谈航天器静电放电标准

贾瑞金 李斌 沈自才

（北京卫星环境工程研究所,北京，100094）

航天器在轨运行期间将面临多种空间环境要素，这些空间环境要素与航天器相互作用，在航天器材料和电子元器件上产生各种空间环境效应，进而引发在轨故障甚至失败。其中，静电放电引起的故障发生次数居于前列。为保障航天器在轨运行中的可靠性，在航天器的设计、制造、试验、飞行及返回等过程中，需要充分考虑静电放电效应对航天器的影响，来提高航天器的环境耐受性和在轨稳定性。

以美国NASA和欧空局为代表的国外航天机构很早就发现了静电放电对航天器的威胁，从上世纪六、七十年代就开始了静电放电效应的研究，从大量飞行试验中获取了各种环境参数和表面带电对星上仪器的影响情况，进而开展抗静电设计与加固技术研究。同时，这些航天机构也建立了相对完善的航天器静电放电相关标准与规范，为设计师进行航天器的带电防护设计和试验提供支持。

我国对航天器静电放电效应的研究虽然较晚，但是在借鉴国外成功经验的基础上，也探索出了一系列抗静电的行之有效的方法，并逐步制定了相关的企业标准和规范，但国家层面或行业层面的静电放电试验标准与规范和相关的空间环境标准与规范依然缺乏。本文对航天器静电放电效应机理、相关标准现状作一简介，并对未来发展进行展望。

1 航天器静电放电效应与抗静电加固

航天器静电放电效应是指航天器与空间等离子体和高能电子等环境相互作用而发生的静电电荷积累及泄放过程，分为表面充放电效应和内带电效应。

1.1 表面充放电效应

表面充放电效应是由航天器表面与空间环境相互作用引起的，它是电荷在航天器表面材料中积累和泄放的过程。航天器在轨运行处于低能等离子体环境的包围之中，这种环境与航天器的表面材料相互作用，使航天器表面积累电荷导致表面充电。航天器表面之间、表面与深层之间、表面与航天器接地之间由于表面材料的介电性能、几何形状等因素不同会产生表面电位差，当这个电位差达到放电阈值时，会引发航天器发生静电放电现象[1]，产生电磁干扰、表面污染等。如果发生静电放电的位置有外露的，比如太阳帆板等功率部件，还可能会产生二次电弧并造成更大的风险，严重时甚至威胁航天器安全或引起各种在轨异常。

1.2 内带电效应

内带电效应是与表面充电效应相区别的另一种由空间高能粒子辐射引起的充电效应。它是指穿过航天器表面的空间高能带电粒子 （这些高能电子的能量主要位于0.1MeV～7MeV范围内，具有很强的穿透能力），在航天器构件的电介质材料内部传输并沉积从而建立电场的过程。当介质深层充电产生的电场超过介质材料的击穿阈值时，就会发生放电，放电所产生的电磁脉冲会干扰甚至破坏星内电子系统的正常工作，尤其是屏蔽比较差的电缆、印制电路板和热防护层特别容易遭到损坏，严重时会导致整机失效[2]。内带电效应主要发生在中高轨道，近年来的多次航天器在轨故障被归为内带电效应所致。

1.3 抗静电加固技术

为抵制在轨运行期间恶劣环境对航天器材料、元器件、分系统等的影响，需要对其进行抗静电加固。

表面放电效应加固设计的准则是控制表面材料接地，使航天产品表面电位处于安全范围内，它的指导原则是选择具有良好导电性能的材料并确保表面材料良好接地，这也是开展表面放电效应加固设计的基础出发点。因此它的设计重点包括：表面材料控制、接地要求和电容要求。

内带电效应加固设计的准则则是是通过开展深层充放电防护设计，尽可能减少放电发生；但是当放电不可避免发生时，要尽可能减小放电带来的危害。因此内带电效应加固设计的目标是：通过屏蔽措施减小沉积电流、限制绝缘材料内部或孤立导体与局域接地之间的电场以及尽可能选择电导率大的材料。

2 国内外航天器静电放电标准现状

随着航天器技术的发展，长寿命、高可靠成为未来航天器需要具备的基本能力。国际标准化组织和航天大国纷纷制定了一系列国际标准、国家标准和行业标准，对静电放电的威胁和防护设计给出了很好的阐述，以指导航天器的设计和地面试验。这些标准主要是围绕航天器的抗静电加固而制定的，可以很好地解决静电放电造成的材料、元器件、组件和单机的失效或损坏等问题。半个多世纪以来的航天实践活动表明，有关航天器静电放电标准 （或规范）已经在航天器设计和运行中发挥了重要的作用。

2.1 国外航天器静电放电标准

美国NASA自1984年发布了NASATP-2361《航天器带电效应评估及控制设计指南》，该文件一直是高地球轨道 （GEO）航天器带电分析和防护设计的权威文献，在GEO航天器带电分析和防护设计中起到重要作用。在2007年，NASA发布了 NASA-STD-4005《低地球轨道 （LEO）航天器带电设计标准》，提供了在LEO等离子体环境中必须使用的高压空间能源系统 （＞55V）设计标准，随后又发布了NASA-HDBK-4006《低地球轨道航天器带电设计手册》，对LEO航天器的带电给出了详细的设计方案，为NASASTD-4005提供了指导。在2011年，NASA发布了NASA-HDBK-4002A《航天器带电效应防护指南》，成为目前美国航天器带电防护设计的重要依据。

