談航天器靜電放電標準

賈瑞金 李斌 沈自才

（北京衛星環境工程研究所,北京，100094）

航天器在軌運行期間將面臨多種空間環境要素，這些空間環境要素與航天器相互作用，在航天器材料和電子元器件上產生各種空間環境效應，進而引發在軌故障甚至失敗。其中，靜電放電引起的故障發生次數居于前列。為保障航天器在軌運行中的可靠性，在航天器的設計、制造、試驗、飛行及返回等過程中，需要充分考慮靜電放電效應對航天器的影響，來提高航天器的環境耐受性和在軌穩定性。

以美國NASA和歐空局為代表的國外航天機構很早就發現了靜電放電對航天器的威脅，從上世紀六、七十年代就開始了靜電放電效應的研究，從大量飛行試驗中獲取了各種環境參數和表面帶電對星上儀器的影響情況，進而開展抗靜電設計與加固技術研究。同時，這些航天機構也建立了相對完善的航天器靜電放電相關標準與規范，為設計師進行航天器的帶電防護設計和試驗提供支持。

我國對航天器靜電放電效應的研究雖然較晚，但是在借鑒國外成功經驗的基礎上，也探索出了一系列抗靜電的行之有效的方法，并逐步制定了相關的企業標準和規范，但國家層面或行業層面的靜電放電試驗標準與規范和相關的空間環境標準與規范依然缺乏。本文對航天器靜電放電效應機理、相關標準現狀作一簡介，并對未來發展進行展望。

1 航天器靜電放電效應與抗靜電加固

航天器靜電放電效應是指航天器與空間等離子體和高能電子等環境相互作用而發生的靜電電荷積累及泄放過程，分為表面充放電效應和內帶電效應。

1.1 表面充放電效應

表面充放電效應是由航天器表面與空間環境相互作用引起的，它是電荷在航天器表面材料中積累和泄放的過程。航天器在軌運行處于低能等離子體環境的包圍之中，這種環境與航天器的表面材料相互作用，使航天器表面積累電荷導致表面充電。航天器表面之間、表面與深層之間、表面與航天器接地之間由于表面材料的介電性能、幾何形狀等因素不同會產生表面電位差，當這個電位差達到放電閾值時，會引發航天器發生靜電放電現象[1]，產生電磁干擾、表面污染等。如果發生靜電放電的位置有外露的，比如太陽帆板等功率部件，還可能會產生二次電弧并造成更大的風險，嚴重時甚至威脅航天器安全或引起各種在軌異常。

1.2 內帶電效應

內帶電效應是與表面充電效應相區別的另一種由空間高能粒子輻射引起的充電效應。它是指穿過航天器表面的空間高能帶電粒子 （這些高能電子的能量主要位于0.1MeV～7MeV范圍內，具有很強的穿透能力），在航天器構件的電介質材料內部傳輸并沉積從而建立電場的過程。當介質深層充電產生的電場超過介質材料的擊穿閾值時，就會發生放電，放電所產生的電磁脈沖會干擾甚至破壞星內電子系統的正常工作，尤其是屏蔽比較差的電纜、印制電路板和熱防護層特別容易遭到損壞，嚴重時會導致整機失效[2]。內帶電效應主要發生在中高軌道，近年來的多次航天器在軌故障被歸為內帶電效應所致。

1.3 抗靜電加固技術

為抵制在軌運行期間惡劣環境對航天器材料、元器件、分系統等的影響，需要對其進行抗靜電加固。

表面放電效應加固設計的準則是控制表面材料接地，使航天產品表面電位處于安全范圍內，它的指導原則是選擇具有良好導電性能的材料并確保表面材料良好接地，這也是開展表面放電效應加固設計的基礎出發點。因此它的設計重點包括：表面材料控制、接地要求和電容要求。

