航天器抗内带电介质改性方法

为了削弱航天器有机介质内带电水平从而提高航天器运行的可靠性,分析了空间介质接地方式与电导特性对材料带电水平的影响,认为可采用非线性电导改性的方法来削弱聚合物材料的带电程度,并对几种典型的航天器聚合物介质进行了改性试验研究,获得了预想的非线性电导特性,认为对介质进行非线性改性可能成为未来对介质材料进行全防护的有效手段之一。     

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×106V·m-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案:一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.      

航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一. 本文采用不同束流强度的电子枪电子, 研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程; 利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境, 研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化; 实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲. 提出了深层充电模型, 较好地模拟了实验测量结果, 并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律. 实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律, 表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显, 介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.      

航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究

空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr90放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.      

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

介质带电平衡模式的二次电子发射暂态特性

针对空间微放电效应中介质材料的带电状态对二次电子发射的复杂影响,文章采用数值模拟的方法,首次从带电平衡模式的角度研究了介质材料受电子照射后的二次电子动态发射特性。数值模拟模型结合了蒙特卡罗方法和时域有限差分方法,考虑了弹性和非弹性碰撞的电子散射过程,以及迁移、扩散和捕获等作用的电荷输运过程。通过对带电状态平衡模式的划分,研究了介质二次电子发射及带电状态的暂态变化、微观分布、稳态特性。研究结果表明：介质表面的带电过程可以根据介质表面电流的变化程度分为二次电子平衡模式、泄漏电流平衡模式及共同模式;二次电子平衡模式下样品呈现表面带电状态,而泄漏电流模式下呈现深层带电状态。泄漏电流平衡模式转向二次电子平衡模式过程中,稳态二次电子产额增加,表面负电位增强;总电荷量和平衡时间常数由于平衡模式的改变呈现相反的变化趋势。研究方法和结果有助于介质二次电子的机理研究和微放电效应的工程抑制技术。     

改性聚酰亚胺复合材料的电导机理分析

首先,选用半导电的微米级和纳米级改性剂粉料对玻璃布补强聚酰亚胺基复合材料进行改性.共制备了5种试样,其中包括4种使用无碱玻璃布补强的聚酰亚胺试样,分别是未改性、纳米改性、微米改性和微/纳米改性和一种使用微碱玻璃布补强的试样.其次,研究改性剂粒径和玻璃布含碱量对复合材料介电性能及电导率特性的影响.试验结果表明改性剂粒径对复合材料的介电性能影响不显著,但是微米粒径的改性剂能显著提高复合材料的体电导率并赋予复合材料一定的非线性电导率特性,而纳米粒径的改性剂会小量地降低复合材料的电导率.与无碱玻璃布补强的试样相比,采用微碱玻璃布改性和补强的复合材料试样有较高的非线性电导阈值电场.      

基于非线性干扰观测器的航天器相对姿轨耦合控制

针对带挠性附件的服务航天器在近距离逼近失控目标航天器时的控制问题,考虑由于推进安装偏差导致的姿轨耦合,通过选用相对位置和相对姿态四元数作为状态向量,建立了服务航天器与失控目标航天器的相对位置和姿态动力学方程。考虑服务航天器的挠性附件影响,挠性振动可以视为位置和姿态控制系统微分有界的干扰。基于反馈线性化方法提出了非线性反馈控制律,设计了非线性干扰观测器,用于补偿可建模干扰,并基于所提非线性反馈控制律和非线性干扰观测器设计了复合控制器,其中非线性干扰观测器用于补偿挠性附件产生的干扰。数字仿真及半物理实物闭环验证表明,利用所设计的复合控制器能够有效补偿干扰,同时在对失控目标航天器跟踪时具有很好的鲁棒性。      

电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法,而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析;重点研究了不同介质表面初始电位情况下,恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势;并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外,文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响,研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移;对于连续能量的入射电子束,介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围,从而影响微放电发生的风险。     

阈值温度,临界能量与航天器带电特性

采用加权求和方法确定不同能量入射电子对应不同次级(二次发射和反向散射)电子产率公式,用来计算航天材料高压带电的阈值温度T~* 和临界能量E~*,得到了与观测数据较为接近的临界带电特性。文中进一步阐明运用T~* 和E~* 两个概念,可以定性解释航天器带电的复杂特性。     

运算放大器SET效应的试验研究

模拟器件的单粒子瞬态脉冲效应的研究, 成为近来国际上单粒子效应研究的热点. 针对中国生产的运算放大器SF3503, 利用脉冲激光单粒子效应测试装置, 试验研究了SF3503工作于反相放大器与电压比较器模式SET效应的特征与规律. 获取了器件的敏感节点分布、LET阈值和SET脉冲波形的特征参数, 其中器件的敏感节点均分布在输入级与放大级, LET阈值不大于1.2 MeV•cm2•mg-1, 电压比较器产生的最大SET脉冲的幅度达27 V、脉冲宽度为51μs. 试验表明SF3503对SET效应极其敏感, 在不采取任何措施的情况下, 在空间任务中直接使用, 会严重影响系统的可靠性.      

