王 亮
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 黑龙江 哈尔滨 150066
摘要：应用于高能点火装置的气体放电管针对高能点火装置研制、是控制点火装置大能量释放的开关，其性能直接决定航空发动机点火系统的点火能量、点火频率，是点火装置中的关键器件。本文针对器件在设计、问题分析时的使用需求，介绍了气体放电管基本结构、原理、性能测试方法、放电管动态特性等内容。
关键词：气体放电管；高能点火装置；动态放电电压稳定性。
序言
高能点火气体放电管是针对高能点火装置而研制的一种充气真空器件,广泛应用于航空发动机点火系统，作为控制大能量的开关器件,使点火装置内部储存于电容器上的电能快速、准确释放，击穿电嘴,产生脉冲电弧,完成点火。该类放电管不同于电子设备起防雷保护作用的气体放电管。
放电管是高能点火装置设计中为数不多的关重件之一,其工作电压高达几千伏,放电能量有几十焦耳,其击穿电压以平方的关系影响着点火装置的储能，因此掌握放电管结构、工作原理及特性对点火系统设计及问题分析至关重要。
1 放电管基本结构
气体放电管根据气体放电原理制作、整体呈密封结构，一般的外部采用玻璃管，有的也使用陶瓷体，在其内部封装一定气压的混合气体,设计有两平行电极，通过引出电极与外部电路进行连接，两电极承载着直流击穿性能,其典型结构如图1 所示。
图1 放电管结构
2 放电管工作原理
在高能点火装置中，气体放电管工作于能量释放控制电路，做为开关使用，其应用工作原理见图2。点火装置前端电路产生的电能不断向储能电容器充电，放电管与电容器并联，当电容器两端充电电压达到放电管击穿电压时，放电管被击穿，存储于电容器的电能通过放电管释放，因此点火装置或点火系统的储能及放电频率与放电管的性能息息相关。
图2 放电管应用于点火装置中的部分电路
对于放电管自身，当施加于其两端电极的电压不高时,放电管内部两平行电极间由于气体绝缘作用而呈高阻抗( 电阻一般≥500 MΩ) ,能量释放电路呈开路状态；当施加于放电管两端电极的电压持续增加，电流缓慢增长，到某一特定电压值时，电流剧烈增加，放电管平行电极间隙中的气体完全失去绝缘作用，伴有发光、噪声、发热等现象，形成气体击穿、放电，能量释放电路呈接通状态，放电管内两电极间由辉光放电迅速转化为弧光放电，放电管呈极低阻抗状况,管压降降至几十伏；当施加于放电管两端电极的电压降至弧光放电维持电压以下时,两平行电极间放电停止,放电管又恢复到高阻抗状况。
辉光放电是一种稳定的自持放电,自持放电所需要的极间电压称为击穿电压。击穿电压与许多因素有关,在给定条件下,应用气体放电汤森德理论中的帕邢定律，可以分析放电管两电极间的击穿电压规律。
均匀电场中气体的击穿电压U0为:
式中：
A , B---实验常数，取决于放电管内气体种类；
γ---气体种类、成分、电极材料等许多因素有关的系数；
p---管内气体压强；
d---两电极间距离。
对于平行电极系统,在其它条件保持不变的情况下,击穿电压U0是p与d乘积的函数,只要p d乘积相等, 则击穿电压U0就相等,改变p d 值,U0也发生变化。
帕邢定律是一种近似分析,但它可以很好的说明影响气体放电管击穿电压的主要因素。通过调整放电管充气气压或改变电极距离可以改变放电管的击穿电压值，来满足不同产品的设计使用要求。
3 设计注意及控制事项
选择应用时，需注意放电管设计的极限参数，使用的环境不应超过其最大冲击放电电流Ijc(A)及最大放电能量Q（J），否则放电管会发生早期失效，这是点火装置设计者在选择产品时往往易乎视的。
