基于碳纖復合材料的可重復使用運載器靜電防護研究

武杰，鄭宏濤

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076）

環境效應與防護

基于碳纖復合材料的可重復使用運載器靜電防護研究

武杰，鄭宏濤

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076）

目的研究可重復使用運載器的靜電防護方案。方法針對可重復使用運載器特點，以及飛行期間遭遇的空間靜電放電環境，基于空間靜電帶電數學模型，計算出運載器表面材料帶電離子的靜電充電電位。在此基礎上，分析復合材料靜電特性，提出靜電防護層與電氣設備等電位共地方案。結果該方案采用碳纖維復合材料作為靜電防護層，與大截面積的接地母線相連，為運載器電氣設備提供低阻抗、大電荷容量的等電位地。結論該方案能夠有效抵御靜電產生的干擾，為運載器電子設備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環境。另外，該方案工藝實現簡單，大大減輕了運載器的設計質量。

可重復使用運載器；復合材料；空間靜電充放電；靜電防護

可重復使用運載器是一種低成本、高收益、長期在軌、水平著陸的新一代天地往返運輸系統。其在空間高速飛行過程中，由于空間帶電離子的存在及運載器表面與大氣摩擦會產生大量靜電荷。靜電荷會沿著運載器表面結構材料以一定的擴散速度進行擴散。如果運載器結構材料的電阻率很大，就會阻擋靜電荷的流動和均勻性，導致運載器不同區域出現很強的電勢差，一旦堆積在運載器表面的靜電荷超過一定閾值，就會產生瞬間靜電放電[1]。靜電放電會對運載器電氣設備產生電磁干擾、電源和敏感器件損壞以及表面材料性能退化，嚴重時會引起運載器在軌工作異常或故障[2]。

為達到減輕機體質量，增加任務載荷目的，可重復使用運載器整機身采用先進復合材料成為必然選擇。復合材料也有自身缺點，由于其具有非金屬特點，所以無法達到金屬所具有的良好導電性能。當遇到靜電環境時，運載器機身無法實現等電位而產生靜電放電，對其安裝內部的電子設備產生干擾，因而靜電防護及等電位設計問題成為制約可重復使用運載器的環境適應性關鍵問題。

根據靜電理論，不同物質間相互作用的靜電起電機理不同，帶電極性和帶電量存在顯著差別。另外，大氣壓、環境溫濕度、風速等因素也會影響起電過程[3]。由此可見，解決可重復使用運載器靜電防護問題離不開對環境、材料及等電位研究，為此，可重復使用運載器靜電防護主要從以下幾個方面開展。

1）對運載器所處的環境進行研究，結合材料的靜電特性確定帶電效應和放電機理。

2）對運載器常用復合材料的靜電特性進行研究，分析其靜電特性、工藝特性等優缺點。

3）根據空間帶電環境特點和復合材料靜電特性，研究基于復合材料的可重復使用運載器靜電防護設計方案。

1 空間帶電環境研究

運載器產品在運輸、系統聯試、總裝、貯存等過程中，會遇到操作人員、雷擊、摩擦產生的靜電放電干擾。除與常規電子設備和系統遭受的危害相似外，還有發射前后、在軌、再入段所遇到的空間帶電問題。

在地面測試段，地面操作人員、雷擊、摩擦產生的靜電放電干擾，人體靜電會產生幾至幾十千伏電壓[4]，帶靜電的產品在放電時會產生放電電流，導致產品故障或損壞。發射上升段，運載器一般安裝在火箭整流罩內。火箭上升段的靜電防護主要由火箭完成。

可重復使用運載器主要活動空間為低軌道，其空間帶電以表面帶電為主[5]，因此，空間表面帶電主要與運載器熱防護材料相關。熱防護層與等離子體相互作用，可能導致運載器表面充電。由于這些材料導電性能差別，以及材料二次電子特性差異等因素的影響，不同部位、不同材料具有不同的電位[6]。

基于氣體動理論，利用粒子的麥克斯韋速度分布函數對表面電位進行求解。該方法能夠根據運載器不同材料、不同區域及不同運動情況，較為精確地計算出了運載器表面充電表達式[7]。

