摘 要：飛行器作為空天裝備重要的載體，其表面結構和材料差異造成電勢差時，易發生靜電放電，嚴重威脅飛行器的運行安全。文章從飛行器表面靜電起電研究動態、飛行器靜電起電機理、飛行器靜電起電測試方法等方面介紹了該領域國內外的研究動態，以及本團隊在靜電起電機理以及靜電起電測試方法方面研究的主要成果。提出了飛行器摩擦起電和噴流起電的測試方法，獲得了飛行器摩擦起電與溫度、濕度、摩擦速度以及接觸面積之間的關系，通過試驗測得了飛行器噴流起電使得飛行器帶負電的結論，并分析了當前研究存在的問題和重點研究方向，為飛行器靜電防護設計和安全性評估提供參考。

　　關鍵詞：飛行器;靜電起電;靜電放電;研究進展

　　引言飛機、火箭在高速飛行時，飛行器表面會和空氣中的塵埃、冰晶、雨滴等發生碰撞摩擦，從而在其表面沉積大量靜電荷，使表面電位高達100~300kV[1]。由于飛行器表面蒙皮、座艙蓋和天線蓋等材料特性、幾何結構的差異，會使其表面充電電位不同，當電位差達到氣體電離閾值時，便會發生電暈、火花等靜電放電[2]。放電產生的電磁脈沖會對飛行器的通信和導航系統造成干擾，嚴重威脅飛行器的安全運行[3]。20世紀六七十年代，美國的民兵Ⅰ導彈和偵察兵火箭、歐洲的歐羅尼Ⅱ和大力神ⅢC火箭等[3]，均出現過由于在飛行過程中發生靜電放電，從而導致發射失敗的情況。

　　此外，近年來，超高速飛行器的研制成功使飛行器的運行環境不再局限于普通大氣環境，已經向外延伸至空間電離層環境。和大氣環境不同，空間電離層主要為等離子體，飛行器和等離子體相互作用，會使表面帶電，也會對飛行器造成安全隱患。本文從飛行器摩擦起電、噴流起電、靜電放電機理以及測試方法研究等幾個方面分析總結了當前國內外研究進展，討論了當前在飛行器靜電起電放電研究領域存在的問題。

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　　1 國內外研究動態

　　1.1飛行器表面摩擦起電研究進展

　　飛行器表面靜電起電對其安全性和穩定性構成了嚴重威脅，各國均給予了高度重視，從上個世紀40年代起，有人就開始對飛行器的靜電起電特性進行研究。1946年，R.Gunn[4-5]通過試驗得出飛行器的靜電起電量和飛行速度的關系。1970年，J.E.Nanevicz等進行了碰撞電荷轉移試驗，定性地分析了不同碰撞速度和不同復合材料對靜電起電特性的影響[6-7]。1970年，I.M.Imyanitow[8]研究了飛行器表面靜電起電電位隨其飛行速度逐漸提高的變化規律。1984年，A.J.Illingworth[9]研究得出金屬材料靜電起電量和微粒速度呈線性關系、和微粒直徑的平方成正比。

　　1990年，W.D.Keith和C.P.R.Saunders[10]研究了溫度、相對速度和微粒直徑等對飛行器表面靜電起電特性的影響。1999年，李銀林[11-12]等指出飛機靜電起電主要有摩擦起電、發動機燃燒起電、感應起電和吸附起電等方式。2008年，張珺[13]等對碳纖維復合材料飛機的靜電起電機理進行分析發現，和金屬材質相比，介質材料飛行器靜電起電電荷分布同樣具有不均勻性，主要集中于曲率半徑較小部位，但介質材料的靜電起電速率和起電量要明顯高于金屬材料。

　　易鳴[14]等針對固定翼飛機，利用矩量法分別對飛行時和停靠地面時的電荷分布進行分析，并得出飛機在飛行時的固有電容為400pF、停靠時的對地電容為1.3nF，該數值與美軍標中給出的數據相吻合，驗證了其計算的正確性。方金鵬[15]分別利用矩量法和CST軟件建立了飛機表面電荷分布模型，兩種仿真結果相一致，驗證了矩量法對分析機身表面電荷分布的有效性，并基于該方法確定了飛機表面易發生靜電放電的部位。

