摘要

       本文采用针-板结构静电放电测试系统，对不同结构金属杆进行静电放电试验研究。测试了不同几何结构金属杆以及金属杆在不同伸出长度下的阈值电压、放电电流。通过对金属杆静电放电试验结果进行对比分析，得出金属杆横截面为菱形的结构设计比圆形更有利于静电放电，金属杆伸出结构后缘长度越长越有利于静电放电。本研究结果可为静电放电刷结构设计和安装设计奠定基础。

1.引言

      飞机在一定的高度飞行时，会遭遇空间粒子（雪片、雨滴、尘埃、冰晶和砂粒等）的连续碰撞，引起电荷从粒子中分离出来转移到飞机上，产生静电电荷，称为沉积静电。当沉积电荷在飞行器表面累积到一定程度，就会在飞机表面的尖端或突起处发生沉积静电放电。飞机的沉积静电放电可能会干扰飞机的通讯导航、监视无线电，导致雷达罩和座舱风挡的损坏。通常在飞机上安装足够数量的静电放电刷，以泄放飞机表面沉积静电。由于静电放电刷的电晕阈值低于飞机结构，静电放电刷的电晕电流在较低的飞机电位下启动，并且该电晕电流远小于飞机自然产生的电晕电流，且射频辐射强度降低。 

       电晕放电是常见的一种静电放电放电方式，发生在极不均匀的电场中，空气被局部电离。早在1938年，特里切尔（Trichel）试验过程中发现了负电晕放电电流为周期性的脉冲波。从此，掀起了电晕放电研究热潮。国内外学者研究了低气压下针-板结构模型的电晕放电特性，试验得到不同气压下的阈值电压、放电电流。研究了针-板结构模型的电晕放电电磁脉冲辐射特性，采用试验验证和仿真计算的方式得到了电磁脉冲的上升时间、脉冲幅值、脉冲频率等。

       静电放电刷安装在飞机蒙皮上后，外露在飞机结构后缘。飞机表面的沉积静电极易在机翼和尾翼的尖端部位聚集，当电荷积累到一定程度，通过静电放电刷释放。为了研究静电放电刷的几何结构和伸出长度对飞机静电放电的影响，本论文基于标准MIL-DTL-9129G-2014 General Specification for Electrostatic Discharger规定的静电放电刷放电电流测试方法，利用针-板结构静电放电试验系统，开展不同结构金属杆以及不同伸出长度金属杆的静电放电试验。

2.试验布置及方法

       试验配置图见图1所示。图1有2块铝板，其中一块铝板与地面水平放置，另一块铝板与地面垂直放置，尺寸分别为1829mm×1219mm和1219mm×914mm。与地面相垂直的铝板（模拟飞机机翼）上安装有金属杆，水平放置的铝板应接地。高压电源的输出端直接与铝板相连，高压电源的地线与接地平板之间串联有直流微安表。高压电源的额定电压为100kV，功率为300w。微安表的额定电流为3mA，精度为1μA。试验环境条件为：温度19℃~21℃，湿度55%~60%。试验时，高压电源为金属杆提供直流电压，随着高压电源的输出电压不断上升，铝板的电势也相应地增加，铝板边缘不断积累静电荷，当金属杆的偏置电压大于阈值电压时，金属杆发生电晕放电。

       试验件为4个不同结构的金属杆，分别为菱形杆、菱形渐变杆、圆形杆、圆形渐变杆，选用的材料均为GH4169，见图2，详见表1。其中，菱形杆为等横截面积设计，横截面为菱形，短对角边长度5mm；菱形渐变杆为变横截面积设计，横截面为菱形，一端短对角边长度5mm，另一端短对角边长度2mm，菱形最大角度130°；圆形杆为等横截面积设计，横截面为圆形，直径5mm；圆形渐变杆为变横截面积设计，一端直径5mm，另一端直径2mm。

图1 试验配置图

图2 试验件照片

表1 试验件信息

3.试验结果与讨论

3.1 不同结构金属杆静电放电试验结果

       金属杆静电放电试验照片见图3，金属杆的放电端头与接地平板的距离为152mm。分别对菱形杆、菱形渐变杆、圆形杆、圆形渐变杆进行静电放电测试。金属杆在伸出铝板后缘60mm的情况下，静电放电电流试验结果见表2。

