飞行器静电起电放电的研究进展

　　摘 要：飞行器作为空天装备重要的载体，其表面结构和材料差异造成电势差时，易发生静电放电，严重威胁飞行器的运行安全。文章从飞行器表面静电起电研究动态、飞行器静电起电机理、飞行器静电起电测试方法等方面介绍了该领域国内外的研究动态，以及本团队在静电起电机理以及静电起电测试方法方面研究的主要成果。提出了飞行器摩擦起电和喷流起电的测试方法，获得了飞行器摩擦起电与温度、湿度、摩擦速度以及接触面积之间的关系，通过试验测得了飞行器喷流起电使得飞行器带负电的结论，并分析了当前研究存在的问题和重点研究方向，为飞行器静电防护设计和安全性评估提供参考。

　　关键词：飞行器;静电起电;静电放电;研究进展

　　引言飞机、火箭在高速飞行时，飞行器表面会和空气中的尘埃、冰晶、雨滴等发生碰撞摩擦，从而在其表面沉积大量静电荷，使表面电位高达100~300kV[1]。由于飞行器表面蒙皮、座舱盖和天线盖等材料特性、几何结构的差异，会使其表面充电电位不同，当电位差达到气体电离阈值时，便会发生电晕、火花等静电放电[2]。放电产生的电磁脉冲会对飞行器的通信和导航系统造成干扰，严重威胁飞行器的安全运行[3]。20世纪六七十年代，美国的民兵Ⅰ导弹和侦察兵火箭、欧洲的欧罗尼Ⅱ和大力神ⅢC火箭等[3]，均出现过由于在飞行过程中发生静电放电，从而导致发射失败的情况。

　　此外，近年来，超高速飞行器的研制成功使飞行器的运行环境不再局限于普通大气环境，已经向外延伸至空间电离层环境。和大气环境不同，空间电离层主要为等离子体，飞行器和等离子体相互作用，会使表面带电，也会对飞行器造成安全隐患。本文从飞行器摩擦起电、喷流起电、静电放电机理以及测试方法研究等几个方面分析总结了当前国内外研究进展，讨论了当前在飞行器静电起电放电研究领域存在的问题。

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　　1 国内外研究动态

　　1.1飞行器表面摩擦起电研究进展

　　飞行器表面静电起电对其安全性和稳定性构成了严重威胁，各国均给予了高度重视，从上个世纪40年代起，有人就开始对飞行器的静电起电特性进行研究。1946年，R.Gunn[4-5]通过试验得出飞行器的静电起电量和飞行速度的关系。1970年，J.E.Nanevicz等进行了碰撞电荷转移试验，定性地分析了不同碰撞速度和不同复合材料对静电起电特性的影响[6-7]。1970年，I.M.Imyanitow[8]研究了飞行器表面静电起电电位随其飞行速度逐渐提高的变化规律。1984年，A.J.Illingworth[9]研究得出金属材料静电起电量和微粒速度呈线性关系、和微粒直径的平方成正比。

　　1990年，W.D.Keith和C.P.R.Saunders[10]研究了温度、相对速度和微粒直径等对飞行器表面静电起电特性的影响。1999年，李银林[11-12]等指出飞机静电起电主要有摩擦起电、发动机燃烧起电、感应起电和吸附起电等方式。2008年，张珺[13]等对碳纤维复合材料飞机的静电起电机理进行分析发现，和金属材质相比，介质材料飞行器静电起电电荷分布同样具有不均匀性，主要集中于曲率半径较小部位，但介质材料的静电起电速率和起电量要明显高于金属材料。

　　易鸣[14]等针对固定翼飞机，利用矩量法分别对飞行时和停靠地面时的电荷分布进行分析，并得出飞机在飞行时的固有电容为400pF、停靠时的对地电容为1.3nF，该数值与美军标中给出的数据相吻合，验证了其计算的正确性。方金鹏[15]分别利用矩量法和CST软件建立了飞机表面电荷分布模型，两种仿真结果相一致，验证了矩量法对分析机身表面电荷分布的有效性，并基于该方法确定了飞机表面易发生静电放电的部位。

