GEO卫星结构屏蔽设计与性能分析

地球同步轨道(GEO)卫星在轨期间将遭遇空间带电粒子辐射,导致的电离总剂量效应会损伤星上的电子元器件。在对GEO卫星典型结构进行屏蔽设计时,采用钽箔等材料对卫星结构大开口处进行封堵,又用屏蔽厚度的实体相交法求解卫星的屏蔽性能。建立卫星的三维屏蔽厚度模型,对比屏蔽设计前后的总剂量值,同时分析该封堵方法对卫星机热系统的影响。通过对GEO卫星结构三维屏蔽性能的分析,验证了该封堵方法的有效性。     

卫星磁力矩器磁场效应仿真分析

磁力矩器是卫星上磁性较大的部件之一,局部的强磁场是影响卫星周围带电粒子分布的主要原因。为了定量分析磁力矩器与等离子体相互作用,文章基于磁场与运动粒子的耦合模型,利用有限元数值分析软件仿真了典型轨道航天器上磁力矩器工作时周围带电粒子入射轨迹变化及电荷(粒子数)分布。结果表明,受磁场作用,带电粒子在接近磁力矩器本体时会发生偏转,且偏转幅度随电子能量降低而增大;由磁场引起的这种偏转效应导致带电粒子不均匀入射到卫星内。     

带电粒子在材料中的剂量深度分布计算

航天器在轨道运行期间,会受到各种带电粒子的作用,其能量沉积在表面材料中,对表面材料的性能有较大的损伤。文章介绍了剂量深度计算程序,利用SRIM及ITS软件的计算结果,计算出了带电粒子在材料中的剂量深度分布,并对空间轨道实际环境下材料中的剂量深度分布进行了计算。利用这一程序,在“东四”热控涂层试验中进行了剂量深度分布拟合,计算了多种能量电子拟合试验下荆量深度分布与空间实际环境的比较,得出了相关的试验参数。     

地球内辐射带核心区环境特征分析及质子屏蔽的蒙特卡罗模拟

辐射带粒子是近地空间卫星总剂量辐射的主要来源。文章分析了内辐射带不同高度轨道的辐射环境特性;并利用Geant4程序,针对内辐射带质子环境进行不同材料的屏蔽效能计算。结果表明:虽然传统的低?高?低原子序数材料三明治屏蔽结构对电子具有较高的屏蔽效能,却并不适用于以质子环境为主的轨道;对于工作在3000 km圆轨道、5年寿命的卫星,若要将总剂量降至30 krad(Si)以下,使用PE屏蔽材料可比Al屏蔽减重28%。     

空间高能质子对航天器材料损伤的仿真分析

近地空间是各种载人飞船、应用卫星、空间站的主要活动区域,区域内存在大量由地磁场捕获的高能带电粒子,严重影响航天器和航天员的安全。为此,需要对内辐射带低高度空间的高能带电粒子环境及其通量分布进行研究。如何对质子进行有效屏蔽对空间辐射防护有重要的研究意义。文章针对粒子在空间环境中的辐射,简要介绍了质子在空间环境中的分布情况及在物质中的传输问题。利用SRIM软件模拟质子在不同材料(铝、聚乙烯)中输运过程。根据得到的射程与能量关系及对阻止本领的分析,从理论上提出航天器防护的合理方案。     

空间电子辐照下星用热缩套管力学性能退化试验研究

为掌握星用热缩套管的力学性能在空间带电粒子辐射环境中的退化情况,分别利用1 Me V高能电子和45 ke V低能电子模拟地球同步轨道带电粒子辐射环境,研究热缩套管在这2种不同能量电子辐照下断裂伸长率和抗拉强度性能退化情况。试验结果表明,辐照后热缩套管颜色由透明变为黄色,力学性能均出现显著退化现象,且高能电子辐照后退化较低能电子辐照后更为严重。文章通过能量沉积分析、辐解气体分析、表面形貌分析和X射线光电子能谱分析等多种手段,对试验结果做出了合理解释。本研究对开展结构材料力学性能退化地面模拟试验中的能量粒子选择有指导意义。     

空间电子产品辐照被动防护技术

空间环境中充满了大量的高能带电粒子,导致多种辐射效应,包括单粒子效应和总剂量效应等,严重影响航天器的可靠服役.针对空间辐射环境的特点及防护需求,对高能粒子的屏蔽防护方法进行探讨.介绍了空间辐射环境被动防护材料,包括金属材料、碳氢材料和多层材料,并对空间辐射环境被动防护技术发展进行展望.防辐射涂层由含有低原子序数(Z)元素的粘结剂和高Z元素及低Z元素填料组成,利用低Z材料和高Z材料的防护互补,可以实现良好的屏蔽效果.     

