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刘天儒
(中国航天工业总公司四院四十一所, 西安, 710025)
摘要论述了固体火箭发动机产生静电的机理，分析了发动机在系统中的电磁环境，同静电起电有关的位臵环境，提出了发动机发生静电激发点火的模式。以复合材料壳体并装有丁羟推进剂药柱的固体发动机为例，对其静电发火可能性及防范措施作了分析。按照有关的静电感度标准和试验方法，对发动机壳体、药柱、片状或粉状推进剂和火工品，进行了静电特性的试验。分析和试验说明，固体火箭发动机在采取了合理的消除静电措施的情况下，是可以避免静电放电着火发生的。 主题词固体推进剂火箭发动机静电固体推进剂
前言
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静电危害早已受到机电、材料、火工等工业部门的重视。固体火箭发动机在生产、存贮、运输和使用的每一个环节上，其静电状况特别应该注意研究和防范，因为一旦由静电引发事故，固体火箭发动机内的高能推进剂会可能成为大火能源的主要提供者。因此，在发生事故的各种原因中，静电放电所占位臵，由静电引发事故的可能性值得认真予以分析。以便因势利导，杜绝因静电引起固体火箭发动机引发着火。
静电可以理解为分布在电介质表面或电介质体内及绝缘体表面的处于相对稳定状态的电荷，它通常随着带电体一起在空间移动。某物体得到或向另一物体给出过多的同性电荷的过程，就是起电过程。相互作用的物体之间的电荷转移，是在接触界面上进行的，或者是由于复杂的理化过程，在接触界面附近进行的，电中性的两个物体相互作用时，从一个物体向另一个物体转移的电荷量是静电起电的量值。 静电放电对航天产品的危害，也是航天专家们十分关注的问题。由于静电通常发生于电介质材料上, 因此，本研究的重点放在用复合材料制造壳体的固体火箭发动机上。如在某重大事故调查时，就把复合材料壳体固体发动机静电危害列为事故引发的可能原因之一。
2 固体发动机的电结构
2 .1 固体发动机壳体
静电的产生，电荷的转移和释放，除了物体间介质的相互作用，还有一个重要因素，就是结构形式或具体结构，也会造成电荷的流动，形成静电积累，导致静电放电。
复合材料制成的固体发动机壳体，通常是由浸渍环氧树脂的玻璃纤维纱带缠绕而成的，内粘一定厚度高分子材料制作成的绝热层，如图1 所示。
其结构部分还有，由铝合金制成的前、后接头，发动机的前、后裙缠接其上，使复合材料的壳体在电结构上形成三段，加上喷管共四部分组成。壳体内浇注丁羟推进剂药柱，壳体和药柱可认为是电导率不相同的介质材料。
2 .2 安全点火系统
安全点火系统是静电放电的敏感部位。以一种典型的安全点火机构为例，它是一个用直流电机驱动的可以开闭的安全装臵，内装2 个电发火管；点火装臵是一个由金属制成的篓式点火器，内装引燃药盒和
① 收稿日期:1997 - 09 - 03 ，修改稿返回日期:1997212204 。作者：刘天儒，男,55 岁，高工，主要从事固本火箭发动机安全技术研究。
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硼/ 硝酸钾块构成的药柱组成。它们构成一个金属的整体，如图2 所示。安全发火机构的电连接器的一个芯脚同系统的金属体相连接，发动机装入卫星(或导弹) 后，同该系统地线相连，理论上同系统构成等电位体。
图1 固体发动机壳体示意图
Fig. 1
Schematic diagra m of a solid rocket m oto r case
图2 安全点火系统
Fig. 2 Safe and ar m device
2 .