　　早在上世纪八十年代，军械工程学院(现陆军工程大学石家庄校区)静电与电磁防护研究所的研究生周志刚、郑会志及博士生武占成等就研究了摩擦起电及飞机静电起电放电规律，后来通过设计飞行器蒙皮材料静电起电试验平台，系统地研究了飞行器表面材料摩擦起电特性[4,7,16]。综上所述，国内外学者对飞行器表面静电起电已经进行了深入研究，并取得显著成果。但仍存在一些问题：

　　(1)新材料的不断涌现，新材料的静电起电特性研究滞后。近年来，超高速飞行器(如导弹，返回式卫星等)的研制成功，使飞行器表面热防护材料得到快速发展[17]，美国NASA、欧洲ESA等依托先进的科研条件和雄厚的经济基础，针对该材料的静电起电特性开展了大量的试飞和模拟试验研究。目前，我国对飞行器表面热防护材料的静电起电特性的研究仍处于起步阶段，因此，亟需进行相关理论和试验方面的研究。

　　(2)地面超高速摩擦起电试验方法存在瓶颈。飞行器摩擦起电地面模拟试验平台的速度范围还比较有限，尚难以达到亚音速、超声速范围，当前研究获得的数据量和规律的适用范围仍然有一定的局限性。为此，开发更高速、更安全、更通用的模拟测试系统是研究飞行器摩擦起电的重要方面。

　　1.2飞行器喷流起电研究进展

　　最早注意到发动机工作时喷流尾气可能会导致航空器带电的研究，源于上世纪五十年代美国空军和海军的沉积静电联合研究项目中对Boeing367和Boeing707等多种机型发动机引起航空器静电带电现象的研究[18-22];试验发现航空发动机的充电电流可达几百微安，最高时甚至可达几毫安[23];发动机注水(WaterInjection)时，起电电流是正常工作时的几倍;向发动机喷射气流尾气注入高熔点的三氧化二铝等颗粒物，会加剧发动机的充电效果;研究结果表明发动机高温尾气中离子的产生、复合、吸附是导致发动机尾气喷射起电的主要原因。

　　1986年美国华盛顿海军研究试验室的黑派尔和弗雷克对高温状态下离子与燃油不完全燃烧产生的大量碳烟微粒之间的吸附特性进行了研究，并对两者达到稳态平衡时，各带电粒子的分布情况进行了理论分析与试验测定。二十世纪八九十年代，英国航空发动机先进供应商史密茨公司的克莱尔和鲍威尔等人在考特的研究基础上开展了大量的试验研究，提出基于静电监测的发动机气路部件故障诊断和状态监控的完整技术方法，并先后成功研制出引擎疲劳损坏监视系统和引擎异物吸入监视系统[27-29]。

　　2001年，俄罗斯中央发动机研究所的学者StarikA.M.,SavelevA.M.,TitovaN.S.等[30]联合法国科学研究院的MirabelP.对航空发动机燃烧过程中燃烧室内碳烟微粒的产生、增长、碰并、氧化与吸附电荷等方面联合开展了4年的共同研究，建立了正负离子与碳烟微粒间发生吸附时的动力学模型，计算了不同温度条件下各种正负离子、中性粒子和碳烟微粒浓度的变化规律;测定了在2~760毫米汞柱气压范围内碳氢火焰中各种粒子的浓度分布规律。2007年，北京理工大学的崔占忠等人对喷气式航空器燃烧室内的各种带电粒子生产演化情况及其对航空发动机的充电作用进行了理论建模，建立了燃烧反应中各类带电粒子数密度的微分方程，并通过对燃烧室内各粒子数密度变化的数值仿真计算，发现部分航空煤油未充分燃烧而产生的碳烟微粒(SootParticle)是影响燃烧室荷电特性的关键因素[31-33]。

