衛(wèi)星在發(fā)射場的靜電分析與防護(hù)策略

任 松，唐 平

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000）

衛(wèi)星在發(fā)射場的靜電分析與防護(hù)策略

任 松，唐 平

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川西昌 615000）

為提高衛(wèi)星的可靠性，減少靜電對衛(wèi)星的危害，對衛(wèi)星在發(fā)射場裝運(yùn)、測試各個環(huán)節(jié)的靜電數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，找出衛(wèi)星靜電防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)，并從防止靜電電荷積累、建立電荷泄放通道、靜電屏蔽等方面對衛(wèi)星的靜電防護(hù)制訂了詳細(xì)的防護(hù)策略。實(shí)踐證明，這些防護(hù)策略對消除衛(wèi)星靜電是可行的。

衛(wèi)星靜電；靜電防護(hù)；策略；靜電危害

衛(wèi)星進(jìn)入發(fā)射場后將進(jìn)行裝運(yùn)、測試、總裝、火工品安裝、星箭對接等工作，由于衛(wèi)星上的靜電敏感元件較多，任何一個環(huán)節(jié)帶入靜電都會對衛(wèi)星上的電路系統(tǒng)帶來危害，直接影響衛(wèi)星的使用壽命。本文將對衛(wèi)星在發(fā)射場裝運(yùn)、測試、總裝等各個環(huán)節(jié)的靜電源進(jìn)行檢測和分析，并提出相應(yīng)的靜電防護(hù)策略。

1 衛(wèi)星在發(fā)射場的靜電分析

1.1 衛(wèi)星裝運(yùn)過程中的靜電分析

由于衛(wèi)星要在發(fā)射場測試間的各個工作區(qū)進(jìn)行各種靜、動態(tài)工作指標(biāo)的測試，因此將會在各個工作區(qū)間進(jìn)行衛(wèi)星的裝運(yùn)工作，工作人員的鞋子與地摩擦、手與衛(wèi)星推車摩擦、衛(wèi)星推車與地摩擦等環(huán)節(jié)將會產(chǎn)生靜電。參考有關(guān)靜電放電模型和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［1－3］，可以建立衛(wèi)星裝運(yùn)過程的靜電放電模型，如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星裝運(yùn)過程中的靜電放電模型

圖1中各參數(shù)的含義如下：CF，RF，LF分別為人體鞋襪的對地電容、電阻和電感；CB，RB，LB分別為人體對地電容、電阻和電感；CBP，RBP，LBP分別為人體的前臂、手和衛(wèi)星推車車把的等效對地電容、電阻和電感；CP，RP，LP分別為衛(wèi)星推車車體對地電容、電阻和電感；CT，RT，LT分別為衛(wèi)星推車車輪對地電容、電阻和電感。

一般，衛(wèi)星測試人員的鞋的電阻取107Ω，衛(wèi)星推車車輪的電阻高達(dá)1010Ω，因此，在衛(wèi)星裝運(yùn)過程中發(fā)生放電時，由于工作人員的鞋子、衛(wèi)星推車的車輪的電阻較高，流經(jīng)鞋子和車輪的電流很小，可以忽略不計(jì)。故可將衛(wèi)星裝運(yùn)過程中的靜電放電模型等效為圖2的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過現(xiàn)場測試，確定圖2中各參數(shù)的取值范圍如表1所示。

圖2 衛(wèi)星裝運(yùn)過程中的靜電放電等效模型

表1 衛(wèi)星裝運(yùn)過程中的靜電放電模型參數(shù)取值范圍

調(diào)整表1中的參數(shù)值，結(jié)合圖2的靜電放電模型，利用Matlab進(jìn)行仿真，得到不同各參數(shù)值對靜電放電的影響如圖3所示。

從圖3的仿真情況看，可以得到以下結(jié)論。

1）圖3 a）與圖3 b）的參數(shù)只有衛(wèi)星推車車體對地電阻RP的值不同，但靜電放電的波形相差很大，圖3 a）衰減很慢，而圖3 b）衰減很快；圖3 c）與圖3 d）的參數(shù)雖然也只有RP的值不同，但是它們的波形較接近，靜電放電波形衰減很快。這說明當(dāng)衛(wèi)星推車車體對地電阻值較小時，靜電放電的速度緩慢；當(dāng)衛(wèi)星推車車體對地電阻值較大時，靜電放電的速度較快。因此，在衛(wèi)星裝運(yùn)過程中，要采用對地電阻值較大的衛(wèi)星推車。

2）圖3 e）與圖3 g）的參數(shù)只有衛(wèi)星推車車體對地電感LP的值不同，但是靜電放電的波形相差很大。而在圖3 e）、圖3 f）中，衛(wèi)星推車車體對地電感LP的值基本接近，而衛(wèi)星推車車把的等效對地電感LBP的值相差100倍，但是它們的波形相差不大。這說明衛(wèi)星推車車把的等效對地電感LBP的大小對靜電放電的速度沒有影響。從圖3 f）可以看出，靜電放電時的反向電流很大，說明放電過程中對電容器反向充電很多，從而引起較大的反向電流。