　　早在上世紀八十年代，軍械工程學院(現陸軍工程大學石家莊校區)靜電與電磁防護研究所的研究生周志剛、鄭會志及博士生武占成等就研究了摩擦起電及飛機靜電起電放電規律，后來通過設計飛行器蒙皮材料靜電起電試驗平臺，系統地研究了飛行器表面材料摩擦起電特性[4,7,16]。綜上所述，國內外學者對飛行器表面靜電起電已經進行了深入研究，并取得顯著成果。但仍存在一些問題：

　　(1)新材料的不斷涌現，新材料的靜電起電特性研究滯后。近年來，超高速飛行器(如導彈，返回式衛星等)的研制成功，使飛行器表面熱防護材料得到快速發展[17]，美國NASA、歐洲ESA等依托先進的科研條件和雄厚的經濟基礎，針對該材料的靜電起電特性開展了大量的試飛和模擬試驗研究。目前，我國對飛行器表面熱防護材料的靜電起電特性的研究仍處于起步階段，因此，亟需進行相關理論和試驗方面的研究。

　　(2)地面超高速摩擦起電試驗方法存在瓶頸。飛行器摩擦起電地面模擬試驗平臺的速度范圍還比較有限，尚難以達到亞音速、超聲速范圍，當前研究獲得的數據量和規律的適用范圍仍然有一定的局限性。為此，開發更高速、更安全、更通用的模擬測試系統是研究飛行器摩擦起電的重要方面。

　　1.2飛行器噴流起電研究進展

　　最早注意到發動機工作時噴流尾氣可能會導致航空器帶電的研究，源于上世紀五十年代美國空軍和海軍的沉積靜電聯合研究項目中對Boeing367和Boeing707等多種機型發動機引起航空器靜電帶電現象的研究[18-22];試驗發現航空發動機的充電電流可達幾百微安，最高時甚至可達幾毫安[23];發動機注水(WaterInjection)時，起電電流是正常工作時的幾倍;向發動機噴射氣流尾氣注入高熔點的三氧化二鋁等顆粒物，會加劇發動機的充電效果;研究結果表明發動機高溫尾氣中離子的產生、復合、吸附是導致發動機尾氣噴射起電的主要原因。

　　1986年美國華盛頓海軍研究試驗室的黑派爾和弗雷克對高溫狀態下離子與燃油不完全燃燒產生的大量碳煙微粒之間的吸附特性進行了研究，并對兩者達到穩態平衡時，各帶電粒子的分布情況進行了理論分析與試驗測定。二十世紀八九十年代，英國航空發動機先進供應商史密茨公司的克萊爾和鮑威爾等人在考特的研究基礎上開展了大量的試驗研究，提出基于靜電監測的發動機氣路部件故障診斷和狀態監控的完整技術方法，并先后成功研制出引擎疲勞損壞監視系統和引擎異物吸入監視系統[27-29]。

　　2001年，俄羅斯中央發動機研究所的學者StarikA.M.,SavelevA.M.,TitovaN.S.等[30]聯合法國科學研究院的MirabelP.對航空發動機燃燒過程中燃燒室內碳煙微粒的產生、增長、碰并、氧化與吸附電荷等方面聯合開展了4年的共同研究，建立了正負離子與碳煙微粒間發生吸附時的動力學模型，計算了不同溫度條件下各種正負離子、中性粒子和碳煙微粒濃度的變化規律;測定了在2~760毫米汞柱氣壓范圍內碳氫火焰中各種粒子的濃度分布規律。2007年，北京理工大學的崔占忠等人對噴氣式航空器燃燒室內的各種帶電粒子生產演化情況及其對航空發動機的充電作用進行了理論建模，建立了燃燒反應中各類帶電粒子數密度的微分方程，并通過對燃燒室內各粒子數密度變化的數值仿真計算，發現部分航空煤油未充分燃燒而產生的碳煙微粒(SootParticle)是影響燃燒室荷電特性的關鍵因素[31-33]。