　　自2008年以来，南京航空航天大学的航空发动机故障诊断研究小组在左洪福教授带领下，针对发动机尾气喷射起电特征在航空发动机状态监测和故障诊断领域的应用开展了大量研究，相继开发了模拟试验台、介入式静电探针、综合测试软件等测试测量设备，并将该系统应用到总参谋部第60研究所的某小型航空涡喷发动机在线综合检测试车试验中[33-43]。

　　然而其研究多关注发动机耗油量、温度、压力、震动等宏观参量和静电信号的联系和规律，并未对其物理机制和理论联系进行系统深入的分析研究。军械工程学院电磁环境效应国家级重点实验室团队[44]对航空器发动机尾气喷射起电进行了详细的研究和探讨。分析确定了燃烧室及尾气中初级离子、次级离子、中等离子与大离子等带电粒子的生成演化机理与过程。

　　在分析对比国内外主要的航空发动机燃料燃烧过程中带电粒子生成演化模型的基础上，探讨了现有模型的主要优缺点和存在的问题，建立了充分考虑燃烧开始阶段的化学反应生成的大量离子、中性分子对电子的吸附以及高温引起的碳烟微粒的热辐射等效应的新理论模型，通过仿真计算得到了发动机中各种带电粒子浓度的变化规律，并定量分析了航空发动机尾气静电的负极性充电电流。

　　并在理论分析与建模仿真的基础上，开展了航空发动机尾气喷射起电的地面模拟试验，通过试验验证了航空发动机尾气带有正电荷，发动机会给航空器充以负电荷的推论。同时指出，由于尾气的电导率随尾气温度升高而增加，以致航空发动机高速运转时产生的高温尾气可以将双发试验平台所积累的静电荷全部泄放到大地中。提出了通过添加碱金属和铝粉等方法人为提高尾气电导率来限制航空器总体静电水平的新型静电控制方法。上述研究取得了一些成果，但仍然存在一些问题亟需研究解决。

　　(1)飞行器喷流起电实飞测试存在困难。目前，对飞行器发动机尾气喷射起电电流进行实飞测试和验证的研究较少。仅有军械工程学院团队进行过此工作，然而大量的实飞测试目前仍然是不现实的，因此寻找合适的低费用的实飞测试技术和科学的地面模拟测试方法仍然是应该持续关注的问题。(2)不同发动机喷流起电研究数据较少。国内现有的实验测试手段偏少，对火箭用固体和液体发动机的相关研究尚未进行，有必要开展不同发动机喷流起电的研究工作。

　　1.3飞行器表面静电放电研究进展

　　由于飞行器通常机身较大，结构复杂，其起放电过程也相对比较复杂。摩擦起电、引擎燃料燃烧产生等离子体起电、感应起电和吸附大气离子起电等几种方式均对飞行器荷电具有影响，各种起电因素对飞机荷电的影响。其中，电晕放电产生的电磁脉冲处于射频段，会干扰飞行器的通信和导航系统;燃料燃烧产生等离子体起电能量较强，会氧化、腐蚀表面材料。

　　此外，其产生的强电磁脉冲会通过天线、孔缝等途径耦合进入机舱内，干扰机载电子设备;感应起电放电电磁脉冲持续时间较长，能量较高，对表面材料损伤较大，但由于其放电电流上升沿时间较长，频率较低，对飞行器的干扰较小;火花放电具有高电压、强电场、瞬时大电流等特点，其放电电流可达数百安培，会产生强烈的瞬态电磁脉冲。

　　国内外学者对飞行器表面静电放电开展了相关研究并取得了显著成果。1946年，R.Gunn[45]等对两种不同型号的飞机施加直流高压，均监测到持续的电晕放电和少量的火花放电信号;此外，他们发现当放电电压为120kV时，放电信号对电子设备的干扰情况和试飞试验的情况相似。 1977年，美国海军航空兵指挥系统[46]的研究报告中指出，电晕放电是飞行器的主要放电形式，放电电磁脉冲重复率高达105Hz，电磁脉冲的频率范围在10~200MHz;且阴雨天气时，放电电磁辐射信号更为强烈。