內帶電效應加固設計的準則則是是通過開展深層充放電防護設計，盡可能減少放電發生；但是當放電不可避免發生時，要盡可能減小放電帶來的危害。因此內帶電效應加固設計的目標是：通過屏蔽措施減小沉積電流、限制絕緣材料內部或孤立導體與局域接地之間的電場以及盡可能選擇電導率大的材料。

2 國內外航天器靜電放電標準現狀

隨著航天器技術的發展，長壽命、高可靠成為未來航天器需要具備的基本能力。國際標準化組織和航天大國紛紛制定了一系列國際標準、國家標準和行業標準，對靜電放電的威脅和防護設計給出了很好的闡述，以指導航天器的設計和地面試驗。這些標準主要是圍繞航天器的抗靜電加固而制定的，可以很好地解決靜電放電造成的材料、元器件、組件和單機的失效或損壞等問題。半個多世紀以來的航天實踐活動表明，有關航天器靜電放電標準 （或規范）已經在航天器設計和運行中發揮了重要的作用。

2.1 國外航天器靜電放電標準

美國NASA自1984年發布了NASATP-2361《航天器帶電效應評估及控制設計指南》，該文件一直是高地球軌道 （GEO）航天器帶電分析和防護設計的權威文獻，在GEO航天器帶電分析和防護設計中起到重要作用。在2007年，NASA發布了 NASA-STD-4005《低地球軌道 （LEO）航天器帶電設計標準》，提供了在LEO等離子體環境中必須使用的高壓空間能源系統 （＞55V）設計標準，隨后又發布了NASA-HDBK-4006《低地球軌道航天器帶電設計手冊》，對LEO航天器的帶電給出了詳細的設計方案，為NASASTD-4005提供了指導。在2011年，NASA發布了NASA-HDBK-4002A《航天器帶電效應防護指南》，成為目前美國航天器帶電防護設計的重要依據。

ESA制定的ECSS-E-ST-20-06C《空間工程-航天器帶電》是歐洲對于航天器帶電效應的設計、防護、測試相關標準。ESA又先后發布了空間靜電放電敏感度試驗方法和航天系統靜電行為的環境誘導效應等的標準/規范，對空間靜電放電敏感度試驗如何開展和空間靜電效應進行了闡述。

日本JAXA制定了JERG-2-211A《帶電·放電設計標準》，該標準參考ECSS-E-ST-20-06C，對表面帶電仿真分析與防護設計進行了規定。另外，由日本牽頭起草的ISO11221《空間系統-太陽帆板-航天器帶電誘發的靜電放電測試方法》，其附錄中對表面帶電計算進行了說明，并給出了進行表面帶電效應計算的軟件示例。

這些標準的相關內容代表了國際上目前充放電試驗的先進水平，都能較好的用于航天器的設計與研制。

2.2 國內航天器靜電放電標準

國內與航天器靜電相關標準大多是針對電子元件級別和電子產品制定了靜電防護要求及靜電放電相關因素的測試方法，這些標準主要集中在電子元器件和單機產品方面的靜電防護，還有一些靜電防護標準是通用性的靜電防護標準，主要包括：GB/T1410-2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法》、GB/T17626.2-2018《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》、GB/T32304-2015《航天電子產品靜電防護要求》GJB1649-1993《電子產品防靜電放電控制大綱》、QJ1693-1989《電子元器件防靜電要求》等。

與航天器充放電相關的標準主要有GB/T 15463-2018《靜電安全術語》、GJB2502.7-2015《航天器熱控涂層試驗方法 第7部分：真空-電子輻照試驗》、GB/T32452-2015《航天器空間環境術語》、QJ20409-2016《航天器表面材料充放電特性參數測試方法》和QJ20422.1-2016《航天器組件環境試驗方法 第1部分：表面充放電試驗》。另外，還有一些企業級及以下標準，比如航天五院的院標 《衛星表面放電效應試驗方法》、 《高軌航天器表面充放電防護設計指南》、《航天器組件環境試驗方法 第8部分：磁層亞暴環境表面充放電試驗》和511所的所標 《航天器太陽電池陣靜電放電試驗方法》、 《航天器表面帶電效應仿真分析要求》、 《航天器表面帶電效應仿真分析方法》等。

