航天器介质放电脉冲频谱特征实验研究

空间电子辐射环境下,航天器介质的充放电效应是威胁航天器安全的重要因素.介质放电现象除与材料参数及构型相关外,还与空间电子环境密切相关.本文通过电子枪和Sr90放射源在地面实验装置上模拟空间电子辐照环境,测试了环氧树脂、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等常见空间材料在不同温度、不同电子能量和电子束流强度影响下的放电脉冲,并对放电电流脉冲和电场脉冲进行频谱分析.实验分析结果表明,介质材料的放电电流脉冲频谱具有明显的单峰结构,该峰值与材料厚度和入射电子能量相关,但受材料温度和辐照束流强度影响不大.      

基于神经网络及深层充电的电子通量反演模型

为了实现对空间高能电子通量的估计及航天器深层充放电的风险评估,基于深层充电和空间电子环境的关联性,利用人工神经网络（ANN）建立了一种由深层充电反演空间高能电子环境的模型。以深层充电探测电流密度及电子能量作为模型输入,电子通量作为模型输出,使用AE9模型对神经网络进行训练,将神经网络的MSE降低到了0.04122,并使用Giove A卫星的深层充电探测数据及GOES卫星的电子通量探测数据验证了模型反演电子环境的准确性。同时对由探测电流计算航天器典型介质材料最大内电场的神经网络模型进行了研究,以实现对航天器内充电风险实时评估。     

太阳帆板驱动机构内带电效应试验

太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly,SADA）是长寿命、大功率航天器能源系统的关键部件.在空间高能电子环境下,SADA内部会发生静电放电甚至诱发二次放电,导致航天器丧失能源.利用双束加速器建立试验平台,对SADA进行内带电效应试验.试验中高能电子束的电子能量为2MeV,束流密度为5pA·cm-2,模拟SADA工作电压为50~150V,工作电流为0.5~1.5A.试验样品充电电位在辐照5h后达到平衡,形成的电场约为5×106V·m-1.相同工作电流下的放电次数随工作电压增大而明显增加,说明工作电压形成的电场与高能电子沉积形成的电场叠加会增加SADA发生放电的风险.依据试验结果,提出SADA抗内带电设计方案:一是降低SADA介质盘的体电阻率;二是改进导电环结构体的结构设计,降低导电环间电压在介质盘上形成的电场.      

卫星介质深层充电的两类计算模型对比分析

计算模拟是评估航天器介质深层充电危害的重要研究方法之一. 通过粒子输运 模拟, 可以得到特定空间辐射环境下介质中的电荷沉积分布, 进而根据电位/电 场计算模型, 得到深层充电结果. 前期研究多是围绕RIC (辐射诱导电导率)模 型及其改进模型展开的, 而目前通常采用基于电流守恒定律的简单计算模型. 为了研究二者关系, 给出其各自求解方法, 并采用已发表数据对计算结果进行 验证; 从理论上阐述了后者是RIC模型的进一步简化, 只要二者考虑相同的介 质电导率, 则对应计算结果就是一致的; 结合GEO恶劣电子辐射环境下平板介 质模型在三类边界条件下的充电情况, 进行了充分的仿真验证. 相关结论为介 质深层充电效应评估提供了有益参考.      

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

电子束撞击介质表面引发的带电现象分析

现有关于介质微波部件微放电的相关研究多从谐振条件及出射电子产额方面出发分析微放电发生原因及其抑制方法,而很少分析航天器表面电位对于微放电发生的影响。文章对碰撞电子与介质表面相互作用后二次电子发射特性进行综合分析;重点研究了不同介质表面初始电位情况下,恒定能量的电子束流持续轰击介质表面时介质表面电位及电子束流碰撞能量的变化趋势;并对稳定后的电子束流碰撞能量和介质表面电位进行了理论计算,计算结果表明系统平衡状态时的表面电位受初始电子能量及第二临界能量影响有明显改变。此外,文章探究了单一能量及连续能量入射介质表面时表面带电对于二次电子发射的影响,研究表明：带有电位φ的表面会使临界能量发生偏移量-eφ的相对偏移;对于连续能量的入射电子束,介质表面带电会很大程度上改变入射电子束的能量范围,从而影响微放电发生的风险。     

基于BP神经网络的介质表面充电电位反演方法

为了实现全面、实时的在轨卫星充放电风险分析,基于在相同环境下,不同材料表面充电的关联性,利用BP神经网络建立了一种由Kapton材料表面充电电位反演卫星其他常用介质材料表面电位的模型。以Kapton材料的表面电位以及材料厚度为输入,其他介质材料的表面电位作为模型输出,使用COMSOL建立的表面充电模型对神经网络进行训练,将反演误差降低到10%以下,并利用Kapton与Teflon材料表面充电地面试验数据验证反演模型的准确性,结果显示Teflon表面电位的反演值与实测值间的相对误差小于16%。     

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中,占主导地位的粒子是能量大于1MeV（甚至高于100MeV）的高能电子,这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中,通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子,使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC（radiation induced conductivity）方法,研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明,在木星探测任务中,为了减轻卫星内部介质充电效应,高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此,用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝,可以节省屏蔽质量。     

航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100 keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.      

