無人直升機靜電防護設計與驗證簡述

靜電即處于靜止狀態的電荷或不流動的電荷，比如聚集在物體表面的大量正電荷或負電荷。大多數情況下，無人直升機產生靜電的原因可以用“接觸—分離”理論解釋，兩個物體緊密接觸后分離，物體表面便會帶上不同極性的電荷，這個過程中如果物體存在相互摩擦等力學因素可促進電荷的轉移，增強靜電起電的效果。此外，帶有大量電荷的云層等外部電場會使無人直升機發生感應起電。實際的靜電起電過程形成的帶電體電荷數量受物質內稟性質及環境條件等多方面影響。攜帶靜電電荷的物體通常被稱為靜電源，所謂靜電放電，是指具有不同靜電電位的靜電源直接接觸或互相接近引起的電荷轉移。靜電放電過程具有高電位、強電場、瞬時大電流的特征，并會產生強烈的電磁輻射形成上升沿時間極短的靜電放電電磁脈沖，這種瞬時大電流脈沖包含的諧波頻譜范圍可以達到數百兆赫茲。常見的靜電放電形式有電暈放電和火花放電。電暈放電是發生在帶電體尖端等電場強度較大處附近的局部放電，放電時常伴有輕微的嘶嘶聲和輝光，放電能量較小。火花放電是帶電體之間發生的通道單一的放電，放電時有明亮的閃光且伴有短促的爆裂聲，放電能量較大。

無人直升機應控制和消除由沉積靜電效應、燃油流動和晃動、人員操作以及其他電荷產生機理引起的靜電電荷的積累，以避免點燃燃油蒸汽和危害軍械，同時防止人員的電擊危害和防止電子產品的性能降低或損壞。無人直升機可能面臨的靜電源有人體靜電和自然環境中的靜電等，靜電放電能量主要通過傳導耦合和輻射耦合兩種模式影響無人直升機。無人直升機機載用電設備在安裝、使用、維護、維修等全過程壽命周期中遭遇靜電放電可能會引起設備內部高靜電敏感性元器件的損壞，電起爆器意外點火等問題。同時，無人直升機燃油系統應防止出現靜電打火以保證其安全性。無人直升機飛行過程中機體表面積累的沉積電荷放電時形成的電磁脈沖容易對機載高靈敏度接收機造成電磁干擾，影響飛行任務的完成。

靜電防護設計

電子電氣設備靜電防護設計

隨著各種電子設備技術的更新換代，無人直升機機載用電設備包含越來越多的高集成化電子系統，這些以微處理器為核心的系統含有諸多如MOS管、晶體管等靜電敏感性元器件。靜電危害源形成的強電場不僅可使MOS場效應器件的柵氧化層擊穿或金屬化線間介質擊穿，造成電路失效。靜電放電引起的電磁脈沖及浪涌效應會對用電設備造成硬損傷或軟損傷，并且由于累積效應會形成隱蔽性較強的潛在性損傷，對系統和敏感電路的工作可靠性造成影響。靜電放電可能會使軍械系統應急電路或安全互鎖組件失效，軍械系統中電起爆器在加電、測試、安全分離等階段出現靜電放電故障，可能影響信號處理、解除隔離和發火等功能，發生意外起爆影響安全或增加危險。針對靜電能量耦合方式，電子電氣設備靜電防護設計的一般措施如下：

（1）電路設計中盡量選擇抗靜電級別高的器件。電路中并聯如TVS二極管等放電器件對外部輸入的靜電進行旁路泄放，串聯電阻或磁珠限制靜電放電電流。同時電路中需合理設計電子器件和走線的布局以增強抗靜電能力。

（2）電路除硬件設計措施外，也可增加軟件設計避免靜電放電造成干擾。軟件應能對不正常狀態進行常規檢查，軟件的設計應做到當程序瞬間失常時不會被鎖住，且可重新正常運行。

（3）通過在縫隙和孔洞處增加導電襯墊、增加縫隙深度及減少縫隙長度等措施做好機箱表面屏蔽，使靜電放電電流局限在設備外表面，同時衰減干擾電磁波。設備間通過屏蔽電纜互連時，電纜屏蔽層需采用360°搭接方式，以保持低阻抗避免電位差。