3）在圖3 h）中，有陡峭的上升沿，這說明時間常數(shù)很小。另外，二次波峰波谷起伏不大，這說明靜電能量基本上是一次泄漏完成的，這在實(shí)際衛(wèi)星裝運(yùn)中存在較大的隱患，需要特別注意。

1.2 星上火工品安裝過程中的靜電分析

星上火工品均為電火工品，其發(fā)火能量為電能，因此在發(fā)射場測試間的安裝過程中，如果有靜電放電產(chǎn)生的電流將會導(dǎo)致星上火工品點(diǎn)火或者鈍感，進(jìn)而影響衛(wèi)星工作的可靠性。由于電火工品的靜電放電時間較短，且電功率不為恒定值，因此對其進(jìn)行定量分析較難，因此，這里只對星上火工品安裝過程的靜電影響做定性分析。通過對歷次任務(wù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出：當(dāng)火工品藥劑導(dǎo)熱系數(shù)較小時，時間常數(shù)的大小對臨界發(fā)火能的影響很小；而當(dāng)火工品藥劑導(dǎo)熱系數(shù)較大時，時間常數(shù)的大小對臨界發(fā)火能的影響較大，此時臨界發(fā)火能隨著時間常數(shù)的減小而單調(diào)減少，最后趨于一個恒定值。

1.3 蓄電池安裝過程中的靜電分析

蓄電池是衛(wèi)星上的重要部件，衛(wèi)星進(jìn)入發(fā)射場后，蓄電池要進(jìn)行充放電檢測，然后再進(jìn)行上星安裝。在安裝過程中，在涂導(dǎo)熱硅脂、擰緊蓄電池螺釘、安裝蓄電池接地線、安裝聚酰亞胺膜和蓄電池紅色保護(hù)罩等工作環(huán)節(jié)均可能引入靜電。在實(shí)際操作中，選取操作者、涂導(dǎo)熱硅脂的毛刷（簡稱毛刷）、電池底板等6個要素進(jìn)行靜電測量，測量結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，蓄電池的有機(jī)玻璃保護(hù)罩（簡稱保護(hù)罩）、熱控多層、聚酰亞胺膜攜帶較高的靜電電壓，這將會對衛(wèi)星上的電子產(chǎn)品帶來危害。

1.4 低頻電纜移植過程中的靜電分析

在發(fā)射場的衛(wèi)星測試間，對衛(wèi)星上的電路系統(tǒng)進(jìn)行加電時，需要對其低頻電纜進(jìn)行移植。在低頻電纜移植過程中，由于人體帶靜電、電纜與絕緣體間的摩擦等因素，將會產(chǎn)生靜電，對衛(wèi)星上的敏感元器件帶來靜電危害。在衛(wèi)星的電纜移植過程中，對操作人員、電纜外包覆的海綿、塑料整理箱、電纜等4個要素的靜電電壓進(jìn)行了測量，結(jié)果分別為＋70，＋5 500，－13 300，－600 V。可見，電纜外包覆的海綿和塑料整理箱是本環(huán)節(jié)產(chǎn)生靜電的主要因素。在多次衛(wèi)星測試中，低頻電纜移植過程中的海綿帶靜電、塑料整理箱帶靜電的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，電纜外包覆的海綿上所帶的靜電電壓60%集中在大于1 000 V的區(qū)域內(nèi)，這表明在本環(huán)節(jié)中電纜外包覆的海綿極容易產(chǎn)生較高的靜電電壓，需要采取保護(hù)措施。從圖6的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，塑料整理箱的靜電電壓都在8 000 V以上，這將對星上儀器產(chǎn)生潛在的危害，在衛(wèi)星的測試間應(yīng)盡力減少塑料整理箱與星體產(chǎn)品的接觸，防止整理箱上的靜電對星上電子產(chǎn)品帶來危害。

圖3 衛(wèi)星裝運(yùn)過程中不同參數(shù)值對應(yīng)的靜電放電電流波形

2 靜電防護(hù)策略

通過對在發(fā)射場中衛(wèi)星裝運(yùn)、安裝、測試各環(huán)節(jié)中的靜電分析，采用防止靜電電荷積累、建立靜電電荷泄放通道、實(shí)施靜電屏蔽等措施，制訂相應(yīng)靜電防護(hù)策略如下。

2.1 防止靜電電荷的積累

2.1.1 控制衛(wèi)星測試間的工作環(huán)境

1）控制測試間的溫度和濕度

濕度對材料表面電阻率影響極大。水分滲透到某些材料內(nèi)或在材料表面形成一層極薄的水膜，因其含有雜質(zhì)和溶解物質(zhì)，導(dǎo)電性較好，可使材料的表面電阻率減小，電荷的泄漏速度加快，起電程度降低［4］。相對濕度低于30%時，容易產(chǎn)生靜電。而空氣濕度受溫度影響較大，當(dāng)絕對濕度一定時，隨溫度升高，相對濕度降低，產(chǎn)生靜電的可能性增大［5］。因此，衛(wèi)星測試廠房應(yīng)實(shí)行全封閉控制，環(huán)境溫度控制在（20±5）℃，相對濕度控制在30%～60%。