由氣體動理論得：

式中：n為等離子體密度；Γ為電流密度；k為波爾茲蔓常數；T為等離子體溫度；m為等離子質量；v為等離子速度。

運載器達到電位穩定后，總電流密度為0，即：

式中，Γe為電子電流密度；Γi為正離子電流密度；ΓFe為介質材料表面電流密度；ΓVe為介質材料體內電子流密度。

整理后得空間靜電帶電數學模型：

式中：δ為材料二次發射系數；e為電子電量；Te和Ti為等離子體的電子溫度和離子溫度；ne和ni為等離子體電子密度和離子密度；me和mi為等離子體電子質量和離子質量；vs為飛行器相對于等離子環境的速度；k為玻爾茲曼常數。

從空間靜電帶電數學模型可以看出，等離子體溫度、材料的二次發射系數是影響充電量級的主要參數。以地球低軌道等離子環境參數為例，選取不同熱防護材料進行運載器表面充電計算。由圖1可知，可重復使用運載器空間帶電環境不會產生大于1 V的電位。運載器表面充電電位由等離子體環境變化而決定，在低軌環境下，航天器帶電最大充電電壓不會超過幾十伏[5]。

圖1 運載器表面電位與電子溫度關系

通過對空間靜電帶電環境可知，由于充電電壓低，運載器空間環境產生的靜電干擾較小。因此，靜電防護重點集中在地面操作、測試及運輸產生的靜電防護上。在發生靜電放電干擾時，應使運載器表面形成等電位，不要直接侵入內部電路，通過國內外的大量調研和詳細分析，形成了以“法拉第筒”進行飛行器等電位設計的指導思想[8]。可重復將運載器材料用全復材作為其機身，由于其具有非金屬特點，因此無法達到金屬所具有的良好導電性能。由此可重復使用運載器表面材料的靜電特性是否能夠滿足靜電防護需求成為研究重點。

2 材料的靜電特性研究

評價材料靜電特性的重要參數是電阻率，包括表面電阻率和體電阻率。表面電阻率定義為單位寬度、單位長度材料的表面電阻值，即正方形材料兩對邊間的表面電阻值，其數值大小與正方形的幾何尺寸無關。體電阻率定義為單位橫截面積單位長度上材料的體積電阻值。

參照表1中的內容，靜電防護材料的電阻率一般控制在104～1010?·cm區段。大部分研究人員認為電阻率介于107～1010?·cm范圍時，材料就已具備傳導和耗散靜電電荷的能力[9]。

表1 材料的電阻率分布

運載器主要涉及兩層的結構材料，由外至內分別為熱防護結構和承載結構，電氣設備包裹在結構層內部。如果運載器結構材料電阻率靜電特性能夠達到防靜電要求（小于1010?·cm），則可形成對其內部設備構成具有“法拉第筒”效應靜電防護層，具有靜電泄放和電磁屏蔽作用，對其內部線纜，電子線路和部件提供靜電防護。

2.1 熱防護材料靜電特性研究

熱防護材料是一種為適應航天器特殊工程環境而研制的專用功能材料，作為防熱材料除了必須具備良好的耐燒蝕綜合性能外，還需具有一定的力學性能和熱物理性能，使其在氣動環境下仍能保持結構的承載能力和熱物理性能。相繼研制成功的燒蝕防熱材料已有多種，適用于不同的工作環境。按其基體的不同，可分為碳基、樹脂基和陶瓷基三類[10]。

碳基防熱材料指多晶石墨和碳-碳復合材料。碳是高導體，因此碳基防熱材料一般具有良好的導電性能。樹脂基防熱材料有玻璃-酚醛、高硅氧-酚醛、碳-酚醛和以不同樹脂為基體的低密度燒蝕材料，導電性能差。陶瓷基防熱材料至今只有碳-石英一種，屬于絕緣材料[11]。為了減輕質量、節約成本，運載器熱防護往往會同時使用幾種不同熱防護材料，即碳基、樹脂基和陶瓷基混用，不同熱防護材料電阻率特性不相同，在運載器表面將呈現不同的帶電特性，存在電勢差，易產生靜電放電。為了保障熱防護層性能，無法在熱防護層表面預埋金屬導線或噴涂導電涂層，因此，熱防護層無法完成靜電防護，而且還可能產生靜電干擾。