　　自2008年以來，南京航空航天大學的航空發動機故障診斷研究小組在左洪福教授帶領下，針對發動機尾氣噴射起電特征在航空發動機狀態監測和故障診斷領域的應用開展了大量研究，相繼開發了模擬試驗臺、介入式靜電探針、綜合測試軟件等測試測量設備，并將該系統應用到總參謀部第60研究所的某小型航空渦噴發動機在線綜合檢測試車試驗中[33-43]。

　　然而其研究多關注發動機耗油量、溫度、壓力、震動等宏觀參量和靜電信號的聯系和規律，并未對其物理機制和理論聯系進行系統深入的分析研究。軍械工程學院電磁環境效應國家級重點實驗室團隊[44]對航空器發動機尾氣噴射起電進行了詳細的研究和探討。分析確定了燃燒室及尾氣中初級離子、次級離子、中等離子與大離子等帶電粒子的生成演化機理與過程。

　　在分析對比國內外主要的航空發動機燃料燃燒過程中帶電粒子生成演化模型的基礎上，探討了現有模型的主要優缺點和存在的問題，建立了充分考慮燃燒開始階段的化學反應生成的大量離子、中性分子對電子的吸附以及高溫引起的碳煙微粒的熱輻射等效應的新理論模型，通過仿真計算得到了發動機中各種帶電粒子濃度的變化規律，并定量分析了航空發動機尾氣靜電的負極性充電電流。

　　并在理論分析與建模仿真的基礎上，開展了航空發動機尾氣噴射起電的地面模擬試驗，通過試驗驗證了航空發動機尾氣帶有正電荷，發動機會給航空器充以負電荷的推論。同時指出，由于尾氣的電導率隨尾氣溫度升高而增加，以致航空發動機高速運轉時產生的高溫尾氣可以將雙發試驗平臺所積累的靜電荷全部泄放到大地中。提出了通過添加堿金屬和鋁粉等方法人為提高尾氣電導率來限制航空器總體靜電水平的新型靜電控制方法。上述研究取得了一些成果，但仍然存在一些問題亟需研究解決。

　　(1)飛行器噴流起電實飛測試存在困難。目前，對飛行器發動機尾氣噴射起電電流進行實飛測試和驗證的研究較少。僅有軍械工程學院團隊進行過此工作，然而大量的實飛測試目前仍然是不現實的，因此尋找合適的低費用的實飛測試技術和科學的地面模擬測試方法仍然是應該持續關注的問題。(2)不同發動機噴流起電研究數據較少。國內現有的實驗測試手段偏少，對火箭用固體和液體發動機的相關研究尚未進行，有必要開展不同發動機噴流起電的研究工作。

　　1.3飛行器表面靜電放電研究進展

　　由于飛行器通常機身較大，結構復雜，其起放電過程也相對比較復雜。摩擦起電、引擎燃料燃燒產生等離子體起電、感應起電和吸附大氣離子起電等幾種方式均對飛行器荷電具有影響，各種起電因素對飛機荷電的影響。其中，電暈放電產生的電磁脈沖處于射頻段，會干擾飛行器的通信和導航系統;燃料燃燒產生等離子體起電能量較強，會氧化、腐蝕表面材料。

　　此外，其產生的強電磁脈沖會通過天線、孔縫等途徑耦合進入機艙內，干擾機載電子設備;感應起電放電電磁脈沖持續時間較長，能量較高，對表面材料損傷較大，但由于其放電電流上升沿時間較長，頻率較低，對飛行器的干擾較小;火花放電具有高電壓、強電場、瞬時大電流等特點，其放電電流可達數百安培，會產生強烈的瞬態電磁脈沖。

　　國內外學者對飛行器表面靜電放電開展了相關研究并取得了顯著成果。1946年，R.Gunn[45]等對兩種不同型號的飛機施加直流高壓，均監測到持續的電暈放電和少量的火花放電信號;此外，他們發現當放電電壓為120kV時，放電信號對電子設備的干擾情況和試飛試驗的情況相似。 1977年，美國海軍航空兵指揮系統[46]的研究報告中指出，電暈放電是飛行器的主要放電形式，放電電磁脈沖重復率高達105Hz，電磁脈沖的頻率范圍在10~200MHz;且陰雨天氣時，放電電磁輻射信號更為強烈。

