1 引言

飞机与大气中的水滴、雨雪、冰晶、砂尘等粒子的冲击摩擦，引起电荷从粒子中分离出来转移到飞机上，产生沉积静电。在典型的云层中飞行，沉积静电充电足以使飞机表面的静电电位在1秒时间内达到几十万伏。沉积电荷在飞机表面累积到一定程度，引起飞机尖端部位空气击穿，发生静电放电，在很宽的频率范围内对导航、通讯等系统造成干扰，严重时会造成机毁人亡。不论是民航客机还是军用战斗机，在空中飞行时，都会产生沉积静电。通常在飞机后机身，水平尾翼、垂直尾翼的翼尖及其后缘等静电荷最易累积的部位安装足够数量的静电放电刷，对飞机进行静电防护。

静电放电刷为飞机上一种重要的静电放电装置。根据电阻大小，静电放电刷可分为低阻放电刷和高阻静电放电刷。低阻放电刷为传统的金属放电刷，适用于全金属飞机。高阻静电放电刷为复合材料放电刷，电阻为6~200MΩ，适用于所有飞机。随着复合材料在飞机设计中使用的比例越来越高，系统集成度越来越高，飞机静电防护变得越来越复杂，低阻静电放电刷已经不能满足新型飞机的需求，新型飞机基本都采用高阻静电放电刷。目前飞机上所用的高阻静电放电刷基本都采用H.R Smith公司和Dayton Granger公司的产品。高阻静电放电刷具有重量轻、体积小、放电效果好等优势。对于大型飞机，例如空客A380，在飞机固定机翼后缘、副翼后缘、水平安定面末梢、垂直安定面翼尖、翼尖导流片、升降舵后缘、升降舵尖端、方向舵末梢、整流罩等位置都需要安装高阻静电放电刷，安装数量为40个以上。对于小型飞机，在每个机翼和尾翼上至少需要安装1个高阻静电放电刷。

本论文基于MIL-DTL-9129G-2014  General Specification for Electrostatic Discharger标准，开展静电放电刷的放电电流试验和连续放电试验。放电电流和连续放电试验结果是衡量静电放电刷放电能力的重要指标，直接影响静电放电刷的产品性能。

2  试验布置及方法

静电放电刷试验配置图见图1所示[1]。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）上安装有静电放电刷，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。试验件为西安爱邦公司的ABSD-R-Tr01静电放电刷和ABSD-C-Tr01静电放电刷产品，分别见图2、图3。ABSD-R-Tr01静电放电刷为柔性、高阻静电放电刷，电阻为10.0MΩ。ABSD-C-Tr01静电放电刷为刚性、高阻静电放电刷，电阻为23.1MΩ。

试验环境条件为：温度19℃~21℃，湿度55%~60%。试验时，高压电源为静电放电刷提供直流电压，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，当静电放电刷的偏置电压大于阈值电压时，静电放电刷发生电晕放电。

       图1          试验配置图

Fig.1 Test configuration diagram

       图2          柔性静电放电刷照片

Fig.2 The picture of the flexible electrostatic discharger

图3          刚性静电放电刷照片

Fig.3 The picture of the rigid electrostatic discharger

3  试验结果与讨论

3.1  放电电流试验结果

放电电流试验照片见图4，静电放电刷的放电端头与接地平板的距离为152mm。柔性静电放电刷电晕放电照片见图5。柔性静电放电刷放电电流试验结果见表1。

图4          放电电流试验照片

Fig.4 Diagram of discharge current test

图5          柔性静电放电刷电晕放电照片

Fig.5 The picture of corona discharge for the flexible electrostatic discharger

表1    柔性静电放电刷放电电流试验结果

3.2  连续放电试验结果

连续放电试验与放电电流试验的试验配置相同，但是需要减小图1所示的静电放电刷放电端头与接地平板的距离，同时增加高压电源的输出电压，使得放电电流达到50μA及以上。试验时，静电放电刷的放电端头与接地平板的距离为90mm，高压电源输出电压为41.1kV~41.2kV，静电放电刷的放电电流为50μA~58μA，放电时间为25小时。试验前、试验后静电放电刷的电阻如图6所示，试验前电阻为10.0MΩ，试验后电阻为9.8MΩ，静电放电刷的电阻在试验前、后变化较小，并且外观完好、没有任何损坏。

（a）试验前

（a）before the test

（b）试验后

（b）after the test

图6          柔性静电放电刷电阻测量

Fig.6 The picture of resistance test for the flexible electrostatic discharger

3.3 分析与讨论

如图1所示的试验配置为典型的针-板结构，静电放电刷电晕放电产生的放电电流呈现出周期性的脉冲形式[8-10]。试验初始阶段，高压电源的输出电压较小，两极间的电压远小于电晕放电阈值电压VT，极间任何部分的场强均未超过空气的击穿场强，不会产生显著的空气电离现象。但是两极间却有一定的电流流过，且电流值随外加电压的升高而增加，最终达到饱和值，饱和电流的量级为10-14A。当极间电压等于电晕放电阈值电压VT时，尖端附近的场强开始超过空气的击穿场强，在尖端附近形成了电子雪崩，极间电流迅速增大。但是这一过程仅在尖端附近才能维持，而极间其它地方由于场强较小不能维持。随着高压电源的输出电压不断增加，放电电流由饱和电流10-14A突然增加到10-6A左右，静电放电刷形成电晕放电。在空气被电离的同时，也会产生空气分子或原子的激发，处于激发态的分子或原子回到基态时会放出光，因此，在产生电晕放电时，尖端附近有时可以看到淡蓝色的光晕，如图5所示。

图7放电电流试验结果可得，随着静电放电刷的偏置电压不断增加，其静电放电刷的放电电流指数式上升。柔性静电放电刷的阈值电压为23kV，当偏置电压为40kV时，静电放电刷的放电电流为25μA。刚性静电放电刷的阈值电压为26.4kV，当偏置电压为40kV时，静电放电刷的放电电流为18μA。图8、图9连续放电试验结果可得，静电放电刷可在不小于50μA放电电流下连续工作25h。柔性静电放电刷的偏置电压为41.1kV~41.2kV，静电放电刷的放电电流为50μA~58μA，放电时间为25小时。刚性静电放电刷的偏置电压为51.6kV~51.7kV，静电放电刷的放电电流为50μA~55μA，放电时间为25小时。

综上所述，柔性静电放电刷的关键放电特性可达到目前常用刚性静电放电刷的相当水平。柔性静电放电刷和刚性静电放电刷的放电电流满足MIL-DTL 9129G规定的偏置电压为40kV时静电放电刷的放电电流不小于10μA的要求，以及连续放电特性满足MIL-DTL 9129G规定的放电电流不小于50μA，放电时间不小于24h的连续放电要求。

图7          放电电流试验结果

Fig7 The discharge current test results

图8          柔性静电放电刷连续放电试验结果

Fig.8 The continuous discharge test results for the flexible electrostatic discharger

图9          刚性静电放电刷连续放电试验结果

Fig.9 The continuous discharge test results for the rigid electrostatic discharger

4 总结

通过对典型静电放电刷产品的放电电流和连续放电进行试验研究，可得到其关键放电特性满足MIL-DTL 9129G的要求，柔性静电放电刷的放电特性可达到目前常用刚性静电放电刷的相当水平。该柔性静电放电刷不仅放电效果好，还具有较强抗振动能力，可应用在飞机上易积累静电荷、机械振动较强的部位。