根據靜電放電的特點和任務環境分析，空中高速運動的物體會帶上靜電產生電暈放電[12]。電暈放電工程伴隨強烈的電磁輻射，其對運載器艙內電子設備、天線端口電路產生干擾，電磁輻射的主要參數是放電輻射場的頻譜和幅值等。圖2為模擬電暈放電試驗，在高壓源加±60 kV情況下，測得電暈放電輻射場的時域特征表現為衰減振蕩脈沖，具有很快的上升沿電暈放電輻射場的頻率分布范圍較大，低頻成分在100 MHz以下，高頻成分能達到640 MHz，幅值能達到－50 dBm。

圖2 典型電暈放電輻射場時頻分析

運載器上天線一般布在飛行器表面，離熱防護最近，最易受熱防護靜電放電干擾。因此，運載器在進行天線頻點設計時，應盡量避開1 GHz以下頻段。這樣即使熱防護材料產生靜電放電，對運載器電氣設備工作不會產生影響。

2.2 承載結構材料靜電特性研究

為提高航天器的結構效率，具有高性能的先進復合材料成為新一代航天產品不可缺少的結構材料[10]。碳纖維具有高比強度、高比模量、耐高溫及導電等優異性能，在航天、航空、兵器、船舶、核等國防領域具有重要作用。碳纖維復合材料可用作飛機結構材料、電磁屏蔽除電材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人等[13]。

目前利用復合材料實現靜電防護功能的常用方法主要有三種：利用碳纖維復合材料自身導電性能；復合材料表面覆金屬導電膜；復合材料表面覆導電涂層。航空飛機通過碳纖維高性能復合材料表面預埋金屬網格和在復合材料蒙皮表面噴涂一層金屬鋁，以實現靜電防護，該方案在空客A380、A350和波音787飛機中被大范圍采用[14]。火箭整流罩通過表面預埋金屬導線并與箭體進行搭接處理，同時在表面噴涂導電涂層以實現靜電防護。

1）碳纖維復合材料自身導電性能。碳纖維復合材料由良好導電性能的碳纖維(電阻率ρ≈（1.0～1.5）×10-3?·cm)來實現[15]。碳纖維復合材料結構采用碳纖維增強環氧樹脂基復合材料，該材料通常稱為“預浸料”，是大量單絲纖維束或經過編織的纖維編織物。通過專業熱熔預浸設備，在一定的溫度和壓力條件下浸漬環氧樹脂基體而形成。由于環氧樹脂電阻率比較高，且加工過程中碳纖維容易破碎，因此復合材料的電阻率很大（ρ≈104?·m），而且呈現各向異性[16—17]。

2）復合材料表面覆金屬導電膜。金屬導電膜具有導電性好、電磁屏蔽性能好等優點。圖3為Henkel公司SynSkin 9837.1LS系列導電膜組成。碳纖維復合材料表面覆金屬導電膜，導電膜組成包括金屬網、PE織物、表面膜和襯紙。

圖3 SynSkin 9837.1LS系列導電膜組成

由圖3可知，復合材料9837.1LS表面覆金屬網靜電防護效果取決于金屬網特性。其性能參數：面密度為73 g/m2，膠膜固化后厚度為0.102～0.1778 mm，銅網電阻為0.78 m?/m2。由此可知，復合材料表面覆金屬網具有良好的導電性能。

3）復合材料表面覆導電涂層。涂層具有功能可設計性強、工藝簡便等特點，是運載器外表面防護的主要材料。防靜電涂層體系結構如圖4所示。

由圖4可知，復合材料表面覆導電涂層靜電防護效果取決于涂層特性。目前航天系統內常用防靜電涂層主要有兩種：TL-19系列四防漆和TX-1型丙烯酸導電漆。

圖4 防靜電涂層體系結構

通過比較靜電防護功能的三種常用方法可知：相比方法二和方法三，碳纖維復合材料自身導電性能最差，但其自身導電性能已遠遠滿足小于1010?·cm的防靜電要求。復合材料表面覆金屬導電膜電導率特性最好，但其會增加復合材料質量。復合材料表面覆導電涂層導電性能取決于涂層的金屬含量，金屬含量越高，導電性能越好，同樣質量也會越大。