　　1982年，J.E.Nanevicz[47]等通过对某型喷气式战斗机进行低空试飞试验，发现飞行器的干扰产生机制主要有电晕放电、火花放电、流光放电和带电粒子流动四种方式，其中电晕放电电流较小，约为300~500μA，流光放电电流约为10mA;火花放电产生的干扰最强，电晕放电次之，流光放电由于频带较窄，对电子设备干扰最弱。军械工程学院电磁环境效应国家级重点实验室团队系统地研究了飞机表面静电放电特性，建立了飞机静电放电数值模型，并进行了飞机缩比模型静电放电试验;以某型飞机为研究对象，进行了不同飞行阶段(起飞、飞行和降落)的试飞试验，探测到飞机在飞行和起飞阶段的电磁脉冲辐射信号特征。

　　宋金泽[48]详细讲述了控制静电泄放的设备——静电放电器的特性，分析了其形状与组成部分，并给出飞机上配置静电放电器数量的计算方法和布置方法，考虑到闪电的影响，阐述了静电放电器在金属和复合材料表面的安装方法，最后分析了全复合材料静电放电器的优点。XieH等人[49]分析了飞行复合飞行器产生的局部静电，通过实验证实在飞机上进行局部静电的收集是可行的，可以为能量采集系统提供一个新的方向。

　　易鸣等人[50]通过VisualC++编程，用矩量法分别求取了飞机空中飞行、停靠地面时的电荷分布，获得了飞机着陆时的放电时间常数及某型飞机两种不同状态下的飞机电容。付巍等人[51]研究了飞机上安装的静电放电针空间电场分布，在一定的约束条件下，建立了静电放电针空间电场分布的数学模型，并通过数值计算和理论分析，得到了静电放电针空间电场电位和电场强度的公式。张珺等人[52]根据飞机上放电电流脉冲波形,建立了数值模型,模拟静电荷在复合材料飞机上的积累以及静电荷在飞机上静电放电产生的辐射电场,最后结合有限元方法,计算出复合材料飞机的电容并估算静电放电的能量。

　　陈曦等人[53]通过理论分析和仿真计算，研究了对于被动式地面静电探测系统，将空中目标的电场近似地作为静电场进行探测和将空中带电目标近似为点目标。这种以静电场为探测信号的“被动式”探测系统，探测距离很有限，军械工程学院电磁环境效应国家级重点实验室团队以飞行器电晕放电辐射场为探测信号，搭建的“被动式”测试系统，探测距离更远。在飞行器静电放电研究领域，还存在一些问题值得关注：(1)随着材料技术的飞速发展，复合材料在飞行器上大量应用，复合材料飞行器静电放电机理、特性和危害值得进一步研究。(2)随着飞行器飞行空间的拓展，大温差、低气压条件下的飞行器静电放电特性、等离子体对飞行器电子信息系统的影响机理等问题值得我们关注。

　　2 飞行器静电起电机理研究

　　通常情况下，一般物体所携带的正、负电荷量相等，互相平衡，整体呈现电中性。当物体上电荷发生转移时，其正、负电荷失去平衡，物体即成为带电体[54]。

　　2.1摩擦起电

　　摩擦起电的物理机制是互相摩擦的两种物体的原子(或分子)得失电子的能力不同，而原子得失电子的能力取决于微观粒子的费米能级。对于飞行器而言，当其在高速飞行过程中时，飞行物表面会与空气发生剧烈摩擦，这是空中飞行物带电的一个重要原因。并且由于空间中充满各种粒子，因此飞行物在运动中不可避免地会与各种粒子发生摩擦;不同的飞行器，其主要飞行高度，飞行状态不同，而可能与其发生摩擦的粒子种类也完全不同。如大气中，高空环境一般雨滴、尘埃、冰晶等空间粒子分布较多，而在低空环境中尘埃、沙粒等密度较高。因此不同的飞行器与之摩擦的对象不同，其由 于摩擦所带电荷的极性及带电量也不同，需要具体情况具体分析。

