大椭圆轨道航天器介质材料深层充电仿真分析

为研究大椭圆轨道(HEO)航天器介质深层充电规律特征,基于FLUMIC模型建立辐射带电子环境模式,初步分析了诱发HEO深层充电的高能电子环境,计算了介质材料在HEO环境下的充电特征,并与地球同步轨道(GEO)下的情况进行对比。结果表明,HEO电子平均积分通量与GEO的相比处于同一量级,但存在明显波动,这将导致卫星在轨运行时,其上介质平均充电电位上升,增加内带电的风险。HEO介质平均充电电位为GEO的1.3倍,瞬时电位以12 h周期波动,电位最大值较环境电子通量最大值有数十min延时。增加屏蔽层厚度和减小介质厚度均能有效减缓HEO卫星介质电位波动,并降低内带电的风险。     

转移轨道航天器深层充放电效应仿真分析

为研究转移轨道卫星介质深层动态充电规律特征,针对卫星动态辐射环境的特点,基于FLUMIC思想,建立辐射带动态电子环境模式。针对动态辐射环境下星上介质深层充电的特征,使用辐射诱导电导率(RIC)模型和Geant4建立了适用于转移轨道卫星动态环境下的介质深层充电应用模型。首次对地球同步转移轨道(GTO)和嫦娥一号卫星调相轨道运行过程中介质深层充电情况进行了仿真分析。结果表明:转移轨道卫星在运行时会多次穿越辐射带区域,电子通量存在明显波动,这种波动性反映在材料的充电电位变化中。材料峰值充电电位分别为-2 846V和-4 110V,介质内部平衡电场均超过106 V/m,存在内放电风险,需要在工程设计中进行针对性防护。     

高能电子辐照下介质-导体相间结构深层充电特性研究

为研究影响介质-导体相间结构深层充电特性的内在因素,设计了不同构型的试验样品,利用90Sr放射源模拟空间高能电子环境对样品进行深层充电辐照试验,测量了充电电位的差异。并借助深层充电三维仿真软件计算介质-导体相间结构在不同几何构型情况下的深层充电电位、电场分布。试验和仿真结果表明,介质最高表面电位以及介质内部最大电场均与介质宽度和高度呈正相关。其他条件不变时,介质越宽,或越高于导体表面,发生放电的风险就越高。在介质与导体侧面存在微小缝隙情况下,介质内最大电场显著增强,易发生内部击穿。而在介质与导体之间的真空间隙内,电场很容易超过击穿阈值,放电风险很大。航天工程应用中为降低此种结构深层充放电的风险,在满足绝缘性能及其他要求的前提下应尽量减小介质的宽度,降低介质与导体间的高度差,并确保介质与导体侧面接触良好。     

航天器典型悬浮导体结构深层放电 现象的模拟试验研究

空间辐射环境中,由高能电子所引起的深层充放电现象是威胁航天器安全的重要因素之一。文章采用90Sr放射源模拟GEO电子环境,试验观测了电子辐照下几种含有悬浮导体的典型卫星模拟部件结构的深层充放电现象,比较了真空度、束流密度与温度对放电现象的影响。试验结果表明,深层放电现象的产生与部件结构密切相关,在一定环境条件下含有悬浮导体的结构即可产生放电现象。因此,航天器深层放电防护除了选择合适的介质材料外,要尽可能地避免悬浮导体的存在,同时还必须考虑真空度和温度的影响。     

航天器太阳电池阵驱动机构导电滑环真空充放电实验研究

太阳电池阵驱动机构部分暴露在航天器舱体外,其内部导电滑环容易成为充放电效应的侵害对象,利用90Sr-90Y β放射源模拟中高地球轨道的高能电子环境,实验研究不同辐照强度下导电滑环的充放电过程。结果显示:辐照初始阶段发生幅值较小的放电,多数为表面放电;随着电位升高,深层充电导致材料内部积累大量电子,超过一定阈值之后,发生击穿放电。导电滑环在2.4 pA/cm2通量的电子辐照下,其充电平衡电位达到-3600 V;而在0.1 pA/cm2通量下,平衡电位仅为-300 V。建议增加3 mm厚防护铝板以降低高能电子通量,预防导电滑环因充放电造成故障。在辐照实验过程中,同时监测导电滑环工作状态,未发现异常,说明在短时间辐照中发生的放电对导电滑环工作性能没有影响。     

“风云二号”卫星天线消旋失锁故障原因初步分析

文章针对"风云二号"C(FY-2C)卫星的天线消旋失锁事件,利用卫星数据统计分析了事件与高能电子之间的关系,并利用DICTAT软件针对常用于卫星的3种电介质材料——聚乙烯、聚四氟乙烯和环氧树脂的平板和圆柱模型分别计算其内部带电所能产生的最大电场。结果表明:FY-2C卫星的天线消旋失锁事件有可能是由高能电子导致的介质深层充电引起。     

MEO卫星内部充电环境及典型材料充电特征分析

文章利用通用模型DICTAT,计算了恶劣期地球中高轨道(MEO)高能电子通量随卫星运行位置的变化情况以及日均积分能谱,之后选择4种参数具有代表性的电介质材料,分析了其在MEO环境下的充电特征,并将上述结果与地球同步轨道(GEO)情况进行了对比。结果表明,通常而言MEO卫星的内部充电风险更高,平均充电电位是GEO的3倍左右,而且充电电位在整个轨道周期内起伏变化明显,电位达到最高值的时间相对于高能电子通量最大值有0.3~0.9 h的延迟,具体的变化特征由电介质材料时间常数决定。     

