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.     

空间等离子体环境中的高能带电粒子加速机制

空间环境中充满能量从几十keV到几MeV的高能带电粒子,这些粒子可导致在轨航天器表面和内部带电甚至单粒子效应,从而引发航天器故障。高能粒子的产生和日地空间环境中的爆发现象如耀斑、磁层亚暴等密切相关。文章综述了与这些爆发现象相关的磁重联、激波和等离子体波动等加速带电粒子的物理过程。     

基于粒子云方法研究地磁场对运动电子束的时空分布影响

空间电荷效应是空间带电粒子分布直接产生的相关效应,对于理解空间辐射环境有着重要意义。为研究地球磁场对空间电荷效应的影响,文章通过数值求解Poisson方程和相对论粒子运动方程,建立粒子云（particle-in-cell, PIC）自洽模型,并构建地球偶极子磁场模型作为内磁层背景磁场（空间分布L值为3～7）。在模型基础上,给出内磁层典型电子束结构（能量0.1～100 keV）的两种初始分布（Uniform和Gaussian分布）,模拟电子束在地磁场影响下的动力学过程。结果表明:电子束结构受地磁场影响出现纵向的整体偏转,并由于自场效应产生了纵向的拉伸和横向的发散;电子束整体的偏转角主要受地磁场强弱以及电子束运动与磁场夹角影响,而拉伸和发散效应则主要受电子束能量等参数所影响。     

电子与质子综合辐照下ZnO白漆的光学性能 退化研究

为研究电子与质子综合辐照中电子与质子间的协合效应,在模拟的空间环境下对S781白漆分别进行了10 keV电子辐照、70 keV质子辐照、和10 keV电子与70 keV质子综合辐照试验。研究了辐照后S781白漆光谱反射系数和太阳吸收比的变化,计算了综合辐照效应的相加性系数。结果表明,10 keV电子与70 keV质子在S781白漆中的平均投影射程相近,辐照损伤机理相似,综合辐照存在协合效应,协合效应减弱光学性能退化。     

大型空间地磁亚暴环境地面模拟试验

空间地磁亚暴环境可以给地球同步轨道卫星带来灾难性后果。文章主要介绍了地磁亚暴环境效应及国内外的相关设备,并根据我国现状,提出进行大型地磁亚暴环境试验的必要性和可行性。     

基于小孔成像技术的中能电子成像谱仪及其空间观测结果

中能电子测量对空间辐射环境的理论研究和空间航天器的防护设计具有重要意义。北京大学研制的中能电子成像谱仪(BD-IES)利用小孔成像技术实现多方向中能电子的能谱测量。地面标定试验结果表明,BD-IES具有良好的能量线性度和较小的系统噪声,能够有效实现对中能电子的能谱测量。该仪器已成功应用在我国导航卫星上。最新测量结果表明BD-IES对中能电子的测量是成功的,其结果对于研究如亚暴注入、波-粒子相互作用等空间物理热点问题具有重要意义。BD-IES未来将被应用到"风云"等空间环境探测平台上。     

空间电子辐照介质材料带电效应研究进展

针对空间电子辐照对介质材料所产生的带电效应对在轨航天器的服役性能带来了巨大威胁，为深入理解和探究空间电子辐照带电效应的特性和规律，重点介绍了在电子辐照环境下，介质材料的表面电位特性、材料的总带电电荷量以及电子辐照介质内部的实时电荷分布以及动态演变特性，并进一步阐述了带电状态对二次电子发射的反馈动态影响研究。此外，概括了近年来国内外对电子辐照带电的理论数值模拟方法及发展情况。     

航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术

文章运用等效电路理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组,用FORTRAN语言开发了相应的计算机模拟程序,针对强地磁亚暴空间环境分析了地球同步轨道航天器在阴影区和光照区的充电水平。最后计算讨论了采用空心阴极等离子体接触器向航天器外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。     

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。     

热控涂层GEO带电粒子辐射效应加速试验方法

文章研究热控涂层GEO带电粒子辐射效应加速试验的参数确定方法。根据轨道带电粒子辐射环境的特点,以效应等效为原则,建立了利用单一能量带电粒子产生的辐射效应模拟轨道带电粒子辐射效应时的等效注量率计算方法,称之为等效能谱模拟技术;并建立了利用高注量率来提高加速试验效率的加速因子计算方法,称之为加速试验的加速因子确定技术。利用这两项技术,研究设计了防静电Kapton二次表面镜GEO电子辐射效应模拟试验的参数。     

