Меры снижения статической электризации

В статье раскрывается проблема статическою электричества на современных вертолетах и приводятся рекомендации по снижению уровня помех РЭО, вызываемых электростатическими разрядами. Усложнение бортового оборудования, использование электронных изделий,чувствительных к электромагнитным помехам (микросхемы, слаботочные микросборки и др.), а также широкое применение в конструкции современных вертолетов композиционных материалов требует специальных мер по защите от статического электричества.

Характерным проявлением вредного воздействия статического электричества при эксплуатации являются щелчки, шумы в наушниках, восстанавливаемые сбои в работе бортовых ЭВМ и другого оборудования, о которых свидетельствуют замечания летного состава. Причиной сильных помех радиоприему являются электростатические разряды. Для летательных аппаратов характерны два вида электростатических зарядов:

• заряды, находящиеся на металлической поверхности и создающие разность потенциалов между поверхностью и окружающей воздушной средой;

• заряды, образующиеся, находящиеся и взаимодействующие на изолированной поверхности (остекление, обтекатели антенн, лопасти винта из композиционных материалов н т.п.). В этом случае довольно большая разность потенциалов может возникнуть не только между поверхностями и окружающим воздухом, но и между двумя, даже очень близкими точками поверхности.

Процессы возникновения и удаления электростатических зарядов на ЛA достаточно хорошо изучены. Если электрически нейтральная частица коснется поверхности вертолета и отскочит от нее, она отлетит, зарядившись, а вертолет приобретет заряд противоположного знака. Значения возникших зарядов определяются характеристиками поверхностей частицы и обшивки. Чем больше разность значений работы выхода элементарных носителей заряда (электронов, ионов) в соударяющихся телах, тем больше заряды, возникающие на них после отрыва частицы от вертолета. Ток заряжения возрастает пропорционально третьей степени воздушной скорости, поэтому для вертолета принято считать.

что основным источником заряда является турбореактивный двигатель. Процесс связан с различием подвижности положительных и отрицательных носителей в ионизированных выхлопных газах. Если из выхлопной трубы двигателя вытекают частички несгоревшего топлива и контактная разность потенциалов с выхлопной трубы равна Еk, то заряд Q, который мог бы приобрести вертолет за счет указанного процесса, определяется формулой:

Q=k n_t S_t V_t E_k C_kt t ,

где k – константа, определяемая типом и режимом работы двигателя; n_t – концентрация выбрасываемых частиц; S_t – сечение сопла; V_t – скорость выброса частиц; С_kt – емкость между частицами и трубой выхлопа в момент отрыва частиц; t время.

В формуле нет ограничения заряда. Это связано с тем, что частицы вытекают как бы из фарадеевской клетки, в которой из-за отсутствия ноля внутри нее отсутствует коллекторный эффект.

Заряд вертолета всегда отрицательный и изменяется в зависимости от высоты полета и режима работы его двигателей.

Если покрытие стоянки обладает хорошими изоляционными свойствами, то после запуска двигателей возникает разность потенциалов в несколько киловольт и более. Техник, наблюдающий за запуском двигателей и находящийся на сыром грунте, через шлемофон. подключаемый к бортовому переговорному устройству, может получить ощутимый электростатический разряд, если вертолет не имеет надежного заземления на стоянке.

Эксперименты, проводимые на винтокрылом аппарате «Си Кинг», показали, что вертолет, зависший на высоте 18-20 м, будет иметь элсктростатнческий потенциал около 2 MB. Время заряда вертолета, емкость которого 550 пФ, составило 27 с. Ток заряда достигал 10 мкА.

Другим важным фактором заряжения вертолета является улавливание ранее существующих зарядов (индукционная зарядка). Облака могут иметь положительный или отрицательный заряд. Вертолет в полете пересекает зоны положительных зарядов, зоны отрицательных зарядов, зоны чередующихся зарядов и смешанные зоны. Эти заряды велики и могут переноситься на летательный аппарат почти целиком. Таким образом, вертолет может быть заряжен положительно или отрицательно по отношению к окружающему воздуху и находиться иод высоким напряжением (рис.1).

Кроме того, существует влияние внешних электрических полей. В незаряженной, не имеющей электрического поля атмосфере между проводящим телом и атмосферой обязательно возникает разность потенциалов. Заряд бывает значительным но величине и может являться основной причиной наиболее опасных происшествий при проведении спасательных работ с помощью бортовой лебедки.

Во всех описанных выше случаях потенциал JIA растет скачкообразно. Эти скачки являются причиной фонового шума в бортовой радиоприцельной аппаратуре. Чем выше электростатический заряд, тем выше фоновый шум, который в большинстве своем является «белым шумом».

Токи заряда повышают электростатический потенциал вертолета по отношению к окружающей среде; значение же электрической емкости остается приблизительно неизменным в процессе выполнения полета. Поскольку величина такого потенциала не может возрастать до бесконечности, появляется феномен электрического пробоя, и связанные с ним разряды вызывают возникновение электромагнитных возмущений (радиопомех). Радиопомехи в этом случае несоизмеримо больше, чем при заряде, так как сопровождаются большими токами и даже свечением. Разряды разделяются на два типа.

