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。     

近地轨道大型航天器的环境充电

许多空间实验和电子计算机预测已经揭示，在极光电子环境中大型航天器的充电电位会高达６０００－－７０００Ｖ。对采用大功率太阳阵的航天器而言，其相对于空间等离子体的悬浮电位将因太阳阵工作电压的提高而增加。例如表面材料因遭受离子轰击和电弧放电而老化、剥蚀、由于材料再沉积而使表面污染增加以及航天器电子系统因静电放电而受到严重的干扰和破坏等。因而对载人航天和长寿命空间站而言，解决航天器带电问题不可等闲视之。对     

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。     

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。     

“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。     

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。     

表面带电对航天员出舱活动的影响及对策分析

根据我国某载人航天器在轨飞行时的空间环境和航天器表面带电的机理,对航天器表面带电进行了仿真,并对结构切割地磁场的感应电势进行计算。在此基础上,分析了表面带电对航天员出舱的影响,以及出舱安全性防护措施,计算出主动电位控制系统最大发射电流。研究结果可为航天员出舱安全防护提供参考。     

卫星多层隔热组件表面等电位控制工艺

文章基于电磁监测卫星的空间等离子体表面带电环境和等电位要求，对卫星多层隔热组件表面等电位的控制方法进行分析和优化，给出多层隔热组件制作、安装、接地、检测和保护工艺方法，从而满足整星表面的电位差在±2 V以内的控制要求。     

非接触式表面电位探针设计与研制概述

在月球环境地面模拟实验室中,月表土壤的模拟带电情况测试需要用到非接触式表面电位探针。文章设计了一种非接触式表面电位探针,利用压电陶瓷外加驱动电压可产生形变的原理,以正弦电压信号驱动压电陶瓷周期振动,引起陶瓷片与被测带电体表面间电容变化从而产生感应电流,通过对感应电流的测量计算得出被测表面的静电电位。在实际工作中,其测量范围可达到0~4000V,测量精度优于5%。该仪器可广泛应用于表面静电带电测量及其他空间静电带电测量项目。     

阵列天线波束对透波罩功率传输系数[JZ]的影响分析

为了分析相控阵天线波束展宽后对透波罩透波性能的影响，采用介质平板作为研究对象，分别针对机械扫描天线和平面相控阵天线开展透过介质平板的远场方向图仿真，获取两种天线下介质平板的功率传输系数，分析天线扫描角、波束入射角对功率传输系数的影响。结果表明，天线在一定波束宽度下，机械扫描天线平板功率传输系数与波束宽度无关，平面相控阵天线平板功率传输系数在小入射角下与波束宽度关系不大，在大入射角下，功率传输系数随着入射角的增大而迅速降低，且无法通过优化厚度改善。     

空间电容分压式表面电位探测器输出漂移分析及优化方法

表面充放电是引起航天器异常和故障失效的常见原因之一,表面电位探测器是监测航天器表面充电效应的有效载荷。目前测量表面电位的应用较多的技术方案是电容分压式,但这种方案的探测器长期工作时会出现输出电压漂移的现象。针对此问题进行详细的理论分析,得出诱导输出电压漂移的主要因素是电容分压自身的指数型传递函数特性、反向输入偏置电流、前放输入阻抗有限和静电荷泄漏。最后,提出了增加偏置到地回路和增大输入阻抗、增大指数项时间常数、数据校正、电荷清零等优化方法,并通过分析和测试最终得出了电容分压式表面电位探测器的应用结论。     

脉冲等离子体源控制航天器表面充电电位的研究

在空间环境运行的航天器存在表面充电现象,而航天器表面充电引发的静电放电是导致航天器异常及故障的重要原因之一。因此,在航天器设计和应用中,必须对航天器表面电位采取必要的控制和防护措施。文章介绍了用脉冲等离子体源进行航天器表面充电电位主动控制的研究。通过模拟实验和实验数据分析,证实了用脉冲等离子体源能有效地控制航天器表面充...     

一种采用双视场星敏感器的飞行器姿态角快速、高精度测量方法

针对姿态经常机动的飞行器之间建立激光通信问题,研究了一种针对这种飞行器的姿态角高精度、快速测量新方法.这种姿态角测量方法采用一种由宽、窄两种视场组成的双视场星敏感器,并以0轨道飞行器应用为例进行了姿态角测量仿真:其中的宽视场用于识别北极星,窄视场用于跟踪北极星;通过对北极星方向矢量测量值与其理论值进行比较精确求出了偏航、俯仰和滚动三个姿态角.分析表明,姿态角的角分辨率小于1″;测量过程不需要耗时的星图数据库搜索,一帧图像就可以完成一次快速测量.     

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。     

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。     

静电对降落伞开伞的影响

文章介绍了降落伞常用尼龙、聚酯类和芳纶等材料,在开伞过程中由于摩擦产生静电并具有保持静电的能力,分析和计算了静电对降落伞开伞的影响。     

Configuration studies for active electrostatic space radiation shielding

Developing successful and optimal solutions to mitigating the hazards of severe space radiation in deep space long duration missions is critical for the success of deep-space explorations. Space crews traveling aboard interplanetary spacecraft will be exposed to a constant flux of galactic cosmic rays (GCR), as well as intense fluxes of charged particles during solar particle events (SPEs). A recent report (Tripathi et al., Adv. Space Res. 42 (2008) 1043–1049), had explored the feasibility of using electrostatic shielding in concert with the state-of-the-art materials shielding technologies. Here we continue to extend the electrostatic shielding strategy and quantitatively examine a different configuration based on multiple toroidal rings. Our results show that SPE radiation can almost be eliminated by these electrostatic configurations. Also, penetration probabilities for novel structures such as toroidal rings are shown to be substantially reduced as compared to the simpler all-sphere geometries. More interestingly, the dimensions and aspect ratio of the toroidal rings could be altered and optimized to achieve an even higher degree of radiation protection.     

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。     

高能电子辐照下介质材料内沉积电荷分布试验研究

深层带电是影响航天器在轨安全和正常运行的重要空间环境效应，而高能电子在介质材料内部的沉积电荷分布特性是深层带电效应的重要考量因素。文章采用脉冲电声（pulsed electro-acoustic, PEA）法测试了0.3～1.0 MeV电子辐照下聚酰亚胺（PI）材料内部的沉积电荷分布特性，研究了电子能量和入射电子数对材料内部沉积电荷分布的影响规律。结果表明:高能电子主要沉积在辐照区的后端，随着入射电子数的增加，材料内部沉积的电荷量将不断增加，最终达到稳定状态；能量越高的电子穿透能力越强，并在材料内部形成分布范围更广的电荷沉积峰。