由高能电子引发的风云二号C星跳变事件概率分析

通过对地球同步轨道高能电子监测数据(来自GOES)与风云二号卫星跳变事件的对比分析发现, 跳变事件均发生在高能电子增强事件即所谓高能电子暴期间, 因此初步断定, 跳变事件与高能电子引起的卫星介质深层充放电事件有关. 通过对不同通量高能电子增强事件期间所发生的跳变事件发生率进行量化计算, 给出跳变事件发生概率的计算方法, 为卫星在轨运行管理及防护提供参考.      

Design and performance of a vacuum-UV simulator for material testing under space conditions

This paper describes the construction and performance of a VUV-simulator that has been designed to study degradation of materials under space conditions. It is part of the Complex Irradiation Facility at DLR in Bremen, Germany, that has been built for testing of material under irradiation in the complete UV-range as well as under proton and electron irradiation. Presently available UV-sources used for material tests do not allow the irradiation with wavelengths smaller than about 115 nm where common Deuterium lamps show an intensity cut-off. The VUV-simulator generates radiation by excitation of a gas-flow with an electron beam. The intensity of the radiation can be varied by manipulating the gas-flow and/or the electron beam.     

高中低能电子联合辐照电介质薄膜充放电效应

高能(350KeV)-中能(18—30KeV可调)-低能(4—5KeV可调)电子联合辐照聚酯薄膜和特氟隆薄膜,得到与中能电子辐照、高-中能电子联合辐照以及中-低能电子联合辐照不同的结果。实验结果表明,高能电子能诱发电介质薄膜充放电。特氟隆薄膜的三能电子联合辐照实验结果与Coakley和Treadaway的1-100keVdN/dE∝E~(-2)谱电子辐照实验结果以及NASCAP计算机模拟结果符合。得出结论,三能电子联合辐照可较为完善地模拟静止卫星电介质的充放电效应。论证了选用三种能量电子的充分性和必要性。推断出,如果在星食期遇到象1979年4月24日磁层亚暴事件,则静止卫星表面某些电介质局部电位有可能超过SCATHA卫星近期数据给出的和NASCAP计算的-2—-4KV,而且会出现大的放电。     

Active space debris charging for contactless electrostatic disposal maneuvers

The remote charging of a passive object using an electron beam enables touchless re-orbiting of large space debris from geosynchronous orbit (GEO) using electrostatic forces. The advantage of this method is that it can operate with a separation distance of multiple craft radii, thus reducing the risk of collision. The charging of the tug–debris system to high potentials is achieved by active charge transfer using a directed electron beam. Optimal potential distributions using isolated- and coupled-sphere models are discussed. A simple charging model takes into account the primary electron beam current, ultra-violet radiation induced photoelectron emission, collection of plasma particles, secondary electron emission and the recapture of emitted particles. The results show that through active charging in a GEO space environment high potentials can be both achieved and maintained with about a 75% transfer efficiency. Further, the maximum electrostatic tractor force is shown to be insensitive to beam current levels. This latter later result is important when considering debris with unknown properties.     

Recent experimental measurements of space platform charging at LEO altitudes

The estimation of the extent of electrical charging of space platforms at low earth orbit (LEO) altitudes has been a subject of interest for a number of years. Early estimates based on theoretical current-voltage relationships of Langmuir and Blodgett and Parker and Murphy predicted a wide range of possible electrical potentials for a platform being actively charged at LEO altitudes. The experimental success of early electron beam experiments suggested that the early theories were incomplete. This has led to the development of space experiments specifically designed to study the degree of electrical charging resulting from electron beam emission, and also supplementary experiments to determine the current voltage relationship of large structures biassed to high voltages in the LEO environment. The paper will discuss some of the results of vehicle electrical potential from recent sounding rocket experiments involving charging of a space platform by both electron beam emission, and by the application of differential bias between elements of the platform.     

深空辐射条件下EDFA波分复用性能研究

随着对空间试验卫星光通信系统数据容量需求的逐年增加,空间波分复用技术将成为拓展通信容量的有效手段,需要研究掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA)波分复用特性在深空辐射条件下的性能变化情况。研究了深空辐射及温度场对EDFA的性能影响、非均匀特性,建立了深空辐射条件下EDFA的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术信号之间的增益影响模型,给出了增益的非均匀变化影响的评估方法。并分别采用电子和中子作为辐射源,进行了地面模拟深空辐射环境的辐射电离效应和辐射位移效应实验,实验结果进一步验证了该模型正确性。利用该模型,可获得深空辐射环境中,不同辐射类型、不同温度下,EDFA在WDM应用时各波长增益的非均匀特性,可为深空光通信中EDFA的WDM应用提供参考。     

用半经验模型研究耀斑大气的能量耗散

本文利用南京大学太阳塔多波段光谱资料推求出的两个耀斑(一个SB级,一个2B级)的半经验模型;计算了耀斑不同时刻的辐射损失速率,并与电子束轰击和X线作用下的产能率作了比较.结果表明,耀斑不同时刻的色球辐射损失变化可达一个量级以上;耀斑脉冲相前后电子束轰击加热相当有效;耀斑强度极大时,电子束轰击和X线加热都有作用;耀斑主相时,X线加热更能有效地平衡辐射损失.但是,尤其是对大耀斑来说,色球低层和光球上层的加热既不能用电子束轰击,也不能用X线的作用来解释;可能存在某种把能量从色球上层向低层转移的机制.研究也表明,耀斑随时间变化的半经验模型为研究耀斑的能量耗散过程提供了很好的工具.