在研究静电放电防护措施之前,首先应了解静电危害发生的条件:
(1)产生并积累起足够的静电,形成“危险静电源”(
静电放电模拟器),以至于局部电场强度达到或超过周围介质的击穿场强,发生静电放电。
(2)危险静电源的周围有易燃易爆气体混合物并达到爆炸浓度极限,或有电火工品,或有静电敏感器件等静电易爆、易损物质。
(3)危险静电源与静电易爆、易损物质之间能够形成能量耦合并且静电放电能量等于或超出易爆物质最小电火能量或易损物质静电敏感度阙值。
在星载设备的设计、试验、研制、生产、总装过程中,由于静电放电引起设备内部器件的损坏,进而导致航天器的故障的案例是存在的。因此为保证航天器正常工作,根据静电产生的不同机理和静电放电的不同机理,采取相应防护措施是非常必要的。
航天器热控组件和天线涂层使用大量介质材料,使得整星抗带电设计变得十分困难。抗带电设计的重点是尽量使充电最小化,采取一系列防护措施,并经受实验验证。航天器静电防护涉及两个方面,一个是整星设计中的静电防护,一个是星载设备设计中应注意的问题。
总结工程经验,整星设计中应该注意以下问题,以防止其表面静电充电和电弧放电发生
1)不应有孤立的金属表面结构,星体结构的各部分间以及星体与火箭间应提供良好的电搭接,搭接电阻值应小于10mΩ,以保证大量电荷能通过搭接线分布于壳体上,这样可以防止卫星外表面间产生火花放电,从而确保卫星内部电路不至于受到静电放电危害。
2)一切金属表面都应采取搭接保护措施,并良好接地,不能直接接地的金属部分可采取直流电阻接地。
3)外形结构应避免尖端结构。
4)避免电容性结构,遇到此情况,应将两个最外导电层用西导线连接并接地。
5)避免小开口或缝隙,容积大的容腔结构,它易引起腔内不等量带电,甚至空腔内电弧放电,遇到此类结构时,应使用金属板、网或镀金属的包裹层遮挡或封闭开口缝隙。
6)为防止静电充电,对暴露在外空间环境的设备、元部件和材料均应避免使用大于每平方100MΩ的绝缘材料,以防止等离子体充电。
7)无电功能的机械装置或零部件与星体结构间的搭接电阻值应不大于1kΩ。
8)覆盖在碳纤维表板上和结构开口处的多层隔热材料可在内部附加一层铝箔,并搭接在参考点上,以提供对静电放电干扰的附加衰减。
静电放电对星载设备中的微功率、低电平、高集成度、高电磁敏感度的电路和元器件的危害最为严重,最终通过元器件的软硬损伤表现出来。一般说来造成危害的能量耦合方式有传导耦合和辐射耦合两种模式。传导耦合通过公共电源、公共地回路以及信号线之间的近场感应三种耦合通道,从本质上讲,传导耦合是一种互阻抗耦合或互导纳耦合。辐射耦合实际上是传播的电磁波入射到壳体的孔洞上,空洞辐射源被激励,并在壳体内产生电磁场,进入内部的电磁能量进而引入到电磁敏感元器件上,使其受到损伤。一般防护措施涉及抑制静电产生、通过静电接地加快静电泄露、对静电非导体进行抗静电处理等等。
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