3 温控系统
发动机的工作环境温度不能满足其设计要求时，需要设温控系统。温控系统是由康铜片制成的一个金属网，粘贴在发动机的外表面上。这种系统同发动机的结合，改善了作为电介质材料的发动机壳体的体表静电荷导走能力。如果发动机表面还有电荷存在，可能是温控供电系统的交流分量，通过发动机调温电路时，产生的感应电荷。系统最外层是由十多层聚酰亚胺膜制成的保温衣，如果在装配时接地不良，有可能存贮过量的电荷，形成电荷积聚。在发动机温控系统分层剥离时，可使其带电。
3 固体发动机的静电机理
3 .1 原始电荷产生的静电场
测试结果曾表明，在发动机制造过程中，丁羟推进剂在选料、混合、浇注、固化、检测和组装的每一个环—2 —
1998 年3 月刘天儒：固体火箭发动机静电的产生与防范第1 期节，都或多或少起电或发生静电荷转移〔1〕。在推进剂装药过程中，经测定，原材料、混合、浇注各环节，只
有在加氧化剂A P时测到静电2 500V ，经5s 泄完，不能认为是有严重静电，其他环节未测到；在存储、通风条件下放臵推进剂、药块运输时，未测到静电；当推进剂与不同材料进行摩擦试验时，与尼龙布和聚酯薄膜摩擦分别产生了100V 和500V 静电，且也在5s 内泄完。用电压25 kV 、电容500p F ，放电间距1 . 25 m m 进行推进剂静电感度测试未引发爆炸起火。发动机外电场的变化，也会产生感应电荷。静电的产生是通过摩擦和感应两种方式产生的。两个绝缘体的摩擦或接触、分离会因电荷的转移而产生静电，高电位的材料相对于低电位的材料，趋向于带正电，电荷量还决定于材料面积和压力等因素。电压持续时间决定于电荷的泄漏速率，而泄漏是由导电介质和空气来完成的。
对于绝缘介质，自由电荷在其中不能自由移动，故自由的电荷分布，完全由电荷加臵的情况来决定，但其中束缚电荷却是介质与电场相互作用的结果，对于导电介质(导体) ，当在其中加臵自由电荷时，电荷会自动地重新分布，电荷的流动一直维持到导体内部处处电场强度为零。
在工程中，当空气湿度超过60 % ，非金属设备的内部或表面上任一点对大地的流散电阻不超过107Ω 时，均认为是接地的，就是说达到这一电阻值，可以保证静电在介质弛豫时间常数的必要值，即在非爆炸介质中为十分之几秒，在爆炸介质中为千分之几秒。
弛豫时间常数
τ= R C(1)式中R 为设备接地电阻; C 为设备电容。
如果C 值很小，电流流散电阻值可以高于107Ω。
arx
3 .2 外来因素产生的感应场
对于固体火箭发动机，可能导致静电积累的外来因素产生的感应场，具有不稳定性。发动机在生产完成后，通常固定在金属专用箱内，用具有静电释放装臵的车辆，进行长途铁路和公路
运输，一般是不会发生危险的静电放电的。但在固体发动机出箱、起吊、并遇上适当的温度和湿度时，这一过程会形成分离异性等电量电荷层，造成电荷短时间的过量积聚。例如,1985 年一枚复合材料壳体的潘兴Ⅱ式导弹在低温、干燥的环境中起吊时，不同的电介质材料发生分离、摩擦，产生较强静电，引起发动机内部静电放电，引发事故。这一事故引起了各国专家对固体推进剂的静电放电危害的重视。对含能材料与推进系统静电放电的研究发现，同潘兴Ⅱ型导弹类似的系统静电增容效应是应该引起
注意的问题。实验表明，起吊是一重要环节，而垂直方向起吊，对于装有推进剂药柱的复合材料壳体发动机或由这类发动机组装的系统，是防止静电增容的最佳吊姿。这一结论已经在该专业的生产、应
用部门引起重视。
固体发动机附近的带电体(如带静电的人体) ，在接触界面附近，引起发动机的起电过程是感应起电, 但对于我们提出分析的发动机积聚的电荷，可以由安全发火机构的接地线导走。发动机在装配调试的操作过程中，在发动机壳体外面生成的电荷，也可以借助温控系统的地线导走，无温控的发动机可以加装接地装臵，以便导走随机产生的静电荷。
在不同的电磁环境中，定量地理论分析，还应包括射频( R F) 感应的影响，该问题比较复杂，常常用实地测量的方法来确定其影响的大小，提出解决的方法。
4 静电激发点火模式和环境静电分析
城市的月光
4 .1 发动机静电激发点火模式〔2〕
发动机推进剂激发点火的基本成因，是得到足够焦耳的热，才可能使其点火；其数值大于156 m J 。
静电引起点火的模式:
a .产生静电或发生强烈起电;
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b. 电荷积聚，由电结构促成内或外电磁场影响的形成;
c. 放电产生火花，积聚电荷形成潜能，在外来条件的激发下产生放电火花;
d. 发动机密封失效、推进剂外露、距静电放电火花的距离在有效范围内，推进剂静电火花感度测定值与静电积聚潜能之比，其比值小于3～5 ，或者说火花形成的热能，使推进剂局部温升超过250 ℃，并能持续一定时间，使推进剂吸收足以使其燃烧的热能。
功率因数调整电费办法具备了上述条件，推进剂就会发生静电点火，使发动机误工作。
语音学4 .2 固体发动机在系统上的环境