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。     

空间近场无线能量传输系统电磁屏蔽建模与仿真分析

建立空间近场无线能量传输系统电磁屏蔽仿真模型,开展传输功率、工作电压、传输距离、工作频率对电磁屏蔽影响的仿真分析,研究电磁屏蔽条件下这些参数对线圈及系统效率、功率变化情况及屏蔽效能的影响关系。仿真结果表明:在电磁屏蔽条件下,随着传输距离的增大,屏蔽体的影响逐渐加大;输入电压对屏蔽效能无太大影响;在电磁屏蔽条件下,负载电阻对系统效率的影响较小,但随着阻值的增大,输出功率会有所减小;系统效率和屏蔽效能会随着工作频率的增加而有微幅的减小。仿真模型能解决交变电磁场环境下空间近场无线能量传输系统参数与屏蔽影响准确分析问题;仿真结果可为空间近场无线能量传输系统增加电磁屏蔽后系统参数的设计提供依据。     

木星系探测中多层材料的辐射屏蔽优化设计方法

与地球辐射环境相比,木星辐射带中的粒子辐射环境有能量高、通量大、能谱硬等特点,对木星探测器的辐射防护要求更高。航天器设计中常用的多层金属材料的防护效果取决于辐射环境、屏蔽层数量与厚度、屏蔽层叠放顺序等众多因素,因此采用数值方法进行设计十分困难,有必要开发智能屏蔽优化算法。文章结合遗传算法和MULASSIS多层屏蔽仿真程序,以屏蔽后的吸收剂量为优化目标,开发了多层材料辐射防护优化设计方法。利用该方法,得到一定重量指标约束下的最优屏蔽结构,其特点是将高低原子序数材料相结合,多为双层或三层结构,并把高原子序数材料放置在外侧。以远木点和近木点分别为25个和10个木星半径的赤道面轨道为例,当面密度为1 g/cm2时,最优屏蔽结构为0.829 mm铅和0.158 mm镁的双层结构,可将辐射造成的总剂量降低至120.3 krad(Si)/a,与传统铝屏蔽材料相比,可节省近43.6%的重量资源。本方法可用于指导未来木星探测的辐射防护设计。     

碲镉汞空间晶体生长炉的热结构分析和试验技术

双温区可控梯度空间晶体炉是一种在空间微重力环境下进行碲镉汞晶体生长的装置。该晶体炉针对我国返回式卫星设计,工作环境为卫星返回舱。文章结合碲镉汞样品加热器和搭载环境等热真空边界条件,分析了晶体炉的换热机制和传热规律;通过地面热真空模拟试验,探索了保温绝热材料在不同环境压力和加热功率下的绝热性能;定量地分析了环境压力对晶体炉的加热功率和炉壳温度的影响。从而优化了晶体炉的热结构和工艺设计,并保证了卫星总体的温控要求。该晶体炉在我国新型返回式卫星上进行了搭载飞行试验,成功地实现了碲镉汞晶体的空间布里奇曼生长。     

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。     

五○一部“八五”重点预研项目“卫星内外辐射环境研究”通过部级鉴定

日前,由五○一部承担完成的“八五”重点预研项目“卫星内外辐射环境研究”通过了由中国航天工业总公司组织的部级鉴定。该项目是国防科工委下达的“八五”重点预研“卫星抗辐射加固技术”课题所属七个专题主要攻关内容之一。其任务是根据专题研究总目标要求,在“八五”期间,通过大量调研分析和研究开发,完成空间带电粒子辐射环境研究、地磁屏蔽作用研究、轨道积分通量研究、带电粒子在材料内输运技术研究、整星质量面密度分布模型研究、整星辐射屏蔽分析研究和内外辐射环境     

光学材料带电粒子辐照效应等效模拟试验方法研究

文章研究了空间带电粒子对光学材料辐照效应的等效模拟试验方法.在辐照试验研究基础上,针对光学材料分析了空间带电粒子辐照试验中辐照源选择、能谱效应,综合与顺次辐照效应和加速试验等几个关键问题,并根据空间带电粒子对光学材料的损伤特点,提出了模拟材料内部吸收荆量分布的等效试验方法.     