（4）電子電氣設備需與機體機構做好搭接措施以實現良好的電搭接，搭接處盡量采用面接觸，避免點接觸，良好的接地處理可以給靜電提供對應的泄放通道。

燃油靜電防護設計

燃油在管道中流動時連續地發生液相與固相接觸分離行為，正負電荷會在固液接觸面上分離從而形成雙電層，這個雙電層一部分是緊貼在固體表面的電荷層，另一部分屬性相反的電荷層會隨燃油流動經過加油軟管或受油管道進入燃油箱。同時無人直升機在飛行過程中，尤其是大機動飛行會使燃油箱內部燃油自身劇烈的晃動，以及燃油與燃油箱內部結構之間的劇烈摩擦和撞擊，會導致靜電的產生和積聚。當燃油箱內部靜電積累到一定程度，此時靜電形成的電場強度足夠大，且燃油箱內油氣處于可燃狀態，存在擊穿空氣形成火花放電點燃燃油蒸汽的風險。燃油靜電防護設計主要從消除靜電的產生、減少靜電的積累以及破壞靜電放電條件三方面考慮：

（1）限制燃油在管路中的流速，控制加油管路入口處的流速以降低燃油進入燃油箱的速度，減少靜電的產生。

（2）航空燃油的電導率低，傳導電荷的能力低，易積聚靜電，為破壞靜電荷的積累過程，可在燃油中添加抗靜電添加劑，用于改變燃油的電阻率，使燃油中不易積聚太多的電荷，同時燃油箱內壁可使用抗靜電涂層加快靜電消散。

（3）燃油箱內可能帶靜電的附件的外形設計應盡量避免存在突出的尖端，可適當增大曲率半徑，同時均需設計有可靠的電搭接措施，避免靜電荷積聚。

（4）燃油箱及所有金屬管路均應搭接至無人直升機的機體結構，燃油相關金屬管路應彼此搭接形成連續的低阻抗電氣通路。

（5）無人直升機在加油口附近應設計有電搭接插座，電搭接插座與機體結構應有良好的電搭接，保證加油設備、輸油導管、油噴咀和無人直升機搭接良好并可通過接地泄放產生的靜電荷。

無人直升機沉積靜電防護設計

飛行器在快速飛行時機體表面會和空氣中的塵埃、冰晶、雨滴等發生碰撞摩擦，從而在表面沉積大量靜電荷，使表面電位高達100-300kV。不同于其他類型飛行器，無人直升機大部分起電發生在旋翼上，這是因為無人直升機飛行時升力主要來源于高速旋轉的旋翼，大面積葉片的旋轉增強了靜電起電，同時無人直升機低空飛行或懸停時，旋翼下洗流使地面的塵埃飛揚，會進一步增大空氣中的沙礫與塵埃的顆粒濃度。靜電荷逐漸積累到一定程度后，會在機體表面形成一個強電場，由于機體蒙皮、口蓋及天線罩等材料特性和幾何結構的差異，各表面充電電位不同，當表面沉積靜電電位差達到一定閾值時，便會以電暈、電弧及流光等形式放電，同時產生寬帶電磁干擾噪聲。為避免沉積靜電影響無人直升機的安全及任務完成，無人直升機可采取以下設計措施：

（1）在無人直升機結構后緣曲率半徑較小處安裝靜電放電器并將其電搭接至機體結構，由于靜電放電器放電閾值低于結構放電閾值，因此靜電電荷能在靜電放電器上提前釋放，降低射頻輻射干擾強度。

（2）無人直升機結構件之間以及結構件、設備、附件與基本結構之間應具有有低阻抗通路的可靠電搭接，避免出現孤立導體的靜電累積。通過搭接接地可避免靜電荷在無人直升機上積聚，提供靜電泄放的通路。

