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。     

真空出气对星用聚酰亚胺材料电导率的影响

卫星介质材料在真空环境下的出气有可能对材料本身的介电性能产生显著影响,增加长期服役卫星寿命末期的充放电风险。文章以卫星上常用的聚酰亚胺材料为对象,通过地面90Sr-90Y辐照源加速辐照试验研究了在材料真空出气后其表面充电平衡负电位的变化,并据此计算出材料电导率的变化规律。结果显示,在5 pA/cm2电子辐照强度下,聚酰亚胺样品的电导率随着出气量的增加而明显下降,在总质量损失达到0.5%时,电导率减小一半左右。初步分析了出气导致电导率下降的物理机制。研究结果对卫星寿命末期充放电防护设计有指导意义。     

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。     

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。
     

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.     

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。     

星用FR-4材料本征介电性能随温度的变化研究

卫星内带电效应是引起航天器故障的重要原因之一。地面试验模拟和分析评估是内带电效应研究的主要手段,而介质材料的介电性能参数是分析评估的必要输入条件。文章系统介绍了FR-4材料的电导率、介电常数、介电强度3种本征介电参数的测量方法,并通过试验测量了不同温度下FR-4的介电参数。研究发现,FR-4本征介电参数并非固定值,而会随温度发生规律性的变化。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

卫星表面充电空间环境及其模拟方法

卫星表面充电是七十年代初发现的危害同步轨道卫星工作性能的新问题。所谓卫星表面充电环境是指使卫星表面充电的环境,它主要指磁层亚暴时的等离子体环境。本文叙述了卫星表面充电环境、充电机理和充电造成的危害。介绍了以大辐照面积电子枪为主的模拟试验系统和为我国通信卫星部件和样品进行充电试验的部分结果。试验证明,我们采用的模拟试验系统和试验方法是合理的,正确的。