　　1982年，J.E.Nanevicz[47]等通過對某型噴氣式戰斗機進行低空試飛試驗，發現飛行器的干擾產生機制主要有電暈放電、火花放電、流光放電和帶電粒子流動四種方式，其中電暈放電電流較小，約為300~500μA，流光放電電流約為10mA;火花放電產生的干擾最強，電暈放電次之，流光放電由于頻帶較窄，對電子設備干擾最弱。軍械工程學院電磁環境效應國家級重點實驗室團隊系統地研究了飛機表面靜電放電特性，建立了飛機靜電放電數值模型，并進行了飛機縮比模型靜電放電試驗;以某型飛機為研究對象，進行了不同飛行階段(起飛、飛行和降落)的試飛試驗，探測到飛機在飛行和起飛階段的電磁脈沖輻射信號特征。

　　宋金澤[48]詳細講述了控制靜電泄放的設備——靜電放電器的特性，分析了其形狀與組成部分，并給出飛機上配置靜電放電器數量的計算方法和布置方法，考慮到閃電的影響，闡述了靜電放電器在金屬和復合材料表面的安裝方法，最后分析了全復合材料靜電放電器的優點。XieH等人[49]分析了飛行復合飛行器產生的局部靜電，通過實驗證實在飛機上進行局部靜電的收集是可行的，可以為能量采集系統提供一個新的方向。

　　易鳴等人[50]通過VisualC++編程，用矩量法分別求取了飛機空中飛行、停靠地面時的電荷分布，獲得了飛機著陸時的放電時間常數及某型飛機兩種不同狀態下的飛機電容。付巍等人[51]研究了飛機上安裝的靜電放電針空間電場分布，在一定的約束條件下，建立了靜電放電針空間電場分布的數學模型，并通過數值計算和理論分析，得到了靜電放電針空間電場電位和電場強度的公式。張珺等人[52]根據飛機上放電電流脈沖波形,建立了數值模型,模擬靜電荷在復合材料飛機上的積累以及靜電荷在飛機上靜電放電產生的輻射電場,最后結合有限元方法,計算出復合材料飛機的電容并估算靜電放電的能量。

　　陳曦等人[53]通過理論分析和仿真計算，研究了對于被動式地面靜電探測系統，將空中目標的電場近似地作為靜電場進行探測和將空中帶電目標近似為點目標。這種以靜電場為探測信號的“被動式”探測系統，探測距離很有限，軍械工程學院電磁環境效應國家級重點實驗室團隊以飛行器電暈放電輻射場為探測信號，搭建的“被動式”測試系統，探測距離更遠。在飛行器靜電放電研究領域，還存在一些問題值得關注：(1)隨著材料技術的飛速發展，復合材料在飛行器上大量應用，復合材料飛行器靜電放電機理、特性和危害值得進一步研究。(2)隨著飛行器飛行空間的拓展，大溫差、低氣壓條件下的飛行器靜電放電特性、等離子體對飛行器電子信息系統的影響機理等問題值得我們關注。

　　2 飛行器靜電起電機理研究

　　通常情況下，一般物體所攜帶的正、負電荷量相等，互相平衡，整體呈現電中性。當物體上電荷發生轉移時，其正、負電荷失去平衡，物體即成為帶電體[54]。

　　2.1摩擦起電

　　摩擦起電的物理機制是互相摩擦的兩種物體的原子(或分子)得失電子的能力不同，而原子得失電子的能力取決于微觀粒子的費米能級。對于飛行器而言，當其在高速飛行過程中時，飛行物表面會與空氣發生劇烈摩擦，這是空中飛行物帶電的一個重要原因。并且由于空間中充滿各種粒子，因此飛行物在運動中不可避免地會與各種粒子發生摩擦;不同的飛行器，其主要飛行高度，飛行狀態不同，而可能與其發生摩擦的粒子種類也完全不同。如大氣中，高空環境一般雨滴、塵埃、冰晶等空間粒子分布較多，而在低空環境中塵埃、沙粒等密度較高。因此不同的飛行器與之摩擦的對象不同，其由 于摩擦所帶電荷的極性及帶電量也不同，需要具體情況具體分析。