暗物质粒子空间间接探测

空间间接探测是暗物质探测的重要手段。我国暗物质粒子探测卫星"悟空号"通过测量电子能谱结构、伽马射线谱线等对暗物质进行间接探测。为了满足空间实验要求,精确测量电子、核素及伽马射线的能谱结构,暗物质粒子探测卫星采用4个子探测器,从上到下分别是塑料闪烁体阵列探测器、硅微条径迹探测器、锗酸铋晶体量能器和中子探测器。它们协同工作,保证了探测效率、本底抑制能力和粒子分辨力。卫星各性能参数符合设计要求,部分指标处于世界同类探测器先进水平。根据运行前530天的数据,得到了能量高达5 TeV的电子能谱精细结构,并首次在空间发现了电子能谱在0.9 TeV的拐折行为。     

光子晶体热控结构防护性能研究

光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率,可作为高超声速飞行器的防热材料。文章利用FLUENT软件和辐射模型中的离散坐标算法对有/无光子晶体防热层结构进行了气动加热数值模拟计算,得到了在不同热流密度条件下基体的温度分布;通过计算结果的对比发现,采用光子晶体防热层结构使基体温度下降约360～515 K,具有良好的热控性能。光子晶体是一种具有广阔应用前景的热防护材料,作为高超声速飞行器的防热层结构的可行性与有效性还有待深入研究。     

2CV3混频晶体大量反向击穿的原因

对某型导弹引信混频晶体2CV_3反向电流测试原理的分析表明,大量2CV_3晶体反向击穿是由外来干扰信号所造成的,而外来干扰信号之所以能影响混频晶体,是由于4B-J引信测试台的三根测试电缆中所有屏蔽线的屏蔽网套没有与其相应插头(座)的1号接点(即机壳)相连接,造成测试时屏蔽网套不接地,屏蔽不起作用,各导线之间电信号相互干扰严重.外来干扰信号具有随机性,因而比较复杂.但是,只要引信测试台及其测试电缆中所有屏蔽线的屏蔽网套接地可靠,就可以避免2CV_3混频晶体大量反向击穿.最后,还提出了三项具体预防措施.     

望远镜式空间带电粒子探测系统研制

为满足空间高能粒子环境探测要求,研制了一套数字化空间电子、质子注量率能谱探测系统原理样机。该探测系统采用了半导体探测器组成的望远镜式结构,并应用了数字化的信号处理方法,能探测0.5 Me V以上的电子和5~300 Me V的质子;具有能够实时测量、体积小、重量轻、功耗低及可靠性高等优点。对该系统的各探测器的能量分辨率进行了实验测试,结果表明:TSi半导体探测器的能量分辨率可达0.5%,Si(Li)探测器的能量分辨率约为1.02%,均在可接受范围(小于5%)内。     

空间带电粒子辐照与预应力耦合作用对功能形面薄膜结构性能影响研究

空间大尺度薄膜航天器是航天技术发展的重要方向,采用折叠展开的大面积功能形面结构是此类航天器的基本特征,为满足热控、通信、聚光、成像与能量传输等功能,结构需要通过预应力来维持形面,保证较高的形面精度和结构基频,但预应力加载对带电粒子辐照下薄膜材料性能退化存在促进作用.文章通过对薄膜材料在不同预应力工况和空间环境耦合作用下的损伤行为以及退化规律开展试验研究,建立与预应力状态、辐照注量相关的材料性能退化规律,量化研究了预应力对空间辐射环境下功能形面薄膜结构性能影响.随着薄膜力学性能的退化,形面结构基频随之有微弱的降低,且对薄膜结构平面度造成一定影响.     

空间带电粒子辐照效应的地面加速试验研究

空间带电粒子辐照下空间材料的损伤与失效是空间材料学研究的重要组成内容,地面模拟加速试验是研究材料辐照损伤效应的重要方法和技术途径。文章阐述了地面辐照加速试验的方法及相关概念,以光学石英玻璃为例验证辐照加速试验与模拟等效区间的概念,为当前研究材料在空间带电粒子辐照环境条件下的行为与航天器设计、选材提供科学依据。