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。     

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。     

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。     

用于深层充电评估的卫星介质电导率测量技术研究

准确测量得到卫星介质材料的电导率对于卫星深层充电危害评估具有重要意义。在电荷贮存衰减法的基础上,文章提出了一种获得介质材料暗电导率和辐射诱导电导率的试验测量和数值计算方法,即采用90Sr-90Y β放射源,在温度为20 ℃、束流密度为5 pA/cm2的条件下对卫星常用的聚酰亚胺材料进行辐照试验,通过测得的材料表面电位随时间的变化曲线,拟合得到材料的暗电导率和辐射诱导电导率。该方法已在某卫星产品的充电评估中得到应用,计算结果与模拟试验结果符合较好。     

卫星介质深层充电电场时域差分计算方法研究

根据卫星介质深层充电的物理机制,分别对应介质板正面接地、背面接地和正面背面同时接地三种情况建立相应的介质板深层充电模型,研究了利用时域差分和数值积分方法求解卫星介质深层充电电场的算法,计算了在单能电子束流垂直入射作用下卫星内部介质板(Teflon)深层充电电场,计算结果表明,文章建立的数值计算方法能求解出介质深层充电电场,且计算结果能反映充电电场在介质板中的时空分布特征.     

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。     

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。     

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。     

卫星内带电效应地面试验技术研究

内带电效应是导致航天器运行故障和异常的主要原因之一。文章针对卫星内带电效应研究中的地面模拟试验技术,着重介绍了介质辐射诱导电导率及相关参数的试验测量方法。基于电声脉冲法测量介质内部电场的原理,提供了一种验证内带电仿真计算的试验方法。     

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。     

Space radiation analysis: Radiation effects and particle interaction outside the Earth's magnetosphere using GRAS and GEANT4

In order to explore the Moon and Mars it is necessary to investigate the hazards due to the space environment and especially ionizing radiation. According to previous papers, much information has been presented in radiation analysis inside the Earth's magnetosphere, but much of this work was not directly relevant to the interplanetary medium. This work intends to explore the effect of radiation on humans inside structures such as the ISS and provide a detailed analysis of galactic cosmic rays (GCRs) and solar proton events (SPEs) using SPENVIS (Space Environment Effects and Information System) and CREME96 data files for particle flux outside the Earth's magnetosphere. The simulation was conducted using GRAS, a European Space Agency (ESA) software based on GEANT4. Dose and equivalent dose have been calculated as well as secondary particle effects and GCR energy spectrum. The calculated total dose effects and equivalent dose indicate the risk and effects that space radiation could have on the crew, these values are calculated using two different types of structures, the ISS and the TransHab modules. Final results indicate the amounts of radiation expected to be absorbed by the astronauts during long duration interplanetary flights; this denotes importance of radiation shielding and the use of proper materials to reduce the effects.     

卫星电缆网内部充电效应仿真分析

电缆结构作为最常见的卫星上的介质-金属结构,只受到卫星蒙皮的保护,其内部充电效应须引起重视。针对卫星上常见的电缆网结构进行了分析,使用内部充电三维仿真软件计算分析了GEO卫星上几种不同型号电缆对应不同蒙皮厚度下的充电效应,并对弯曲电缆、蒙皮孔洞处的电缆、电缆固定件等结构的简化模型进行了仿真分析。结果显示,在GEO恶劣电子环境下,单一卫星电缆会因为内部充电效应带上一定的负电位,在绝缘皮较厚或电缆处于蒙皮孔洞处等情况下,充电负电位会升高;电缆固定件介质块的充电电位与介质材料的尺寸有关,会带来较高的放电风险。     

Interplanetary crew dose estimates for worst case solar particle events based on historical data for the Carrington flare of 1859

Over the past two decades, hypothetical models of “worst-case” solar particle event (SPE) spectra have been proposed in order to place an upper bound on radiation doses to critical body organs of interplanetary crews on deep space missions. These event spectra are usually formulated using hypothetical extrapolations of space measurements for previous large events. Here we take a different approach. Recently reported analyses of ice core samples indicate that the Carrington flare of 1859 is the largest event observed in the past 500 years. These ice core data yield estimates of the proton fluence for energies greater than 30 MeV, but provide no other spectrum information. Assuming that the proton energy distribution for such an event is similar to that measured for other recent, large events, interplanetary crew doses are estimated for these hypothetical worst case SPE spectra. These estimated doses are life threatening unless substantial shielding is provided.     

极轨航天器多层外表面充放电效应试验研究

利用空间带电粒子辐照试验台进行了太阳同步轨道航天器多层组件表面充放电试验,研究了常规与导电型(带ITO镀层)两种Kapton/Al薄膜在受到带电粒子辐照后的充放电情况和外观变化情况。试验结果表明,对于在近极地轨道运行的航天器,带ITO镀层的导电型Kapton/Al薄膜能够有效释放电荷、降低多层组件外表面对航天器地的电位差,本身不会形成放电损伤,比常规Kapton/Al薄膜更适合作为航天器多层外表面热控涂层。     

Comparative survival analysis of Deinococcus radiodurans and the haloarchaea Natrialba magadii and Haloferax volcanii exposed to vacuum ultraviolet irradiation

The haloarchaea Natrialba magadii and Haloferax volcanii, as well as the radiation-resistant bacterium Deinococcus radiodurans, were exposed to vacuum UV (VUV) radiation at the Brazilian Synchrotron Light Laboratory. Cell monolayers (containing 10(5) to 10(6) cells per sample) were prepared over polycarbonate filters and irradiated under high vacuum (10(-5) Pa) with polychromatic synchrotron radiation. N. magadii was remarkably resistant to high vacuum with a survival fraction of (3.77±0.76)×10(-2), which was larger than that of D. radiodurans (1.13±0.23)×10(-2). The survival fraction of the haloarchaea H. volcanii, of (3.60±1.80)×10(-4), was much smaller. Radiation resistance profiles were similar between the haloarchaea and D. radiodurans for fluences up to 150?J m(-2). For fluences larger than 150?J m(-2), there was a significant decrease in the survival of haloarchaea, and in particular H. volcanii did not survive. Survival for D. radiodurans was 1% after exposure to the higher VUV fluence (1350?J m(-2)), while N. magadii had a survival lower than 0.1%. Such survival fractions are discussed regarding the possibility of interplanetary transfer of viable microorganisms and the possible existence of microbial life in extraterrestrial salty environments such as the planet Mars and Jupiter's moon Europa. This is the first work to report survival of haloarchaea under simulated interplanetary conditions.     

典型卫星轨道的位移损伤剂量计算与分析

位移损伤剂量是评估电子元器件在轨发生位移损伤导致性能退化的重要参数。文章首先给出了位移损伤剂量的等效原理和计算方法,即用位移损伤等效注量来表征卫星轨道带电粒子导致的位移损伤剂量;之后分别采用3种不同的太阳质子注量模型,计算了典型大椭圆轨道的位移损伤等效注量,并结合计算结果对不同模型的特点和适用性进行了分析;其后针对4种典型卫星轨道,计算了不同飞行寿命期内的位移损伤等效注量,发现不同轨道的位移损伤剂量有较大差异,并结合空间带电粒子辐射环境分布特点及卫星轨道参数等分析了差异的产生原因;最后,分析不同的太阳质子注量预估方法对位移损伤剂量计算结果的影响,总结了不同轨道、不同飞行寿命情况下卫星经受的带电粒子辐射环境的严酷程度。研究结果可为卫星内部元器件位移损伤效应防护工作提供参考。