高速飛行時(shí)，飛機(jī)(如飛機(jī)、火箭等)的表面。)會(huì)與空氣中的灰塵、冰晶、雨滴等顆粒碰撞沉積靜電，會(huì)使飛機(jī)表面的靜電勢(shì)高達(dá)100~300 kV[-]。當(dāng)沉積的靜電電位超過(guò)擊穿閾值時(shí)，會(huì)發(fā)生電暈放電，對(duì)電子設(shè)備造成損壞。此外，放電電磁脈沖在射頻范圍內(nèi)，會(huì)干擾飛機(jī)的通信導(dǎo)航系統(tǒng)，嚴(yán)重影響飛機(jī)的運(yùn)行安全。
飛機(jī)的工作環(huán)境一般為高空大氣環(huán)境，與地面大氣環(huán)境不同。高空大氣環(huán)境的特點(diǎn)是低壓低溫[]。低氣壓環(huán)境會(huì)對(duì)電暈起始電壓、放電電流波形、上升沿時(shí)間和放電頻率等電暈放電特性產(chǎn)生顯著影響。
由于影響電暈放電特性的因素多，不確定性大，很難通過(guò)仿真來(lái)研究放電特性。然而，在高海拔環(huán)境中開(kāi)展相關(guān)研究是困難的、昂貴的和長(zhǎng)期的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用人工氣候室，以高壓電氣設(shè)備[-]和高壓輸電線路[-]為主要研究對(duì)象，研究了針板、棒板和線板等電極結(jié)構(gòu)模型在高原低壓環(huán)境下的電暈放電特性，給出了電暈放電的起暈電壓、平均放電量、放電面積等電暈放電特性。隨著氣壓的變化，模擬放電電流[-]通過(guò)模擬計(jì)算得到。但目前人工氣候室模擬海拔> 10公里的高空大氣環(huán)境難度較大，相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[5]指出，海拔10~20公里范圍內(nèi)的高海拔環(huán)境對(duì)應(yīng)的大氣壓力約為27~4 kPa，遠(yuǎn)小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。因此，有必要進(jìn)一步研究高空低壓環(huán)境下的電暈放電特性。基于上述問(wèn)題，本文搭建了高空低氣壓DC電暈放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中進(jìn)行了低氣壓環(huán)境下針板電暈放電試驗(yàn)，并結(jié)合氣體放電理論研究了氣壓變化對(duì)電暈起始電壓、放電特里謝脈沖波形、脈沖重復(fù)頻率等特性的影響。
為了研究低壓環(huán)境下的電暈放電特性，本文搭建了高空低壓環(huán)境下的電暈放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其中R0為限流電阻，以100ω為試驗(yàn)電阻，100ω為試驗(yàn)電阻。
試裝置主要由三部分組成，即密閉氣罐、電暈放電裝置和檢測(cè)電路。
1)密閉氣罐直徑0.6 m，高度0.6 m，有機(jī)玻璃窗口可用于觀察電暈放電試驗(yàn)現(xiàn)象。低壓環(huán)境由泵速為30的機(jī)械泵和泵速為1 200的濺射離子泵實(shí)現(xiàn)。罐中的氣體壓力可以實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2)電暈放電裝置采用鋁制針板電極結(jié)構(gòu)，板徑10 cm，針板間距可在0 ~ 30 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)..
3)靜電高壓源可輸出正負(fù)極性高壓，輸出范圍0~100 kV。靜電高壓源的輸出電壓由動(dòng)態(tài)電位測(cè)試儀監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)，放電時(shí)域波形由示波器采集。
測(cè)試環(huán)境溫度為-16℃，相對(duì)濕度為26%。在其他環(huán)境因素不變的基礎(chǔ)上，只考慮氣壓對(duì)電暈放電特性的影響。罐內(nèi)氣壓分別抽至30、20、10、5、1 kPa，靜電高壓源輸出電壓以0.1 kV的步長(zhǎng)逐漸調(diào)整，直至發(fā)生電暈放電。用動(dòng)態(tài)電位儀、示波器和電流表采集電暈起始電壓、放電電流波形和電流脈沖重復(fù)頻率等測(cè)試數(shù)據(jù)。在每個(gè)氣壓下，收集30組放電測(cè)試數(shù)據(jù)。為了防止每次放電測(cè)試影響下一次放電的測(cè)試環(huán)境，兩次放電測(cè)試之間的間隔為5分鐘。
判斷起暈電壓[-]的方法有很多，如傳統(tǒng)的目測(cè)法，即在黑暗環(huán)境下，逐漸調(diào)整電壓，觀察針尖是否有穩(wěn)定的起暈點(diǎn)。如果發(fā)生，則認(rèn)為針板已經(jīng)開(kāi)始電暈放電，這個(gè)電壓是目測(cè)得到的電暈開(kāi)始電壓。但是這種方法的測(cè)試結(jié)果受到觀測(cè)距離、角度和觀測(cè)者自身差異的影響，因此逐漸被淘汰。目前廣泛應(yīng)用的有電流脈沖法、電流系數(shù)法和I-U曲線擬合法[-]。本文采用方便實(shí)用的I-U曲線擬合方法來(lái)判斷針板電暈放電的起暈電壓。
I-U曲線擬合法是由S. A .塞博于1982年提出的，即在I-U曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后作切線，交點(diǎn)橫坐標(biāo)為電暈起始電壓\ ({{ u} _ {0} \)。以30 kPa電暈放電為例，用I-U曲線擬合方法判斷電暈起始電壓。
基于該方法，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同氣壓下電暈放電的起暈電壓。
正負(fù)電暈放電的起暈電壓隨著氣壓的降而線性降。