　　2.2燃料燃燒產生等離子體起電

　　燃料燃燒是很多運動物體產生前進動力的主要方式，而這種方式也會使物體攜帶的電荷量增加。如噴氣式飛機、導彈、運動車輛等，引擎中燃料燃燒產生等離子體起電是除摩擦起電外的另一種使其帶電的主要方式。燃料燃燒產生等離子體充電對于物體帶電貢獻包括兩個過程，一是燃料燃燒產生等離子體起電，二是高速噴流使正負電荷分開。

　　理論研究及實驗表明，引擎中燃料燃燒時會產生大量等離子體，即大量分別帶有正負電荷的離子，但因為正負電荷總量相等、均勻分布，通常等離子體整體呈現電中性。等離子體中帶正電的陽離子和帶負電的電子分別在引擎燃燒室內高速運動，當自由電子與金屬燃燒室內壁碰撞時，進入金屬內部，并通過與金屬燃燒室相連的導體材料彌散到其他部位，從而將大量的正電荷留在燃燒室內，通過噴流的形式進入周圍大氣中。根據相關研究可知，這種方式通常使物體帶上負電荷。另外，引擎產生的高速噴流與噴管之間不斷摩擦產生的大量正電荷，也會隨著燃燒尾氣被噴流帶到大氣中，將負電荷留在物體上。

　　2.3感應起電

　　帶電體在其周圍空間產生的靜電場，會使處在電場中的孤立導體或半導體物體產生感應電荷，其中與帶電體較近的一端將產生于帶電體極性相反的電荷，另一端則帶上與帶電體極性相同的電荷。通常情況下，由于物體與地絕緣，物體上的正負電荷總量相等。當周圍帶電體消失或者遠離時，由于外界電場消失，物體上的正負電荷恢復原來的分布并達到平衡狀態。因此，通常情況下，靜電感應并不會使孤立導體或者半導體上產生凈剩電荷而帶電。

　　實際的感應起電通常發生在物體的形狀較為復雜的情況下。當帶電體在物體周圍產生較強的靜電場時，物體由于靜電感應而產生的電荷會重新分布，在物體表面的某些部位產生很高的電荷密度，特別是當物體上存在大曲率部位(如針、刺等)時，在這些部位周圍會產生很強的感應電場。當電場強度超過一定的閾值時，會發生劇烈放電，這一過程使得物體上的正負電荷數量不再相等，當帶電體產生的外界電場消失時，物體便成為帶電體。

　　3 飛行器靜電起電測試方法研究

　　在理論分析的基礎上，對飛行器靜電起電的測試和實驗驗證也是飛行器靜電研究的一個重要內容，由于地面模擬測試難度較大，與實際飛行狀態下所面臨的環境等因素不同，測試準確度誤差較大。為此，國內相關研究人員對飛行器摩擦起電、噴流起電等進行了大量的試驗測試和試驗驗證研究。

　　4 結語

　　本文從飛行器表面靜電起電國內外研究動態、飛行器靜電起電機理分析、飛行器靜電起電測試方法研究等三個方面討論了當前國內外的研究進展，總結了本團隊在飛行器靜電起電放電機理及測試方法研究上的成果，提出了下一步在該領域研究的重點。利用靜電放電信息對飛行器進行被動探測是一種新的手段，本團隊在飛行器靜電起電、放電機理和測試方法方面進行了研究，取得了一定的成果，但還有很多方面需要進一步完善和解決：(1)繼續開展飛行器靜電起電特性技術研究，進一步探索環境因素對靜電起電電位的影響;加強對航空發動機燃燒噴流起電理論研究和試驗測試。(2)優化測試方法，研制較為先進的飛機靜電放電信息測試系統，提高測試的靈敏度，以實現靜電放電輻射信號的遠距離探測。

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　　作者：劉尚合 謝喜寧 胡小鋒