中国空间大功率微波部件微放电抑制表面处理技术最新进展

材料表面的二次电子发射会触发和维持空间高功率射频器件的共振雪崩放电现象,这种现象又被称为微放电效应。微放电效应是限制空间大功率微波部件应用的关键问题之一。从微放电作用的机理出发,首先介绍了两种微放电类型（单表面与双表面）的基本物理机理;然后总结了当前主流的微放电抑制方法并给出各自应用于空间大功率微波部件时的限制。针对空间大功率微波部件微放电抑制的特殊问题,综述了国内近5年来在表面处理法抑制微放电领域的研究成果并预测了微放电抑制技术的发展趋势。     

三维规则形貌影响下的二次电子发射特性研究

通过人工加工出特定的表面形貌来调控材料的二次电子发射特性已在诸多领域得到应用。规则表面形貌易于揭示抑制规律和影响机制对二次电子发射特性的影响,同时采用光刻、等离子刻蚀等工艺可以较好地实现特定设计的规则形貌,因此,在抑制微放电的研究初期或原理性试验验证过程中多采用定制的规则表面形貌。基于提出的电子与表面形貌相互作用的多代模型,以三维圆柱孔为例,采用蒙特卡罗方法系统研究了三维规则表面形貌的深宽比、占空比等参量影响二次电子产额、二次电子能谱以及出射角分布的规律。研究发现:规则形貌的深宽比越大,能谱展宽越强烈,形貌对出射角的选择性越强,二次电子产额的抑制效果越好,但该抑制效果存在饱和效应。在形貌不发生交叠时,增加占空比,可有效降低二次电子产额,由于圆柱孔出射电子占比较少,二次电子能谱与出射角分布接近于平面。所获得的三维规则表面形貌的二次电子发射特性对于全面评估其对微放电效应的影响提供了参考。     

考虑低能电子影响的二次电子修正模型

随着微放电效应研究的不断深入,低能电子影响在微放电过程中越来越不可忽视。当前常用的微放电模型在处理低能电子问题上具有一定的局限性,为了精确模拟这一过程,在深入研究二次电子和背散射电子发射理论的基础上,分别针对材料表面条件不同引起的二次电子发射系数不确定性、低能电子的背散射系数以及电子入射角等问题进行了分析和讨论,并在此基础上建立了一个二次电子发射模型,最后通过数值计算讨论了模型的正确性和适用范围。这一模型同时考虑材料表面条件参数、低能电子的背散射系数以及入射角等因素影响,能够兼容较低能量电子的二次发射,提升微放电数值模拟的精确度和适用性,为微放电数值模拟的发展起到推进作用。     

介质带电平衡模式的二次电子发射暂态特性

针对空间微放电效应中介质材料的带电状态对二次电子发射的复杂影响,文章采用数值模拟的方法,首次从带电平衡模式的角度研究了介质材料受电子照射后的二次电子动态发射特性。数值模拟模型结合了蒙特卡罗方法和时域有限差分方法,考虑了弹性和非弹性碰撞的电子散射过程,以及迁移、扩散和捕获等作用的电荷输运过程。通过对带电状态平衡模式的划分,研究了介质二次电子发射及带电状态的暂态变化、微观分布、稳态特性。研究结果表明：介质表面的带电过程可以根据介质表面电流的变化程度分为二次电子平衡模式、泄漏电流平衡模式及共同模式;二次电子平衡模式下样品呈现表面带电状态,而泄漏电流模式下呈现深层带电状态。泄漏电流平衡模式转向二次电子平衡模式过程中,稳态二次电子产额增加,表面负电位增强;总电荷量和平衡时间常数由于平衡模式的改变呈现相反的变化趋势。研究方法和结果有助于介质二次电子的机理研究和微放电效应的工程抑制技术。     

一种计算金属二次电子发射系数的解析模型

精确的金属材料二次电子发射系数模型对于计算空间大功率微波部件的微放电功率阈值至关重要,而现有的二次电子发射系数模型在准确性和工程应用两方面不能兼顾。通过分析二次电子的逸出几率,结合修正的Bethe能量损失规律,建立了金属材料二次电子发射系数的解析模型。进一步以未清洗的和Ar离子清洗过的Ag材料为例,用解析模型对试验测量值进行了拟合,在获得解析模型中关键参数的基础上建立了Ag材料二次电子发射系数模型。计算结果显示,在不同入射角度下未清洗和清洗Ag 材料的模型计算值与试验值的均方差在4%以内,表明提出的解析模型在减少拟合参数的基础上能够获得具体金属材料精确的二次电子发射系数模型,可用于精确模拟空间大功率微波部件的微放电功率阈值和加速器内部的电子云浓度。     

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。     

基于一次性微冲量推力器阵列的卫星低频 振动抑制与控制

为了解决挠性卫星受扰后的主动振动控制问题,提出将一次性微冲量推力器阵列（DMITA）作为控制执行器安装在卫星太阳帆板上,其具有体积小、成本低、功耗低的特点.介绍一次性微冲量推力器主动振动控制系统（DMITAVCS）的初步应用方案,用混合坐标法推导装有DMITAVCS的挠性卫星姿态动力学方程,并给出能量最优的DMITA位置配置准则.数值仿真结果表明DMITAVCS能够快速抑制挠性卫星受扰后姿态和帆板的振动,主要得益于安装在帆板上的一次性微冲量推力器阵列（DMITA）能够产生较大的姿态驱动力臂.     