圖4 蓄電池安裝過程中的靜電分布

圖5 插頭包覆海綿上的靜電分布統(tǒng)計(jì)圖

圖6 塑料整理箱的靜電分布圖

2）控制測試間的潔凈度

控制衛(wèi)星測試間的環(huán)境潔凈度，以減少灰塵等雜物吸附靜電影響星上電子產(chǎn)品的正常工作。在衛(wèi)星測試間內(nèi)的環(huán)境潔凈度等級應(yīng)優(yōu)于10 000級。

2.1.2 防止人體帶電

配備相應(yīng)的靜電防護(hù)裝備，比如配置相關(guān)的防靜電衣服、鞋襪、帽子、手套或指套等。在工作時，穿戴防靜電工作服、工作帽、手套、鞋等，佩戴防靜電腕帶，嚴(yán)格禁止與工作無關(guān)的人體活動。

2.2 建立電荷泄放通道

在衛(wèi)星測試間對靜電防護(hù)裝置和各類儀器設(shè)備進(jìn)行可靠接地。要求操作人員必須穿著防靜電服裝、鞋襪和帽子，保證靜電不斷從人體上泄漏掉。在衛(wèi)星裝運(yùn)過程中，選用車體對地電阻值在106～109Ω的衛(wèi)星推車，定期檢測衛(wèi)星推車車輪的電阻值，若出現(xiàn)車輪老化的現(xiàn)象應(yīng)及時更換車輪。在星上火工品安裝過程中，預(yù)留適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性火花間隙，使靜電火花發(fā)生在外表面而不是在裝藥處。另外，還可以將插塞中導(dǎo)線的裸露部分先壓成彎曲形狀，在彎曲部分與星上地構(gòu)成保護(hù)性泄放通道。

2.3 靜電屏蔽

在轉(zhuǎn)運(yùn)衛(wèi)星時，應(yīng)將衛(wèi)星放置在防靜電周轉(zhuǎn)車（箱）內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，確保衛(wèi)星不與外界復(fù)雜的環(huán)境接觸，減少受靜電危害的可能性。

2.4 建立防靜電管理制度

1）建立各類人員的靜電安全防護(hù)管理職責(zé)；

2）針對不同崗位的人員開展相關(guān)防靜電知識、技術(shù)和安全要求的培訓(xùn)活動；

3）對有防靜電性能要求的工具、器具、服裝、桌椅、工作臺墊等進(jìn)行定期檢測，確保其合格；對人體和設(shè)備、系統(tǒng)的接地狀況進(jìn)行定期檢測，確保其接地良好；

4）按標(biāo)準(zhǔn)要求對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行定期監(jiān)測［6］，確保環(huán)境參數(shù)在衛(wèi)星工作允許的范圍內(nèi)。

3 結(jié) 語

對衛(wèi)星蓄電池安裝、低頻電纜網(wǎng)移植、測試廠房轉(zhuǎn)運(yùn)、星上焊聯(lián)、總裝等環(huán)節(jié)的靜電產(chǎn)生因素進(jìn)行了檢測和分析，并采用防止靜電電荷積累、建立電荷泄放通道、靜電屏蔽、建立靜電防護(hù)要求和管理制度等措施對衛(wèi)星裝配、總裝、測試等環(huán)節(jié)的靜電進(jìn)行防護(hù)。通過多次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)檢驗(yàn)，本文的防護(hù)方案能夠有效消除各個環(huán)節(jié)中靜電對衛(wèi)星的威脅，提高了衛(wèi)星的可靠性，延長了衛(wèi)星的使用壽命，具有一定的工程價(jià)值。

［1］ 倪靖偉，邱穎霞.生產(chǎn)裝配過程中的靜電防護(hù)［J］.電子工藝技術(shù)，2005，26（2）：85-88.

［2］ 劉尚合，譚志良，武占成.靜電防護(hù)工程的研究與進(jìn)展［J］.中國工程科學(xué)，2000，2（11）：17-24.

［3］ 王天順.靜電效應(yīng)及其防護(hù)［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2001（2）：55-59.

［4］ 劉尚合，徐曉英，賀其元.微電子系統(tǒng)的靜電放電抗擾度實(shí)驗(yàn)方法研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（S1）：72-76.

［5］ 劉建斌，田智會.靜電對電子產(chǎn)品的危害及其防護(hù)［J］.裝備環(huán)境工程，2006，3（12）：66-69.

［6］ 劉成文，宋振宇.靜電防護(hù)系統(tǒng)理論的探討及其實(shí)際應(yīng)用［J］.電子工藝技術(shù)，2002，23（5）：222-225.

TM08；V555＋.1

A

1008-1542（2011）07-0148-05

2011-06-20；責(zé)任編輯:王海云

裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（51317050206）

任 松（1976-），男，四川射洪人，工程師，碩士，主要從事宇航通信、航天靜電防護(hù)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真等方面的研究。