（3）在天線罩等絕緣或介電表面噴涂導電涂料，形成的導電涂層應搭接到機體結構上以轉移電荷。

（4）無人直升機應采用靜電導電輪胎及放電鋼索等措施用于著陸時接大地泄放靜電，同時無人直升機應設計有接地點用于停機時泄放殘留的靜電荷。

靜電防護驗證

電子電氣設備靜電防護驗證

針對大多數機載用電設備承受人體靜電放電干擾能力的考核，采用GJB151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》（以下簡稱GJB151B）中CS112靜電放電敏感度項目。GJB151B中規定安全性關鍵設備和分系統或對執行任務起關鍵作用的設備和分系統定義為A類受試品，其他設備和分系統定義為B類受試品。A類受試品應同時滿足標準中規定的試驗等級一至試驗等級四試驗電壓的考核，B類受試品試驗等級一至試驗等級三試驗電壓的考核，按規定限值進行試驗時，受試品不應出現任何故障、性能降低或偏離規定的指標值以表明其設計符合性。同時，GJB151B中明確了CS112靜電放電敏感度項目的測試設備、測試步驟及測試配置應滿足GB/T 17262.2靜電放電抗擾度試驗的相關要求，即軍民品采用同樣的考核標準。靜電放電抗擾度試驗包含接觸放電和空氣放電兩種方法。接觸放電法試驗等級一至等級四對應的試驗電壓分別為2kVYJ1B0wVJVRFWGmQwePSitmBYgZzy6+VBuejOAeA6+14=、4kV、6kV、8kV，空氣放電法試驗等級一至等級四對應的試驗電壓分別為2kV、4kV、8kV、15kV。接觸放電是優先選擇的試驗方法，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場合中。接觸放電包含直接放電和間接放電兩種方式，直接放電即直接對受試設備實施放電，模擬人或物體直接接觸設備引起的放電，間接放電即對受試設備附近的耦合板實施放電，以模擬人或物體對受試設備附近的物體的放電。

軍械系統經受由于人員操作引起的靜電放電，不應意外點火或啞彈。采用GJB573B-2020《引信及引信零部件環境與性能試驗方法》中方法601靜電放電試驗開展試驗考核以評價其安全性和可工作性。試驗過程中將一個低損耗、低電感500pF電容器充電到25kV，然后通過一個電阻放電模擬人體靜電放電對軍械系統的危害，放電試驗點應選擇在具有顯著靜電效應的結構形式下進行。

燃油靜電防護驗證

由于現階段燃油靜電放電相關試驗方法標準的空缺，針對燃油靜電防護設計有效性的驗證采用類比、分析說明等綜合評估的方式。

測量燃油箱材料及燃油的電導率、介電常數及靜電衰減時間常數等參數，與以往型號參數對比分析。同時可在各種模擬工況下，測量燃油箱試驗件上預先選定的測量點的靜電電位值，燃油箱試驗件的技術狀態需與裝機技術狀態保持一致。結合測量點電位值與等效電容值，推算各測量點的靜電放電能，靜電放電能最大值小于燃油蒸汽的點火閾值即說明滿足安全性要求。

無人直升機沉積靜電防護驗證

為考核無人直升機的安全性與機載分系統功能可靠性，無人直升機可參考 GJB 8848-2016《系統電磁環境效應試驗方法》中方法702機載分系統靜電放電試驗方法開展沉積電荷靜電放電試驗，試驗電平為300kV或機體設計允許最大靜電電壓。

開展試驗前需檢查機上所有電搭接措施以保證其符合設計指標。為保證輸入電荷不因接地而轉移，試驗時需將無人直升機與陪試電源車等設備與大地隔離絕緣。無人直升機上電使各機載分系統處于實際典型工作狀態，通過放電裝置對預先選定的注入點直接接觸充電至靜電電壓限值，考核機載電磁敏感設備工作是否正常，燃油及軍械的安全性。除地面試驗外，無人直升機需開展沉積靜電飛行試驗驗證其環境適應性，典型氣象條件包括干燥的雪和沙塵區域等。

結語

針對靜電放電方式及損傷模式，無人直升機應采取合理的設計措施，結合相應的試驗驗證或綜合評估說明其靜電防護設計的符合性。現階段除燃油靜電放電外，大多數場景下的靜電放電均具有標準推薦的試驗方法。設計人員應與試驗單位等相關方加強合作盡早明確試驗規范，為燃油靜電放電試驗驗證提供參考和指導。