核辐射对透波材料介电性能影响

用加速老化试验的方法,在有氧存在的条件下,研究了TDE-85环氧树脂/E玻璃纤维体系、4501A双马来酰亚胺树脂/D3W玻璃纤维体系2种透波材料介电性能受核辐射影响的规律.用60Co辐射源在辐射量为50~800kGy范围内对样件进行辐射,用波导法测试样件的介电常数和介电损耗,测试频率为10GHz.结果发现2种体系透波材料介电性能受核辐射的影响较小,且后者比前者具有更好的抗辐射稳定性.同时利用IR,TGA等手段研究了材料介电性能变化的原因.      

新型脉冲电子束焊接偏压电源设计

开发了一种由偏压基值产生电路和偏压脉冲产生电路组成的新型脉冲电子束焊接偏压电源,该偏压电源装置能够实现直流偏压和脉冲偏压自由切换,即在同一套装置上既能够实现常规连续束流电子束焊接,又能够实现脉冲电子束流焊接.偏压基值产生电路控制偏压脉冲基值,偏压脉冲产生电路分别控制偏压脉冲峰值、偏压脉冲频率和偏压脉冲占空比.偏压电源的脉冲频率、占空比、脉冲基值和脉冲峰值均可调节,对应实现脉冲束流的脉冲频率、占空比和脉冲峰值调节.试验证明在平均束流焊透相同材料时,相比连续束流电子束焊接,脉冲电子束焊接热输入减少,焊缝宽度有减少趋势.     

不同形貌氧化锌的微波电磁性能研究

采用碳还原剂控制法制备了六方晶系纤锌矿结构四脚状氧化锌晶须,使用硬脂酸溶胶-凝胶(sol-gel)燃烧法制备了球形氧化锌纳米晶体.使用波导法对所得到的产物以及体相氧化锌材料进行了磁导率和介电常数的测量.结果表明,在8~12 GHz的测试范围内,四脚状氧化锌晶须、氧化锌纳米晶体以及体相氧化锌的介电损耗随频率的增加变化不明显.微波电磁性能试验表明,四脚状氧化锌晶须以及氧化锌纳米晶体是一种介电损耗材料,具有一定的微波吸收性能,并且四脚状氧化锌晶须的介电损耗大于氧化锌纳米晶体.体相氧化锌材料在这个频率范围内基本没有电磁损耗.      

用蒙特卡罗方法研究卫星内部带电问题

由高能电子引起的卫星内部带电，是危害地球同步轨道卫星主要的空间环境效应之一．内部带电的物理机制和相应的卫星设计规范研究，近年来受到国际空间界的高度重视．本文用蒙特卡罗方法，通过模拟高能电子对电介质轰击后在介质中产生电荷沉积，计算了轰击后电介质内部最大电场强度，并进而分析了电介质内部电场与电子能量、屏蔽厚度及介质厚度的关系．该结果对卫星设计有重要参考价值．     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识,为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小,系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明,在其他参数不变的情况下,推力器的推力、比冲、元冲量,以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加;同样,增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲;然而,电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加,导致推力器的点火难度也随之增加,因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

因子分析法在脉冲红外热无损检测中的应用

为了提高脉冲热像法PT(Pulsed Thermography)的缺陷检测能力,将因子分析法应用于脉冲红外热无损检测的热像序列处理中.介绍了因子分析法的原理,描述了因子分析法处理并重建红外热像序列的步骤.为了考查算法的有效性,对人工内置缺陷的玻璃纤维增强塑料板试件进行了脉冲红外热像检测试验.结果表明:通过因子分析得到的公因子图像可以进行缺陷识别,因子分析法较主分量法处理数据更加灵活;通过公因子重建图像序列后,可增强缺陷信噪比和抑制加热不均效应,从而提高了脉冲热像法的缺陷检测能力.     

介质参数对吸收体电磁散射影响的研究

二维周期渐变微波吸收体由金属基体和涂敷有耗介质构成。有耗介质的厚度、介电常数和磁导率是影响吸收体电磁散射特性的主要因素,因此有必要分析这些参数对吸收体电磁散射特性的影响。根据吸收体的二维周期性结构特点,把分析介质参数对吸收体雷达散射截面(RCS)的影响简化成分析介质参数对涂敷导体二面角RCS的影响。利用矩量法给出涂敷导体二面角的RCS随介质参数变化的计算例子,并结合天线阵列技术算出最佳介质厚度时吸收体的RCS。