1. Разряды между летательным аппаратом и атмосферой. В некоторых случаях локальная напряженность электрического поля на поверхности летательного аппарата оказывается настолько высокой, что может вызывать электрические пробои. Происходит частичный разряд, и появляется ток, который стекает с J1A в атмосферу, что, в свою очередь, приводит к изменению самого заряда и потенциала вертолета. Подобный разряд, особенно для элементов конструкции с малым радиусом кривизны, часто сопровождается свечением (коронный разряд). Коронный разряд имеет характерную форму импульса Три шел я. Частотный спектр, полученный в результате анализа этого импульса методом Фурье, показывает, что коронный разряд создает помехи главным образом на низкочастотные (до 100 кГц) системы. На системах с частотой 1 – 100МГц помехи будут на порядок ниже, а для систем с очень высокой частотой (более 1 ГГц) они [фактически отсутствуют.

2. Разряды между отдельными элементами конструкции летательного аппарата. Ввиду того что конструкция вертолета не является эквипотенциальной поверхностью, заряд на поверхности обшивки располагается неравномерно. Такая неравномерность приводит к появлению сетевого разряда между элементами конструкции, который сопровождается искреннем между проводниками. Над изоляционными поверхностями он проявляется в виде линий тока между отдельными точками. Кроме того, при заряжении непроводящих участков поверхности (обтекателей антенн, остекления кабины, элементов конструкции из композиционных материалов и т.п.) накапливаемый на них электростатический заряд не может быстро стекать в окружающую атмосферу, и даже малые токи заряжения в этих условиях приводят к накоплению на диэлектрике большого заряда. При этом начинает возрастать разность потенциалов между данным участком и окружающими его металлическими частями фюзеляжа до тех пор, пока не возникнет пробой близлежащих слоев воздуха. Помехи электронному оборудованию летательного аппарата при разрядах между отдельными элементами конструкции наводятся в диапазоне частот 10 кГц – 400 МГц.

Защитой бортового оборудования от воздействия возмущений электростатического происхождения являются:

– антистатические покрытия диэлектрических поверхностей вертолета (токопроводящие эмалевые или лаковые покрытия элементов конструкции из композиционных материалов, металлическое напыление на остекление);

– металлизация элементов конструкции вертолета;

– пассивные электростатические разрядники, размещение которых должно быть тщательно спроектировано с целыо максимального удаления от антенн;

– применение полимерных антистатиков композиционных материалов со стальными волокнами диаметром 2-20 мкм при длине волокон от 3 мм и более. Высокая эффективность применения антистатиков объясняется повышением напряженности электростатического поля у поверхности волокон вследствие их малых размеров, что приводит к образованию коронных разрядов уже при достаточно малых потенциалах;

– применение радиопоглощающих композитов на основе мелкодисперсных порошков карбонильного железа, окиси магния, алюминия, графита и эпоксидной смолы. Для улучшения радиопоглощения (расширения диапазона частот эффективного радиопоглощения) применяется чередование слоев полимерных покрытии (до 20 слоев).

Благодаря своей конструкции и невысокой скорости полета, вертолет получает меньший заряд, чем самолет или ракета, поэтому на нем применяется меньше устройств защиты от статического электричества для устранения помех электронному оборудованию и вредного воздействия на экипаж. При этом зачастую даже не применяют пассивные разрядники и специальные устройства обеспечения устойчивого электрического соединения дверей и люков с корпусом вертолета.

Интерес к проблеме статического заряда вертолета возродился в связи с использованием его в качестве спасателя. Были отмечены случаи, когда член экипажа, опускаемый на тросе с помощью бортовой лебедки, подвергался поражению электрическим током. Основным источником заряда являлся, как было принято считать, двигатель, т.к. вертолет находился в «зависшем» состоянии. В ходе экспериментов на вертолете «Си Кинг» было доказано, что для уменьшения электризации за счет двигателя и умеренных атмосферных осадков достаточно установки пассивных статических разрядников на концах лопастей основного несущего винта. В то же время эта мера не является достаточной при накоплении зарядов за счет окружающего электрическою поля высокой напряженности, что имело место даже в идеальных метеорологических условиях. Поэтому при проведении спасательных работ на воде трос опускается за 10 – 15 м от объекта для выравнивания потенциала вертолета и водной поверхности, и лишь затем начинается спасательная операция.

Применяемые устройства защиты тина «зарядосъемники» и «заземление» выполняют роль отвода статического электричества с корпуса вертолета только в момент касания ВПП при посадке и при стоянке на земле. Электрические фильтры и специальные элементы, снижающие уровни помех, входят непосредственно в комплекс оборудования. На вертолете, как правило, не применяются пассивные разрядники статического электричества, шины и тросы молниезащиты. Имеющиеся триммеры лопастей несущих винтов в силу своей конструкции (острая кромка) отводят накапливаемые электростатические заряды в атмосферу, но они менее эффективны по отношению к современным пассивным разрядникам статического электричества. Широкое использование в конструкции вертолета композиционных материалов (в несущих винтах, обтекателях, лючках и т.п.) не гарантирует равномерного распределения зарядов по поверхности объекта без применения специальных конструктивных устройств и средств (антистатических покрытий и т.п.).

Следовательно, отсутствие ряда технических устройств защиты на вертолете понижает уровень защищенности бортового радио- и навигационного оборудования от электромагнитных помех и статического электричества.

Для снижения воздействия электростатических разрядов на РЭО и экипаж целесообразно провести сертификацию вертолета, а в эксплуатации поддерживать исправность технических устройств защиты от статического электричества (зарядосъемники, заземление, разрядники, антистатики, металлизация и др.).

к.т.н. Е.И. Серебряков