试验结果可得：

1)菱形渐变杆的阈值电压稍小于菱形杆的阈值电压。菱形渐变杆的阈值电压为19.4kV，菱形杆的阈值电压为19.6kV；

2)圆形渐变杆的阈值电压远小于圆形杆的阈值电压。圆形渐变杆的阈值电压为22.8kV，圆形杆的阈值电压为31.5kV；

3)在相同试验条件下，横截面为菱形结构设计的金属杆的阈值电压小于圆形结构金属杆；

4)在一定偏置电压下，菱形杆和菱形渐变杆的静电放电电流大小基本相同；

5)在偏置电压小于35kV时，圆形杆的静电放电电流小于圆形渐变杆；在偏置电压大于35kV时，圆形杆和圆形渐变杆的静电放电电流大小基本相同；

6)在一定偏置电压下，横截面为菱形结构设计的金属杆的静电放电电流大于圆形结构金属杆。

图3 金属杆静电放电试验照片

表2 不同结构金属杆静电放电试验结果

3.2 不同伸出长度金属杆静电放电试验结果

       金属杆静电放电试验照片见图3。分别对不同伸出长度的菱形渐变杆和圆形渐变杆进行静电放电测试。菱形渐变杆在伸出铝板后缘60mm、50mm、40mm、30mm、20mm情况下的静电放电试验结果见表3。圆形渐变杆在伸出铝板后缘60mm、50mm、40mm、30mm、20mm情况下的静电放电试验结果见表4。

试验结果可得：

1)对于横截面为菱形结构设计的金属杆，为了满足在输出电压为40kV时静电放电电流可满足不小于10μA的要求，其金属杆伸出长度应不小于20mm；

2)对于横截面为圆形结构设计的金属杆，为了满足在输出电压为40kV时静电放电电流可满足不小于10μA的要求，其金属杆伸出长度应不小于40mm；

3)在相同试验条件下，金属杆的伸出长度越长，阈值电压越小；

4)在一定输出电压下，金属杆的伸出长度越长，放电电流越大。

表3菱形渐变杆在不同伸出长度下静电放电试验结果

表4圆形渐变杆在不同伸出长度下静电放电电流试验结果

3.3 分析与讨论

      图4可得，金属杆静电放电与放电端头曲率半径大小有关，放电端头曲率半径越小越有利于静电放电。菱形渐变杆和菱形杆在放电端头处最小曲率半径接近，从而阈值电压和放电电流基本吻合。圆形渐变杆和圆形杆在放电端头处曲率半径从1mm变为2.5mm时，其阈值电压变大。当极间电压等于静电放电阈值电压VT时，在尖端附近形成了电子雪崩，当输出电压足够大，极间电流迅速增大，圆形渐变杆和圆形杆的放电电流趋于一致。

       图5和图6可得，金属杆静电放电与金属杆伸出长度有关，金属杆伸出长度越长越有利于静电放电。电晕放电是在非均匀电场下的局部放电，属于自持放电[2]。金属杆伸出试验铝板越长，越容易在放电端头形成很高的局部电场，从而发生电晕放电。

       综上所述，金属杆的几何形状以及突出程度对静电放电起非常重要的作用。根据MIL-DTL-9129G的规定，在偏置电压为40kV时，静电放电刷的放电电流不小于10μA。因此，低阻型金属静电放电刷结构设计时，应确保放电端头的曲率半径足够小，以保证静电放电刷具有较低的阈值电压。对于横截面菱形结构设计的静电放电刷，应确保安装在飞机上后突出结构后缘至少20mm；对于横截面圆形结构设计的静电放电刷，应确保安装在飞机上后突出结构后缘至少40mm。

图4 不同结构金属杆放电电流试验结果

图5 菱形渐变杆在不同伸出长度下的放电电流试验结果

图6 圆形渐变杆在不同伸出长度下的放电电流试验结果

4.总结

      通过对不同结构金属杆放电电流进行试验研究，可得金属杆的几何形状以及突出程度对静电放电起非常重要的作用。金属杆放电端头曲率半径越小越有利于静电放电，金属杆伸出长度越长越有利于静电放电。可参考本试验结果进行静电放电刷结构设计和安装设计。

作者：郝娜娜   熊秀