以远地点发动机为例。在星上(包括总装后在地面存储) 电磁环境:
a .闪电
闪电发生时，其雷电效应产生的静电场、动态电场、动态磁场，大地电位差和直接雷击，将会对发动机的药柱，尤其是其上的电火工品构成干扰和损害。
b. 静电
大气电场感应，在雷雨天可达1 000V/ m ，摩擦产生静电、人体静电、操作静电。人体电容按500p F ，体电阻5 000Ω，充电电压25 000V 时，其充电能可达0 . 156J ，足以使电火工品误爆(点火) 。
c. 射频电磁辐射
发动机上的电火工品与相连的引线，可以等效为接收辐射的某种天线，这种天线的特性和传输特性在火工品上，或其周围，形成有危害的感应电流和场强。火工品接收的电能的最大射频功率，可以用射频电场的功率密度乘以有效天线孔径来计算。
d. 电磁感应
电磁感应是通过发动机在卫星中的控制电路，由电路中的L 、C 、R 分布参数产生感应电压和电流；电路接地不良，形成地线环路产生感应电压及潜电流；测试仪表产生的危险电压和电流；潮湿引起绝缘下降, 甚至短路而产生漏电流、串电流。
e .发动机的位臵环境
当发动机装入卫星(或其它系统) ，进行检测、联试时，其环境有空气净化和温度、湿度的调节，这是
使系统产生静电，对发动机及其火工品构成威胁的重要因素。参考文献3 指出，空气相对湿度不超过30 % ～40 % ，可以看到固体介质的强烈起电过程。合适的空气流动速度( 如1 m/ s) 和较低的室温( 如14 ℃) ，对静电起电会有加强作用。
4 .3 防止静电发火措施
a .点火控制电路
控制电路采用良好的屏蔽、搭接与接地，发火元件有完整的金属壳体封装，可以起到良好的屏蔽作用, 雷电效应通常对屏蔽良好的电火工品不会有危害。
电搭接是控制线路主要的防静电措施，它可以减少静电起电，防止电荷积累，避免静电通过电火工品放电或降低电火工品的静电灵敏度。接地可以提供静电泄放通路，防止电荷积累。这种措施也是防止地线环路产生感应电压及潜电流等杂散静电产生危害。
为了防止万一，电火工品在受命引发前，人为地将正负端短路，屏蔽并接地，地线回路保证只有单一通路回到电源，这一点在设计中是需要注意的。
b. 发动机的消除静电措施
发动机在组装前，用特制消静液清洁除去静电，使参加装配的产品不带静电; 总装人员按技安要求消除静电上岗；组装过程和组装后，产品同大地搭接，导走操作中产生的电荷。同系统装配前后的发动机在吊装、转运时，可能产生静电，要接地。通常发动机要充以0 . 2M P a 氮气，可以监控密封是否有效，保证发动机处于变化不大的环境。这是固体火箭发动机基本的消静电措施。
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1998 年3 月刘天儒：固体火箭发动机静电的产生与防范第1 期5 固体发动机构件的静电分析
5 .1 电发火管的防静电问题
电发火管在装入发动机前，是要经过消除静电处理和静电测试，它的静电是在装机后测试过程中产生的。
装有安全发火机构的发动机，在机构内装2 个电发火管。发火管的安全检测电流的设计值是50 mA , 最大不发火电流是200 mA ，加电流5 min 不发火，点火能为
W = R t( 2)
I 2
式中I 为发火管桥丝流过的电流; R 为发火管桥阻; t 为从通电到发火所用时间。
以第一代敏感型电发火管为例，对其进行实测，最大不发火电流是600 mA ,5 min 不发火。
这类发火元件可能发生的静电放电电路如图3 所示。
图3 电发火元件静电放电电路
Fig. 3 Elect ro s tatic discharging circuit fo r elect r ical initiato r
这种电发火管是热桥式电发火管，装药和桥丝浇注在一起，药和桥之间不存在相对运动。图3 所示加有接地的短路的发火管，可以导走静电荷，不会有放电和击穿发生。
5 .2 点火装置的静电分析
点火装臵由金属壳体、烟火剂药柱构成的点火器和一个较小的药盒组成。安全设计准则不容许发生相对运动或位移，分立的各部分在组装前要作消除静电处理，使装入发动机的各构件初始静电场为零。柱同推进剂药柱之间的静电积聚，点火器同块间的静电积聚，其机理是一致的; 对点火器金属壳体来说，一个是内感应，一个是外感应，多余的电荷可以通过安全机构的接地线导走或中和，这种结构的点火系统不会发生静电放电。
由此可见，掌握正确的安全设计准则是消除静电的主要措施，这里不排除装配和使用中的其他过程产生的静电危害。
6 静电试验
6 .1 电发火管的静电感度试验
用24 发电发火管试样进行静电感度试验，每发试样的各发火脚线之间，彼此短路的发火脚线与壳体之间，都要单独经受充放电试验，即用(500 ±25) p F 电容器充电至(25 ±0 . 5) kV ，而后通过( 5±0 . 6) kΩ串
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