　　2.2燃料燃烧产生等离子体起电

　　燃料燃烧是很多运动物体产生前进动力的主要方式，而这种方式也会使物体携带的电荷量增加。如喷气式飞机、导弹、运动车辆等，引擎中燃料燃烧产生等离子体起电是除摩擦起电外的另一种使其带电的主要方式。燃料燃烧产生等离子体充电对于物体带电贡献包括两个过程，一是燃料燃烧产生等离子体起电，二是高速喷流使正负电荷分开。

　　理论研究及实验表明，引擎中燃料燃烧时会产生大量等离子体，即大量分别带有正负电荷的离子，但因为正负电荷总量相等、均匀分布，通常等离子体整体呈现电中性。等离子体中带正电的阳离子和带负电的电子分别在引擎燃烧室内高速运动，当自由电子与金属燃烧室内壁碰撞时，进入金属内部，并通过与金属燃烧室相连的导体材料弥散到其他部位，从而将大量的正电荷留在燃烧室内，通过喷流的形式进入周围大气中。根据相关研究可知，这种方式通常使物体带上负电荷。另外，引擎产生的高速喷流与喷管之间不断摩擦产生的大量正电荷，也会随着燃烧尾气被喷流带到大气中，将负电荷留在物体上。

　　2.3感应起电

　　带电体在其周围空间产生的静电场，会使处在电场中的孤立导体或半导体物体产生感应电荷，其中与带电体较近的一端将产生于带电体极性相反的电荷，另一端则带上与带电体极性相同的电荷。通常情况下，由于物体与地绝缘，物体上的正负电荷总量相等。当周围带电体消失或者远离时，由于外界电场消失，物体上的正负电荷恢复原来的分布并达到平衡状态。因此，通常情况下，静电感应并不会使孤立导体或者半导体上产生净剩电荷而带电。

　　实际的感应起电通常发生在物体的形状较为复杂的情况下。当带电体在物体周围产生较强的静电场时，物体由于静电感应而产生的电荷会重新分布，在物体表面的某些部位产生很高的电荷密度，特别是当物体上存在大曲率部位(如针、刺等)时，在这些部位周围会产生很强的感应电场。当电场强度超过一定的阈值时，会发生剧烈放电，这一过程使得物体上的正负电荷数量不再相等，当带电体产生的外界电场消失时，物体便成为带电体。

　　3 飞行器静电起电测试方法研究

　　在理论分析的基础上，对飞行器静电起电的测试和实验验证也是飞行器静电研究的一个重要内容，由于地面模拟测试难度较大，与实际飞行状态下所面临的环境等因素不同，测试准确度误差较大。为此，国内相关研究人员对飞行器摩擦起电、喷流起电等进行了大量的试验测试和试验验证研究。

　　4 结语

　　本文从飞行器表面静电起电国内外研究动态、飞行器静电起电机理分析、飞行器静电起电测试方法研究等三个方面讨论了当前国内外的研究进展，总结了本团队在飞行器静电起电放电机理及测试方法研究上的成果，提出了下一步在该领域研究的重点。利用静电放电信息对飞行器进行被动探测是一种新的手段，本团队在飞行器静电起电、放电机理和测试方法方面进行了研究，取得了一定的成果，但还有很多方面需要进一步完善和解决：(1)继续开展飞行器静电起电特性技术研究，进一步探索环境因素对静电起电电位的影响;加强对航空发动机燃烧喷流起电理论研究和试验测试。(2)优化测试方法，研制较为先进的飞机静电放电信息测试系统，提高测试的灵敏度，以实现静电放电辐射信号的远距离探测。

　　参考文献

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　　作者：刘尚合 谢喜宁 胡小锋