木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。     

航天器表面电位的主动控制

一、航天器表面电位的成因及其影响 1.航天器表面电位的成因 所谓航天器充电,是指在空间飞行的航天器由于荷电粒子在其上的累积,形成与周围环境的不同电位这样一种现象.航天器充电有两种类型,即表面充电和内部介质充电(也称体积充电或深层次充电),其来源及消除方法是不同的.这里我们只讨论表面充电问题.     

航天器浮动电位的初步分析

为了研究表面充电引起的浮动电位情况,我们采用等效电容的方法分析了近赤道低轨道高度条件下航天器的等效电容及充电时间问题,初步总结了浮动电位对航天器可能产生的影响。根据计算结果可以认为在低轨道等离子体环境中航天器会达到浮动电位的平衡状态。
     

航天器表面充电效应及其工程计算

文章较全面地介绍了航天器与空间等离子体发生的表面充电效应。从航天器表面充电的发现到充放电带来的危害,阐述了航天器表面充电研究对航天器安全飞行的重要性,最后对如何消减表面充电效应带来的危害提出了建议,分析了用充电软件进行工程模拟计算的可行性.     

空间等离子体对飞船对接过程的充放电影响

基于低地球轨道空间等离子体对航天器的充电机理,根据电子、离子运动性质分析了飞船绝对电位与表面导电材料分布间的关系,讨论了对接放电过程中航天器与空间等离子体的交互作用,给出了其计算方法和相关试验结果.从空间环境角度为工程实现提供了理论依据和参考.     

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。     

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。     

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     

航天器充放电在轨探测试验的发展

介绍了航天器充放电中表面充电和深层介质充电的产生原因，以及充放电试验的发展。分析了国外瞬态脉冲监测仪（TPM）、充电电气效应分析仪（CEEA）、IDM装置、PASP Plus试验、集约环境异常传感器（CEASE）、DDE试验，以厦悬浮电位探测单元（FPMU）等充放电试验的原理厦其试验结果。最后，根据国外的经验和发展趋势，对国内航天器充放电在轨测试的目的、发展步骤，以及与各种空间物理量的关系等提出了相应的建议。     

基于碳纳米管透明导电膜的航天器表面充电防护试验研究

ITO膜常用于卫星表面电位控制,但其易碎、折叠后电阻增大,导致卫星表面存在充电隐患。为解决此问题,试验研究碳纳米管透明导电膜的电阻经过折叠后的变化,并采用低能电子辐照的手段获得碳纳米管膜的充电特性。试验结果显示:碳纳米管膜的体电阻率、充电电位与ITO膜接近,但在相同折叠次数下,碳纳米管膜电阻的变化远小于ITO膜,因此碳纳米管膜在航天器表面充电防护工程应用方面比ITO膜更有优势。     

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。     

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。     

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。     

GEO卫星表面充电相对电位的工程分析

地球静止轨道(GEO)卫星在轨运行期间,沉浸于具有一定能量和密度的空间等离子体之中,等离子体与卫星表面材料相互作用,将使卫星出现"表面充/放电效应",进而对星上电子系统产生影响,甚至发生电路故障,直接威胁整星安全。为防止GEO卫星在轨期间因等离子体造成的表面充放电导致卫星异常和故障,在GEO卫星的设计中,必须进行卫星表面电位分析、控制和试验验证等工作。文章根据卫星表面材料的基本参数和接地状态,采用工程分析方法对卫星表面充电电位进行分析,满足卫星工程设计急需。     

GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究

GEO卫星带电环境和表面绝缘材料相互作用引起卫星表面充放电现象,导致卫星“地”电位的缓慢变化和瞬态变化,其中瞬态变化会造成电子系统特别是数字电路工作异常。文章介绍实验室相关模拟试验研究情况,包括试验原理、试验系统组成、试验参数、结果分析以及“地”电位瞬态变化对星上二次电源输出的影响,讨论了空间ESD干扰防护方法。