由于航天器表面充放電問題是航天器在軌異常的主要原因之一，航天器在軌早期階段發生靜電放電進而失效的案例屢見不鮮。國外較早對航天器靜電充放電效應開展了研究，并根據研究成果形成了相關的標準和規范以指導航天器抗靜電設計。我國與國外航天大國和機構相比起步較晚，國內在航天器靜電放電效應方面的研究始于上世紀80年代中期，首先開展衛星充放電試驗研究的單位主要是五院511所、510所以及中國科學院空間科學與應用研究中心，在靜電放電效應機理、仿真分析與地面試驗研究中也取得了不少成果[3]。特別是511所在國內首次突破了復雜邊界條件下任意構型介質內帶電三維仿真方法，開發了內帶電仿真分析軟件ATICS（Assessment ToolofInternalChargingforSatellite）并應用于型號，受到好評。雖然我國在靜電放電效應研究中取得了一定的成績，但是在標準與規范方面仍然匱乏，尚無相關的頂層標準和規范。在研究中，我國通常借鑒國外的標準與規范，但其中關鍵指標的適應性有待研究。

3 未來展望

航天器在軌充放電效應引起的故障和損壞已經成為導致航天器在軌故障和損壞的主要原因之一，目前國內還沒有關于航天器靜電放電防護設計統一標準規范。在航天器設計、地面模擬試驗評價、在軌故障分析以及在軌預報預警過程中，各單位根據自己的理解來開展工作，缺乏統一的參考標準規范來進行約束，宇航材料空間環境適應性試驗方法的相關標準也相對匱乏。

在未來航天器抗靜電方面，除加強航天器靜電放電效應的機理、試驗與評價技術等研究和工作之外，制修訂航天器靜電放電相關的標準與規范刻不容緩。一是完善航天器靜電放電來源相關的國家標準與規范，在現有航天器靜電放電相關的環境標準與規范的基礎上，制定太陽宇宙射線、銀河宇宙射線、空間等離子體的相關國家標準，修訂太陽電磁輻射、地球輻射帶等標準。二是借鑒NASA、ESA及日本的一些防護設計標準及效應評估的標準，完善我國航天器表面充放電效應和內帶電效應標準與規范；建立航天器表面充放電效應和內帶電效應地面模擬試驗的相關標準規范及通用標準和規范，在設計階段就充分的進行試驗驗證，確保空間材料在無法充分應用防靜電設計的前提下能夠適應其空間環境。

511所具有大型地磁亞暴充放電試驗設備、1.2m表面充放電設備、等離子體充放電設備等一系列空間充放電環境試驗設備，參與了多項衛星型號放電驗證試驗工作。擁有一批長期從事航天器帶電效應分析及研究的專家和技術人員，與國際上具備先進試驗技術的單位 （如日本KIT，法國ONERA等）就靜電放電試驗進行過多次交流。自 “十一五”以來，511所在航天器靜電放電方面的研究陸續得到國防基礎科研項目、技術基礎項目、型號關鍵技術攻關、國防973等的支持，并擁有1套軟件著作權及相應專利，其成果在對尼星、巴星等型號關鍵部件的內帶電效應進行了多次分析評估，取得了較好的效果。近年來，511所主導和參與編寫了多項國家標準、國家軍用標準和行業標準，包括 《航天器空間環境術語》、 《航天器熱控涂層試驗方法 第7部分：真空-電子輻照試驗》及 《航天器組件環境試驗方法 第1部分：表面充放電試驗》等，具備編寫相應標準規范的能力。未來將不斷深化理論上、方法上和應用上的研究，在建立靜電放電相關的環境國家標準和試驗相關的國家軍用標準或行業標準中貢獻一份力量。