由于放电管长期呈动态击穿放电状态，其直流击穿电压及长期工作时动态的稳定性是点火系统可靠工作的关键，设计选择及应用时需要重点控制。
图3是放电管性能测试原理电路示意简图。图中,T1为自制变压器,D1为高压整流器,R1为分流电阻，R2为配套负载电阻,C为配套储能电容器。利用示波器高压探头取样测试。
图3 测试原理电路简图
1）直流击穿电压
接通电源，通过变压器及整流器给放电管施加一定上升速率的直流电压,当电压达到一定量值时,放电管被击穿、放电,读取放电时的电压值，即为放电管直流击穿电压值。
测得的直流击穿电压实际值，直接决定点火装置实际储能量值。
点火装置储能=
式中， U为放电管直流击穿电压，以平方的关系影响着点火装置的实际储存能量。
2）动态放电电压
放电管工作时，由于两电极长期被击穿，在其表面会形成烧结的脏物，另外放电管密封及内部气体气压变化均可导致放电管直流击穿电压的变化，使直流击穿电压呈现变化不稳定或是逐渐衰减。
图3所示动态放电电压测试原理图，连续测试获得放电管动态输出电压波形；图4是测得的应用于一种点火装置内放电管的动态放电电压波形，可以看出，放电管的每一次放电电压幅值很稳定,反映的放电频率也无变化；图5是测得的放电电压不稳定的波形,可以看出,图中示出的放电电压出现了波动,放电电压升高,放电频率也随之变慢。
图5 动态放电电压的不稳定性
动态放电电压的衰减是在规定的放电频率和配套储能电容条件下,放电管工作在连续放电的状态,测试动态放电开始时的放电电压,与经过一定的工作时间(一般为几十秒) 后的放电电压的差。动态放电电压的衰减是一个缓慢变化的过程,经过一定时间的连续放电,放电电压都会有一定的衰减,有别于动态放电电压不稳定时的放电电压突然增大或减小的现象。测试时间以点火系统起动工作时间为标准，一般为45 s ,放电电压的衰减要求不超过2%；放电管随点火系统工作一个首翻期后，放电电压的衰减更为严重，一般为10%左右。
4 控制放电管动态放电电压稳定性基本方法
高能点火气体放电管工作于复杂严酷的使用环境,尤其在大能量、高频率放电和- 55 ℃条件下,放电的不稳定性和放电电压的衰减更为突出。在动态放电性能不好的情况下,放电电压的衰减甚至超过了4%；放电电压出现突然增大或减小的现象,将直接影响到点火系统火花能量、点火频率的稳定性，直接影响系统点火的可靠性。
利用气体放电原理中的潘宁效应，通过在放电管中充一定比例的混合气体来改善气体放电性能。图6表示了不同含量的氮氢混合气体的击穿特性曲线。
图6 不同H2含量的氮氢混合气体的击穿特性曲线
充入一定比例的氮氢混合气应用在高能点火气体放电管，可以减少电极的溅射，保护电极，提高电极的使用寿命，使电极放电保持稳定,较充单一气体的放电管,动态放电性能有了显著的改善。
放电管在放电的过程中,电极发生溅散产生的物质沉积在电极表面,改变了电极间的距离,使放电电压大幅衰减。在管内封装一定量的氧化镁粉,用氧化镁粉来包裹电极的溅散物,保证电极稳定工作。
由于放电管放电电流较大,空间电荷引起的电场畸变,加剧了电极边缘电场的不均匀性,相当于等效极间距离缩短,使放电电压发生变化。通过合理设计电极形状,控制电极放电型面,改善平行度和同轴度差造成的对放电管稳定性的不利影响,可以提高放电电压的稳定性。
另外，控制严格充气气体成份与纯度，增加试验筛选，可以有效降低动态放电电压的衰减，保证放电管长期使用质量的稳定性。
目前，放电管动态电压稳定性筛选，是保证放电管可靠使用的控制手段。