，而环氧树脂电阻率比较高，且加工过程中碳纤维容易破碎，所以复合材料的体电阻率较大，且呈现各向异性[7, 14]。

对构型二（复材覆铜网）样件的测试结果表明，其表面电阻率在 (1～5)×103Ω/□间，具有良好的静电导电性。

对构型三（复材涂覆层）样件的测试结果表明，其表面电阻率＜103Ω/□，且分布较均匀，相对无措施碳纤维复材而言，表面电阻率降低1个数量级以上。

进一步对采用不同静电防护措施的冷结构材料进行了电磁屏蔽效能测试。结果表明：在150 MHz～1.5 GHz频段，3 种构型的电磁屏蔽效能相差不大，均＞20 dB；在＜150 MHz 频段，复材覆铜网构型和复材涂覆层构型要比无措施碳纤维复材屏蔽效能好15 dB以上，其中复材覆铜网构型最好，其屏蔽性能达到40 dB以上。

虽然从3种构型材料来看，碳纤维复合材料自身导静电性能及屏蔽效能稍差，但按GJB/Z 105—1999《电子产品防静电放电控制手册》中的分类，3种构型材料均属于导静电材料，可以满足防静电需要；且综合考虑3种构型静电防护实施方式在重量、成本以及工艺等方面的优劣，可优选无措施碳纤维复合材料，即不采用预埋金属网格、喷涂导电涂层等措施，直接作为航天器舱内设备的静电防护层，实现静电等电势，抑制传导干扰，达到静电防护的目的。当然，由于复合材料本身的各向异性以及电阻性能不稳定等特征，实际使用中，需针对具体项目的实际需要，对材料静电特性进行测试与评估，确保满足防静电需要；必要时，可采用预埋金属网格、喷涂导电涂层等方式进一步提高材料静电防护性能。

3 不同阶段静电防护设计分析

复材结构天地往返无人航天器兼有卫星（如在轨）和飞机（如着陆）的特征。为了满足在轨载荷任务和再入返回对气动外形的需要，这类航天器设置了有效载荷舱门。发射上升段和再入返回段舱门关闭；在轨运行段，舱门处于打开状态。

1）发射上升段及再入返回段

舱门关闭时，航天器属于封闭状态。从前文可知，作为冷结构的碳纤维复合材料属于导静电材料，具备静电防护能力，因此，航天器封闭状态下，采用结构搭接等形式可使航天器冷结构形成静电等电位，具有“法拉第筒”静电防护效应，满足航天器发射上升段及再入返回段飞行过程中静电防护要求。

2）在轨运行段

航天器舱门打开状态下，在航天器冷结构已构成静电等电位的前提下，可以进一步通过包覆、与舱门的搭接、屏蔽等方式形成整个在轨运行段结构静电等电位，抑制空间带电粒子和舱体静电放电产生的干扰。

航天器的带电电位与其结构尺寸、所处空间环境、太阳电池阵电压等相关。研究表明，采用高压大功率太阳电池阵的低地球轨道航天器，将会产生约90%太阳电池阵工作电压的结构负电位[15-16]。例如：国际空间站太阳电池阵供电电压为160 V，在不采取任何电位控制措施的情况下，其本体电位会达-140～-120 V[15-16]；且大结构尺寸空间站在切割地球磁场感应线时产生的电势约为20 V，两者叠加，会形成较高电势，对空间站出舱活动、交会对接等的安全产生重要影响，需要采取主动电位控制方法。与空间站等大型在轨航天器不同，本文研究的天地往返无人航天器使用28 V太阳电池阵，且整体尺寸较小，利用空间静电带电数学模型进行了航天器不同热防护材料表面充电计算，结果表明，在所处空间带电环境下产生的结构电位约为1 V[8]。因此，对该类天地往返无人航天器，在无特殊需求的情况下，在轨工作过程中，可不考虑热防护材料表面静电泄放问题，只要按前述方法确保飞行器整体结构静电等电位，确保在轨设备不受静电的影响。

3）地面着陆后

对于采用复材结构的轨道再入航天器而言，为了保证地面操作维护人员的安全，地面着陆后的静电防护是必须考虑的因素。为了满足水平着陆的需要，航天器设计有轮胎。根据GJB 683A—1998《军用航空轮胎规范》的要求，轮胎使用的材料应能将静电分散于地面，轮胎电阻值应不大于50 kΩ。因此，对于航天器冷结构，在航天器着陆后，可通过轮胎将静电释放至大地。但是航天器再入返回飞行过程中与周围空间环境的粒子摩擦，其表面会带上大量电荷[17]，由于热防护混合使用多种不同材料，其差异性大，在航天器表面呈现不同的带电特性。对于碳基防热材料，因其具有导电性，所以可通过连接螺钉经由冷结构将静电导至大地。然而对于绝缘类材料，带电粒子很难在表面移动，且很难通过与冷结构间的连接将静电导至大地；且经研究发现，航天器着陆后地面人员操作时，只是会将接触部分的静电粒子通过人体导走，而很难也没必要将绝缘材料上的静电全部导走。因此，只需采用局部静电消除的方法，例如，采用离子风静电消除器，可通过非接触的方式，由其吹出的正负电荷气流中和物体表面所带电荷，将地面人员需要操作的部分热防护材料表面静电降低至安全范围内，即可满足着陆后的静电防护需要。

4 结束语

复材结构航天器的静电特性与传统金属结构航天器不同。通过对复材结构航天器静电防护技术的研究，可形成如下基本结论：

1）作为冷结构的碳纤维复合材料属于导静电型材料，可以满足防静电需要，但其性能呈现各向异性，不同部位电阻特性存在差异。对于静电防护较严格的场合，可采用表面覆金属导电膜或导电涂层等措施进一步提高材料导电性和电磁屏蔽性能；同时，还需采用结构搭接等方式将整个结构层构成一个整体，形成“法拉第筒”效应，为航天器上的电设备提供静电防护。

2）对再入返回水平着陆类航天器，需配备导静电轮胎，在航天器再入返回地面着陆后，通过导静电轮胎可将航天器冷结构上的静电释放至大地，实现对航天器着陆后的静电防护。

3）采用局部静电消除的方法，中和物体表面所带电荷，消除热防护绝缘材料上的静电，将航天器热防护材料表面静电降低至安全范围内，保证再入返回着陆后地面操作人员的安全。

对于大尺寸航天器，表面电位较高，对出舱活动、交会对接等工作安全性有较大影响，后续还需进一步研究在轨主动电位控制等方法，以确保航天器在轨工作安全。