星用介质材料表面充放电效应试验研究

航天器表面介质材料易遭受表面充放电危害。利用30keV单能电子对几种不同的航天介质材料进行了表面充放电模拟试验,测量了不同电子通量辐照下的表面充电电位以及放电脉冲。试验结果表明,聚酰亚胺薄膜在接地处理不当时表面可充至千伏以上,易发生表面放电,且辐照强度越大,放电频率越高。表面镀铝的聚酰亚胺薄膜在不接地时,铝膜成为悬浮导体更加剧了放电的危害。而通过渗碳处理的聚酰亚胺薄膜,其良好的导电性能可有效抵御nA/cm~2量级电子的表面充电。聚四氟乙烯天线罩表面未进行防静电处理时,表面充电电位可达万伏量级,极易发生放电。     

永磁约束电子束轨迹实验研究

通过设计并运用一种直流电子束轨迹简易测量方法,开展了永磁约束电子束轨迹实验研究,得到了永磁铁环对60~80 ke V电子束约束作用的实验数据。结果表明:该测量方法方便有效,结果较为准确;永磁铁对电子束聚焦作用明显,并呈现出一定的规律性。对永磁铁约束电子束研究工作奠定了基础。     

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。     

一种高效率五焦点抛物反射面天线的设计

文章介绍了一种基本抛物面轴向6i指向-20°、-10°、0°、＋10°和＋20°的五焦点抛物反射面天线的设计,波束指向分别为-17．2°、-8．67°、0°、8．67°、17．2°。通过优化基本反射面的加权系数进行反射面的赋形,使每个波束的增益趋于均匀。对于标准偏置偏焦抛物面天线,波束指向±17．2°、±8．67°和0°时的增益分别为34．87dBi、38．67dBi和40．15dBi,边缘波束与中心波束的增益差值分别为5．28dBi和1．48dBi。用文中提出的方法得出对应波束的增益分别为36．10dBi、38．48dBi和39．14dBi,边缘波束与中心波束的增益差为3．03dBi和0．66dBi,与标准抛物面相比减小了2．24dBi和0．82dBi。     

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。     

Energy dependence of the fraction of protons of ionospheric origin in the ring current

The energy dependence of a fraction of ring current protons of ionospheric origin is calculated using the AMPTE/CCE data for a typical strong magnetic storm (max|D _st | ≈ 120 nT). It is shown that this fraction monotonically decreases from ～ 83 to 25–30% with an increase in proton energy from 5 to 315 keV at L = 6–7 (L is the McIlwain parameter) and is 30–40% at energy 40–50 keV corresponding to the maximum of proton energy density at L = 6–7. It is demonstrated that the core of the ring current (L = 3.7–4.7) was enriched by solar protons with E ≈ 10–200 keV during the active phase of the storm (the maximum effect is reached at E ≈ 20–50 keV).     

Compact high-voltage accelerators of charged particles in space experiments

Some general problems of design and application of compact devices for the generation of pulse electric fields at a megavolt range in space experiments are discussed. The prospect of various applications of powerful electron beams for active diagnostics of upper layers of atmosphere, radiation belts and the earth's magnetic field is also reviewed. The proposed development of powerful impulsive devices is dictated by limitations of energy resources in spacecraft together with a need to get a good signal-to-noise ratio for reliable data recording. Compact devices which directly transform electric energy of a low-voltage source (solar batteries, chemical elements, nuclear reactor, etc.), into the energy of a megavolt charge particle beam of high impulsive power appear as reliable means for satisfying these requirements. In this paper, the basic practical schemes of energy transformation procedures are considered and the optimal operation parameters of high-voltage storage and transformer systems are discussed. Proper application of combined high-voltage insulation techniques result in the development of experimental models of heavy-current electron beam accelerators capable of generating beams of 300–500 kV, 3–5 kA, with a pulse duration of 15 × 10⁻⁹ sec at a frequency of 10 Hz. Typical applications of electron beam accelerators including the generator of electron-beam-controlled discharge laser beams are also described.     

波束跃度对星载方位向扫描模式SAR图像质量的影响

针对星载方位向扫描模式合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)系统中天线无法实现连续扫描而引入成对回波的问题,提出了波束跃度对SAR成像质量影响的定量化分析方法。提出了一种广义的SAR成像几何模型,以模式因子区分不同的方位向扫描模式;结合傅里叶级数和泰勒级数展开推导了波束跃度下的方位向天线方向图,在此基础上建立了方位向回波信号模型;得到成对回波幅度和位置与波束跃度的定量关系,着重比较分析了波束跃度对不同方位向扫描模式SAR图像质量的影响。仿真结果验证了上述分析方法的有效性。