ESA制定的ECSS-E-ST-20-06C《空间工程-航天器带电》是欧洲对于航天器带电效应的设计、防护、测试相关标准。ESA又先后发布了空间静电放电敏感度试验方法和航天系统静电行为的环境诱导效应等的标准/规范，对空间静电放电敏感度试验如何开展和空间静电效应进行了阐述。

日本JAXA制定了JERG-2-211A《带电·放电设计标准》，该标准参考ECSS-E-ST-20-06C，对表面带电仿真分析与防护设计进行了规定。另外，由日本牵头起草的ISO11221《空间系统-太阳帆板-航天器带电诱发的静电放电测试方法》，其附录中对表面带电计算进行了说明，并给出了进行表面带电效应计算的软件示例。

这些标准的相关内容代表了国际上目前充放电试验的先进水平，都能较好的用于航天器的设计与研制。

2.2 国内航天器静电放电标准

国内与航天器静电相关标准大多是针对电子元件级别和电子产品制定了静电防护要求及静电放电相关因素的测试方法，这些标准主要集中在电子元器件和单机产品方面的静电防护，还有一些静电防护标准是通用性的静电防护标准，主要包括：GB/T1410-2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》、GB/T17626.2-2018《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》、GB/T32304-2015《航天电子产品静电防护要求》GJB1649-1993《电子产品防静电放电控制大纲》、QJ1693-1989《电子元器件防静电要求》等。

与航天器充放电相关的标准主要有GB/T 15463-2018《静电安全术语》、GJB2502.7-2015《航天器热控涂层试验方法 第7部分：真空-电子辐照试验》、GB/T32452-2015《航天器空间环境术语》、QJ20409-2016《航天器表面材料充放电特性参数测试方法》和QJ20422.1-2016《航天器组件环境试验方法 第1部分：表面充放电试验》。另外，还有一些企业级及以下标准，比如航天五院的院标 《卫星表面放电效应试验方法》、 《高轨航天器表面充放电防护设计指南》、《航天器组件环境试验方法 第8部分：磁层亚暴环境表面充放电试验》和511所的所标 《航天器太阳电池阵静电放电试验方法》、 《航天器表面带电效应仿真分析要求》、 《航天器表面带电效应仿真分析方法》等。

由于航天器表面充放电问题是航天器在轨异常的主要原因之一，航天器在轨早期阶段发生静电放电进而失效的案例屡见不鲜。国外较早对航天器静电充放电效应开展了研究，并根据研究成果形成了相关的标准和规范以指导航天器抗静电设计。我国与国外航天大国和机构相比起步较晚，国内在航天器静电放电效应方面的研究始于上世纪80年代中期，首先开展卫星充放电试验研究的单位主要是五院511所、510所以及中国科学院空间科学与应用研究中心，在静电放电效应机理、仿真分析与地面试验研究中也取得了不少成果[3]。特别是511所在国内首次突破了复杂边界条件下任意构型介质内带电三维仿真方法，开发了内带电仿真分析软件ATICS（Assessment ToolofInternalChargingforSatellite）并应用于型号，受到好评。虽然我国在静电放电效应研究中取得了一定的成绩，但是在标准与规范方面仍然匮乏，尚无相关的顶层标准和规范。在研究中，我国通常借鉴国外的标准与规范，但其中关键指标的适应性有待研究。

3 未来展望

航天器在轨充放电效应引起的故障和损坏已经成为导致航天器在轨故障和损坏的主要原因之一，目前国内还没有关于航天器静电放电防护设计统一标准规范。在航天器设计、地面模拟试验评价、在轨故障分析以及在轨预报预警过程中，各单位根据自己的理解来开展工作，缺乏统一的参考标准规范来进行约束，宇航材料空间环境适应性试验方法的相关标准也相对匮乏。

在未来航天器抗静电方面，除加强航天器静电放电效应的机理、试验与评价技术等研究和工作之外，制修订航天器静电放电相关的标准与规范刻不容缓。一是完善航天器静电放电来源相关的国家标准与规范，在现有航天器静电放电相关的环境标准与规范的基础上，制定太阳宇宙射线、银河宇宙射线、空间等离子体的相关国家标准，修订太阳电磁辐射、地球辐射带等标准。二是借鉴NASA、ESA及日本的一些防护设计标准及效应评估的标准，完善我国航天器表面充放电效应和内带电效应标准与规范；建立航天器表面充放电效应和内带电效应地面模拟试验的相关标准规范及通用标准和规范，在设计阶段就充分的进行试验验证，确保空间材料在无法充分应用防静电设计的前提下能够适应其空间环境。

511所具有大型地磁亚暴充放电试验设备、1.2m表面充放电设备、等离子体充放电设备等一系列空间充放电环境试验设备，参与了多项卫星型号放电验证试验工作。拥有一批长期从事航天器带电效应分析及研究的专家和技术人员，与国际上具备先进试验技术的单位 （如日本KIT，法国ONERA等）就静电放电试验进行过多次交流。自 “十一五”以来，511所在航天器静电放电方面的研究陆续得到国防基础科研项目、技术基础项目、型号关键技术攻关、国防973等的支持，并拥有1套软件著作权及相应专利，其成果在对尼星、巴星等型号关键部件的内带电效应进行了多次分析评估，取得了较好的效果。近年来，511所主导和参与编写了多项国家标准、国家军用标准和行业标准，包括 《航天器空间环境术语》、 《航天器热控涂层试验方法 第7部分：真空-电子辐照试验》及 《航天器组件环境试验方法 第1部分：表面充放电试验》等，具备编写相应标准规范的能力。未来将不断深化理论上、方法上和应用上的研究，在建立静电放电相关的环境国家标准和试验相关的国家军用标准或行业标准中贡献一份力量。