卫星外露电缆束介质结构深层充电仿真分析

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露电缆束介质结构深层充电进行三维仿真分析。结果表明:深层充电导致介质结构带20 V以内负电位,电位和电场强度峰值分别出现在电缆束外圈电缆介质层的外侧与内侧;对于导线介质层厚度为0.19 mm的情况,各介质层间是否紧密邻接和电缆束包含电缆根数多少对充电峰值结果影响不大;捆缚电缆的条状介质块是发生放电的危险区域,介质块厚度为0.8 mm时,充电电位在-103 V量级,电场强度可达到4×106 V·m-1,且电场强度与电位随介质块厚度增加而显著增大。     

卫星充放电效应对典型星载电子设备影响的实验研究

充放电效应是导致卫星在轨异常与故障的重要原因。除太阳电池阵二次放电外,充放电效应主要通过放电产生的电磁干扰造成设备异常和故障。文章选用典型的星载光学设备,实验模拟中高轨环境中电子作用在设备上产生的表面与深层充放电效应,获得了表面和深层充放电效应的基本特征,观测到放电导致设备工作异常的实验数据。实验结果不仅支持该典型星载光学设备的充放电效应防护设计,对于其他星载设备的充放电效应防护设计亦有一定借鉴意义。     

高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

为揭示聚合物介质材料在连续能谱高能电子辐射下的深层放电规律特征,利用~(90)Sr放射源对聚四氟乙烯(PTFE)材料进行了不同条件的辐照实验。对采集的大量放电数据进行统计分析发现,电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都会影响介质的放电风险以及放电脉冲特征。高能电子对样品持续数天的累积辐照会降低介质自发放电的阈值条件,辐照后期放电更加频繁,但放电强度会减弱。入射电子通量越低时,放电风险越小;通量越高时,放电频率越高,高强度放电事件的发生概率也越大。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性,温度下降时介质本征电导率降低,充电电位和放电风险增加;一旦发生放电,放电电流脉冲的平均幅度也更大。     

空间材料深层充放电效应试验研究

利用电子枪发射的单能电子束、以及放射源发射的能谱结构接近空间电子环境的β射线电子,模拟试验了几种常用空间介质材料和某卫星部件的深层充电过程;结合对放电电流脉冲和电场脉冲的测量,观测了深层放电脉冲信号及其对试验电路的影响。试验结果表明,在类似实际空间强度的pA量级电子束辐照下,介质材料可以累积大量电荷,其表面电位可以达到近万V;随后发生的介质材料放电可产生高强度的放电电流脉冲和电场脉冲,放电脉冲对试验电路造成较强的干扰。     

卫星介质深层充放电模拟实验装置研制进展

文章介绍了深层充放电研究的国内外现状及中科院空间中心在研的卫星深层充放电实验模拟装置进展情况。锶90/钇90β放射源和5～100 keV电子枪被设计到一个真空系统内,分别作为介质深层充电及介质电导率的测试手段。分别用β放射源和电子枪对介质样品进行了辐照试验,观察到了kV级的充电电位和放电现象。在辐照样品之前进行的辐照空靶的实验均未观测到放电信号。该装置可为我国发展长寿命、高可靠的新一代通信、气象等中高轨卫星提供深层放电防护设计的基础数据、理论和技术支撑。     

影响GEO卫星长寿命高可靠的空间环境因素及其评估、验证和保障技术研究

文章叙述了空间环境与卫星长寿命高可靠的关系,着重分析了影响GEO卫星长寿命高可靠的各种空间环境效应,如:地磁亚暴电子造成的卫星表面带电及诱导的二次放电、辐射带高能电子引起卫星内带电、太阳耀斑质子和银河宇宙射线造成的单粒子效应、空间带电粒子和太阳电磁辐照造成的辐照总剂量效应以及空间环境下敏感表面的污染效应等.文章最后给出GEO卫星空间环境效应的评估、验证和保障技术研究的必要性及其主要研究方向.     

行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因,基于辐射诱导电导率模 型（RIC）和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了 预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法,首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和 剂量沉积曲线,进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率 模型（RIC）求解出介质内电荷和电场分布,与介质击穿电场阈值对比作为其是否发生放电 的依据。模拟结果证实了对10MeV质子,在质子注量为3×10 12 ／cm 2时Kapton会发 生放电,而Teflon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航 天器介质材料质子充放电评价的可行性,为此类问题的解决奠定了基础。
     

航天器介质充电效应模拟试验中的非接触式电位转接测量技术

航天器充放电效应地面模拟试验中需要测量的一个重要参数是介质的充电电位。文章基于介质充电电位的非接触式转接测量技术,分析了测量中引起误差的各个因素,讨论了减小测量误差和提高转接测量分辨率的方法,并进行试验验证。据此设计了一套介质电位非接触式转接测量系统,其测量分辨率达到10 V以下,且由电荷泄漏引起的测量误差1%,能够满足航天器介质充电电位的测量要求。     

航天器充放电在轨探测试验的发展

介绍了航天器充放电中表面充电和深层介质充电的产生原因，以及充放电试验的发展。分析了国外瞬态脉冲监测仪（TPM）、充电电气效应分析仪（CEEA）、IDM装置、PASP Plus试验、集约环境异常传感器（CEASE）、DDE试验，以厦悬浮电位探测单元（FPMU）等充放电试验的原理厦其试验结果。最后，根据国外的经验和发展趋势，对国内航天器充放电在轨测试的目的、发展步骤，以及与各种空间物理量的关系等提出了相应的建议。