郗 琦,晁魯靜,王海濤,胡曉峰
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運載火箭靜電帶電理論研究與試驗驗證
郗 琦1,晁魯靜2,王海濤1,胡曉峰3
(1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所;2. 中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心:北京 100076;3. 軍械工程學(xué)院 靜電與電磁防護(hù)研究所,石家莊 050003)
運載火箭在大氣中飛行會使箭體、發(fā)動機(jī)等表面帶電,當(dāng)靜電累積達(dá)到一定量級并產(chǎn)生靜電放電時,可能對箭上電氣設(shè)備造成災(zāi)難性后果。在眾多起電原因中,文章重點研究發(fā)動機(jī)噴流起電和摩擦起電過程,提出這2種起電方式的計算模型,并結(jié)合相關(guān)靜電測量試驗,確定這2種起電方式的等效充電電流,定量分析火箭最大靜電帶電電位,為指導(dǎo)單機(jī)設(shè)計及系統(tǒng)防護(hù)提供參考。
運載火箭;摩擦起電;噴流起電;靜電電位
0 引言
運載火箭在飛行過程中會產(chǎn)生靜電,靜電放電(ESD)會對電子設(shè)備產(chǎn)生危害。尤其是中型運載火箭型號系統(tǒng)中大量使用低電壓供電的集成電路元器件,這些元器件對靜電放電產(chǎn)生的沖擊電流非常敏感,很容易被損壞。箭體、發(fā)動機(jī)等表面帶電可能導(dǎo)致其內(nèi)部電荷積累,發(fā)生靜電擊穿,使電爆管起爆。同時,運載火箭箭體靜電也可能導(dǎo)致電暈放電、火花放電、表面電流放電等,在很寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生射頻干擾,繼而引起內(nèi)部電路脈沖干擾,致使數(shù)字電路運行紊亂,影響運載火箭正常工作,甚至造成飛行故障或失敗[1]。
運載火箭在大氣飛行中產(chǎn)生靜電的原因有摩擦起電、噴流起電、感應(yīng)起電、破裂起電、捕獲大氣中帶電粒子等。與摩擦起電和噴流起電相比,其他幾種起電方式在運載火箭起電過程中所占比重要小得多[2],故本文重點研究發(fā)動機(jī)噴流起電和摩擦起電過程,提出它們的計算模型,并結(jié)合相關(guān)靜電測量試驗,確定這2種起電方式的等效充電電流,定量分析火箭靜電電位,為單機(jī)及系統(tǒng)靜電防護(hù)方面設(shè)計提供參考。
1 發(fā)動機(jī)噴流起電
發(fā)動機(jī)噴流起電是指因發(fā)動機(jī)的火焰產(chǎn)生等離子氣體而起電。燃燒產(chǎn)生的電子以比正電荷快得
多的彌散速度進(jìn)入燃燒室的金屬缸體中,而正電荷被高溫高速的噴氣帶到大氣中。正負(fù)電荷的分離使得運載火箭發(fā)動機(jī)帶負(fù)電[3]。
為驗證發(fā)動機(jī)噴流起電的量級,本文針對航空發(fā)動機(jī)噴流進(jìn)行了噴流起電測試方法研究,并研制了測試傳感器,開展了某型飛行器的噴流起電試驗。
1.1 噴流起電測試系統(tǒng)的研制
傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)發(fā)動機(jī)尾流的尺寸進(jìn)行設(shè)計。不考慮引擎噴流尾氣的擴(kuò)散,認(rèn)為尾氣氣流是電荷密度為、半徑為的均勻帶電的圓柱體。法拉第筒式傳感器與氣流柱共軸放置,外徑為2,內(nèi)徑為1,長度為,空氣介電常數(shù)為。不考慮端部電場的不均勻性和尾氣的等離子體效應(yīng),則傳感器電容可近似為[2]
帶電量為
內(nèi)筒靜電電位為
通過測量傳感器內(nèi)筒電位,可以求得傳感器帶電量。發(fā)動機(jī)噴流起電帶電量與此數(shù)值相同,符號相反。
為防止發(fā)動機(jī)噴流尾氣擴(kuò)散可能對法拉第筒式傳感器內(nèi)壁試驗裝置造成損傷,試驗中將同心圓柱型法拉第筒式傳感器設(shè)計為圓錐狀。同時考慮到如此龐大體積下的法拉第筒的靜電絕緣要求和機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求,采用瓷質(zhì)絕緣子與聚四氟乙烯材料嵌套形式。該傳感器的理論計算電容應(yīng)該在403~480 pF之間,實測電容為496 pF。傳感器實物和尺寸如圖1所示;測試系統(tǒng)如圖2所示。