對于可重復使用運載器，其承載結構在熱防護內部，在承載結構表面覆金屬導電膜和涂覆層，存在與熱防護層相容性問題，實施工藝難度大，而且增加很大質量。綜合考慮三種方案質量、成本、工藝實施難度，通過碳纖維復合材料作為運載器靜電防護層，實現具有“法拉第筒”等電位靜電防護設計方案為最優方案。由于碳纖維復合材料通過碳纖維浸漬環氧樹脂基體而形成，因此其電阻性能不穩定，使用時需要對材料進行測試后選用，必要時可采用對碳纖維化學鍍金屬方法，提高復合材料的導電性和屏蔽效能[16]。

3 等電位設計研究

碳纖維復合材料雖然具備傳導和耗散靜電電荷的能力，以及靜電防護能力，但是對于運載器電氣系統，其共地阻抗較大且各向分布不均勻，因此無法作為運載器接地主體。

為避免形成公共阻抗干擾和接地閉合環路，可采用圖5方式布置，準備一條接地母線連接各單機接地點，由接地母線去接接地極。為了減少接地引線的阻抗特別是電感，最好采用截面積大于60 mm2的扁平銅排作為總接地母線，一般分支接地線也要采用截面積大于22 mm2的銅導線[4]。將接地母線與承載結構靜電防護層相連，形成運載器靜電防護等電位地。在地面操作、測試及運輸時，通過接地樁將運載器上的靜電導入大地。該方案既實現了運載器電氣設備大容量、低阻抗等電位地要求，又實現了靜電防護功能。為運載器電子設備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環境。

圖5 運載器等電位地線布置

4 結論

通過對可重復使用運載器環境特點、所用材料靜電特性研究，得到如下結論。

1）根據運載器任務特點，基于空間靜電帶電數學模型，通過計算證明空間環境產生的靜電干擾較小，可以忽略不考慮。靜電防護重點應集中地面操作、測試及運輸產生的靜電干擾上。

2）通過對熱防護材料靜電特性測試，可知熱防護材料表面將呈現不同的帶電特性，對熱防護材料產生的靜電干擾措施主要是通過對天線頻點進行合理分配，避開靜電放電產生的干擾頻段。

3）通過比較運載器承載結構常用的三種靜電防護方案，綜合考慮三種構型質量、成本、工藝實施難度，通過碳纖維復合材料作為運載器內部設備的靜電防護層實現靜電防護的方案為最優方案。

4）通過設計接地母線，解決了運載器由于大量使用復合材料導致運載器電氣設備無參考零電位問題。通過將接地母線與承載結構靜電防護層相連，既實現了運載器靜電防護功能，又為運載器電子設備提供可靠、安全、抗干擾的電磁環境，達到可重復使用運載器靜電防護目的。

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Electrostatic Protection of Reusable Launch Vehicle Based on Carbon Fiber Composite Ma-terial

WU Jie,ZHEN G Hong-tao
(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)

ObjectiveTo research the electrostatic protection scheme of reusable launch vehicles.MethodsAccording to the working environment characteristics and the space electrostatic discharge environment encountered by reusable launch vehicle,the mathematical model of the space charge was established to calculate the electrostatic charge potential of charged ions on the surface of reusable launch vehicle.On this basis,the static characteristics of a large number of materials were analyzed,and the integration scheme of electrostatic protection layer and electrical equipment were proposed.ResultsCarbon fibre composite was taken as an electrostatic protection layer to connect ground bus of large section to provide equipotential of low resistance and large charge capacity for electrical equipment of vehicle.ConclusionThe scheme can effectively resist the disturbance caused by static electricity,and provide a reliable,safe and anti-interference electromagnetic environment for the electronic equipment.In addition,the method is simple,which greatly reduces the weight of the vehicle.

reusable launch vehicle;composite materials;space electrostatic charge-discharge;electrostatic protection

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.015

TJ04；V258

A

1672-9242(2017)07-0074-05

2017-01-12；

2017-02-18

武杰（1975—），男，山西霍州人，碩士，高級工程，主要研究方向為飛行器總體設計。