材料次级电子发射特性对表面充电影响的数值计算研究

表面充电是最早被人们发现的空间环境效应, 是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一. 采用较精确的金属二次电子发射公式和局部电流平衡模型, 在无光照的情况下, 对不同表面材料及不同几何形体的航天器表面充电电位进行计算, 并绘制了表面材料的充电电位与最大二次电子发射系数之间的关系曲线. 根据数值计算结果及次级电子发射系数和曲线图得知, 航天器阴面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关. 该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值.     

基于区间算法的微小卫星微推力器阵列规模估计

摘要： 针对以固体微推力器阵列为执行机构的微小卫星初入轨姿态控制需求,研究固体微推力器阵列规模的估计方法.在设计了微推力器阵列单元调用规则和姿态控制律后,考虑微推力器阵列各单元冲量输出的不确定性,使用区间数表示微推力器单元的力矩输出,引入区间算法对初入轨的消旋和姿态捕获两个主要过程中微推力器单元的消耗情况进行计算.利用区间数的不相关性,改善区间计算过程,减小了由区间积分导致的区间扩张.仿真分析表明,提出的固体微推力器阵列规模估计方法可以给出预定入轨条件下的阵列规模需求,且其结果不依赖于微推力器单元力矩输出的概率特性.     

一种柔性可展桁架结构的主动振动抑制技术

针对柔性可展桁架结构的主动振动抑制问题,提出一种采用作动执行机构的主动振动控制方法。首先基于模态综合方法建立智能柔性可展桁架结构的动力学模型,然后采用动态滑模控制律设计了主动振动控制器,并基于遗传算法对作动执行机构的布局配置进行优化,最后通过数学仿真验证,仿真结果表明了方法的有效性。     

基于PWM的挠性航天器分力合成主动振动抑制方法

分力合成主动振动抑制方法可以有效抑制挠性振动. 其利用几个相同或相似的随时间变化的分力, 按一定的规律沿时间轴排列合成为合力作为系统输入, 此合力可以在保证完成规定刚体运动的同时抑制掉指定的任意阶振动谐波. 对于使用常幅值力矩喷气执行机构的航天器, 应用脉宽调制(PWM)技术将符合分力合成方法的时间最优机动控制指令变化为常幅值力矩形式, 设计出常幅值的时间最优大角度机动策略. 数值仿真结果证实了方法的有效性.      

基于CCERT与声发射技术的气液固三相流相含率测量

传统的相含率测量方法在测量三相流相含率时只能对某单一相进行检测,针对此问题,基于电容耦合电阻层析成像(CCERT)技术与声发射技术,建立了相含率测量模型,提出了一种三相流各相相含率的非侵入式测量方法。利用偏最小二乘回归法,在静态情况下建立CCERT技术的相含率测量模型,同时在鼓泡床上进行动态实验,采用差压法进行同步测量作为参考值验证模型的有效性,实现了对两相相含率的非接触测量。在此基础上,通过对声发射技术采集到的声音信号进行处理,建立声发射技术的气相相含率预测模型,利用该模型测量出三相体系中的气相相含率,结合CCERT技术测量出三相体系中的不导电相相含率,从而利用非侵入式测量方法得到三相流中的各相相含率。     

基于FFT的DSSS系统变换域窄带干扰抑制技术的研究

为了消除直接扩频系统中的窄带干扰,采用变换域中的频域抗窄带干扰方法。根据直接序列扩频信号与窄带干扰信号在频域能量分布不同这一特性,利用快速傅里叶变换实现窄带干扰信号的实时检测和抑制。采用Verilog HDL硬件描述语言对算法进行基于FPGA实现的可综合的描述,最后在硬件测试平台上进行性能测试,测试结果表明带有窄带干扰的扩频序列通过窄带抑制模块后能够有效抑制窄带干扰。     

基于SD-LCMV算法的FDA平台外干扰抑制

针对频率分集阵列（FDA）接收机在抑制与目标位置接近的平台外干扰过程中,最小方差无失真响应（MVDR）波束形成器在阵元数较大、导向矢量失配情况下出现的主瓣畸变问题展开分析。在采用重叠正弦频率分集阵列接收结构代替一维均匀线性频率分集阵列（ULA-FDA）接收的基础上,通过可变加载约束的最速下降线性约束最小方差（SD-LCMV）准则求解导向矢量失配时的权矢量,实现对阵列方向图主瓣的有效纠偏和保形。仿真验证了采用正弦频控函数的重叠子阵FDA阵列具有最佳的主瓣宽度和低旁瓣特性。当存在2°的指向误差时,正弦频控函数的重叠子阵FDA阵列经导向矢量修正得到的阵列方向图在有效抑制干扰的同时能够实现主瓣的纠偏和保形。      

基于“蛾眼”灵感的抗反射微纳结构表面技术

飞蛾眼睛表面所覆盖的纳米级结构对光的吸收作用,启发了人们对亚波长结构与光作用的思考。抗反射技术可减少光能在传播过程中的损失,被广泛应用于光学系统、太阳能电池、光电子设备、显示屏幕、窗口元件等领域。蛾眼抗反射微纳结构表面概念的提出为光学抗反射技术的发展提供了新的思路与契机。简要回顾了蛾眼抗反射微纳结构表面技术的基本概念、技术发展情况,并对各种应用于抗反射微纳结构表面的加工技术进行了总结与归纳,对一些新的技术发展方向进行了讨论。