影響方程的因素主要有:電暈區(qū)邊界到針尖的距離(X)，光子吸收系數(shù)(μ)和有效電離系數(shù)(α-η)。在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，有效電離系數(shù)隨著氣壓的降而增大，當(dāng)電壓達(dá)到電暈起始電壓時(shí)，電暈區(qū)邊界到針尖的距離(X)增大。結(jié)果表明，初暈隨氣壓的降而減小。
對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同氣壓下的正電暈放電特里謝脈沖波形。
放電特里謝脈沖波形是脈沖形狀。放電開(kāi)始時(shí)，電流呈指數(shù)上升，達(dá)到峰值后逐漸下降，并保持在低值。
本文選取上升沿、峰值電流和脈沖持續(xù)時(shí)間三個(gè)特征參數(shù)來(lái)研究氣壓對(duì)特里謝脈沖波形的影響。對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同氣壓下電流脈沖的特征參數(shù)。
隨著氣壓的降，脈沖上升時(shí)間和電流峰值增加，而脈沖持續(xù)時(shí)間基本不變，約為600 ns。
一般認(rèn)為電暈電流脈沖的上升沿是從電子坍縮到氣體擊穿的時(shí)間[-]。當(dāng)氣壓降時(shí)，空氣中氣體分子的密度會(huì)降，電子與氣體分子的碰撞概率會(huì)降，從而降電子坍縮的形成概率，增加氣體擊穿所需的時(shí)間。但空氣分子密度的降會(huì)增加電子的平均自由程，電子在長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)后可以獲得更高的動(dòng)能，從而增加碰撞電離系數(shù)，減少氣體擊穿所需的時(shí)間。比較兩種情況，當(dāng)前者占優(yōu)勢(shì)時(shí)，總碰撞電離系數(shù)將降，形成放電所需的時(shí)間將增加，電暈放電特里謝脈沖的上升沿時(shí)間將增加。
由于放電Trichel脈沖主要由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成，隨著氣壓的降，有效電離系數(shù)\(\α-\η\)增大，電離區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度增大，使得陽(yáng)極附近電子平均自由程增大，與陽(yáng)極表面碰撞產(chǎn)生的電子數(shù)增多，導(dǎo)致放電Trichel脈沖峰值隨氣壓的降而增大。
特里謝研究電暈放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，放電特里謝脈沖呈現(xiàn)周期性，其中負(fù)電暈放電電流脈沖重復(fù)頻率可達(dá)104 Hz，正電暈放電電流脈沖重復(fù)頻率可達(dá)106 Hz[]。
通過(guò)整理測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的不同氣壓下的特里謝脈沖重復(fù)頻率。
隨著放電電壓的增加，不同氣壓下特里謝脈沖的重復(fù)頻率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)放電電壓不變時(shí)，特里謝脈沖的重復(fù)頻率隨著氣壓的降而增加。
施加高電壓后，在電場(chǎng)作用下，電子碰撞電離產(chǎn)生電子坍縮，高速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，而陰極附近的正離子增強(qiáng)陰極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，與陰極表面碰撞，提供后續(xù)放電所需的初始電子，維持放電的形成。當(dāng)電子通過(guò)電暈區(qū)時(shí)，電子容易附著在氣體分子上形成負(fù)離子，電場(chǎng)強(qiáng)度減弱。當(dāng)電場(chǎng)減弱到不能再形成電子坍縮時(shí)，放電就會(huì)中斷。負(fù)離子消散后，會(huì)產(chǎn)生新的電子坍縮，重復(fù)碰撞電離過(guò)程，產(chǎn)生新的Trichel脈沖[]。
放電周期主要與脈沖持續(xù)時(shí)間和負(fù)離子消散時(shí)間有關(guān)，其中后者是主要因素。負(fù)離子的消散時(shí)間與負(fù)離子的遷移率和遷移距離有關(guān)。負(fù)離子的遷移率是[]
負(fù)離子遷移率與氣壓成反比。因此，當(dāng)氣壓降時(shí)，負(fù)離子遷移率將增加，負(fù)離子消散的時(shí)間將縮短。此外，電暈起始場(chǎng)強(qiáng)隨著氣壓的降而降，負(fù)離子遷移距離短時(shí)可以滿足新電子坍縮的產(chǎn)生條件，這也縮短了負(fù)離子的消散時(shí)間。因此，放電特里謝脈沖的重復(fù)頻率隨著氣壓的降而增加。
不同海拔高度氣壓的變化會(huì)對(duì)電暈放電特性產(chǎn)生顯著影響。下一步，我們將擴(kuò)大氣壓的研究范圍，選取更多的氣壓值，結(jié)合相應(yīng)的溫度值，研究不同氣壓和溫度下電暈放電電流脈沖的特性。
本文建立了高空低壓電暈放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了低壓環(huán)境下針板電暈放電試驗(yàn)。結(jié)合氣體放電理論，從微粒運(yùn)動(dòng)的角度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)論如下:
1)有效電離系數(shù)的增大是電暈放電起暈電壓隨氣壓降而線性降的主要原因，低氣壓環(huán)境下更容易發(fā)生電暈放電。
2)放電特里謝脈沖的幅度和上升時(shí)間受氣壓的影響。隨著氣壓的降，特里謝脈沖的幅度和上升時(shí)間增加，而放電電流脈沖的持續(xù)時(shí)間基本不變，約為600 ns。
3)負(fù)離子遷移率的增加和遷移距離的減小是特里謝脈沖重復(fù)率隨氣壓降而增加的主要原因。放電電壓對(duì)特里謝脈沖的重復(fù)頻率有很大影響。在恒定氣壓條件下，特里謝脈沖的重復(fù)頻率隨著放電電壓的增加而增加。
