星载大功率复杂微波部件微放电效应数值模拟

随着航天器有效载荷技术向高功率、小型化持续发展,复杂结构微波部件微放电数值模拟与阈值分析成为影响微放电分析的基础瓶颈问题。基于电磁时域有限差分计算方法与粒子模拟技术,结合二次电子发射模拟,提出了微放电电磁粒子联合仿真方法,数值模型中考虑了真实电子间的库仑力以及电子运动产生的电荷和电流变化对电磁场的影响,解决了复杂结构微波部件微放电三维数值模拟技术难题。实现了在统一的三维空间网格与时间步进行电磁场值演变计算、电子运动状态变化推进计算与二次电子产额与能量分布计算,基于得到的二次电子数目随时间变化趋势实现了微放电阈值预判,通过微放电电子随时间演化获得了微放电过程具体物理图像及放电位置,并与实际器件微放电实验进行了对比验证。结果表明,所提出的三维电磁粒子数值模拟方法可对大功率微波部件微放电效应的物理过程与具体放电位置进行三维描述,预测的阈值与微放电实验测量值吻合良好,误差小于1.2dB,验证了该方法的有效性与准确性,对于深入研究微放电效应微观物理机制、提高大功率微波部件微放电设计与分析水平具有重要意义。     

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。     

航天器微波部件微放电诱导低气压来源分析

航天器微波部件低气压放电效应是威胁航天器电子设备安全运行的一种特殊效应，而部件材料表面吸附气体脱附后为低气压放电提供了必要的条件。首先对比了微放电与低气压放电的区别，阐述了低气压放电破坏效应的产生根源。通过理论分析与计算，对比了热效应和电子轰击效应对不同键能吸附气体的脱附效率。结果发现，热致脱附主要造成低键能物理吸附气体的解吸附，电子轰击效应可造成高键能的化学吸附气体的解吸附。阐明了由二次电子倍增引起的电子诱导解吸附过程是星载微波部件内低气压环境的主要形成原因。最后讨论了通过部件材料表面处理及提高二次电子倍增阈值的低气压放电效应抑制方法。     

空间微波特殊效应研究团队

正中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室空间微波特殊效应研究团队立足于航天重大工程需求,以复杂微波特殊效应基础物理理论为指导,着手解决中国航天器大功率载荷遇到的基础问题,致力于提升有效载荷系统水平。空间微波特殊效应研究团队成立于2007年,在中国空间技术研究院西安分院崔骏业、吴须大等老一辈专家指导下     

基于ZnO阵列的银表面二次电子发射抑制技术

随着卫星有效载荷的射频功率越来越大,传统的微放电抑制方法已经无法满足大功率卫星有效载荷的需求。降低大功率射频部件内表面的二次电子发射系数是抑制微放电效应的重要方法之一,通过在金属银表面构造纳米量级ZnO阵列,实现了纳米尺度银陷阱结构的制备,研究了晶种制备方式、锌盐浓度对ZnO阵列生长的影响。结果表明,采用紫外照射法制备晶种获得的ZnO阵列在样片表面分布均匀,提高锌盐浓度可改善ZnO阵列的分布均匀性。分析了ZnO阵列排列密度对银膜构筑的影响,发现在低密度的ZnO阵列上更加容易镀覆金属银。因此,获得了镀银表面基于ZnO阵列的陷阱结构制备的工艺技术,实现金属银表面二次电子发射系数最大值降低36.3%。     

应用于航天器的低无源互调滤波器分析

随着航天器有效载荷朝着大功率、小型化方向发展,大功率滤波器的无源互调问题成为制约航天器有效载荷发展的重要问题。对应用于航天器的大功率同轴滤波器产生无源互调的因素进行了研究,发现了表面镀层处理和不同材料调节螺钉方式对无源互调的影响规律。用介质隔离同轴连接器内导体和馈电杆的接触方式,设计了一种S频段低无源互调同轴滤波器,比传统同轴滤波器的无源互调有效降低了20dB。这表明该方法是一种有效降低大功率微波部件无源互调的方法,可应用于航天大功率和地面移动通信大功率微波部件。     

基于修正差分进化算法确定周期内多载波微放电等效功率

微放电是空间微波部件设计所必须考虑的失效效应之一,随着空间宽带多载波模式的广泛采用,多载波条件下微波部件微放电问题引起广泛关注。针对周期内多载波微放电等效功率计算所采用传统经验公式的不足,提出了一种基于修正差分进化算法的确定周期内多载波微放电等效功率的全局优化方法。该方法通过对多载波合成信号功率特性进行分析,推导获得了 20个电子渡越时间内信号能量的表达式,采用二次插值法进行局部搜索,采用修正差分进化算法进行全局优化,从而高效、准确获得全局最优解。以幅度相等、频率间隔相等的多载波信号为例,进行了等效功率的确定,与经验公式的预测结果相当,验证了所提出方法的有效性;同时,对幅度不同、频率间隔不等的多载波信号进行了处理,获得了能够指导微波部件微放电设计的最坏状态及其等效功率。所提出方法不仅适用于幅度不同、频率间隔不等的多载波信号情况,并且能够提供微放电最坏状态时的相位分布,为多载波微放电实验验证提供相位输入。所提出方法相比传统的基于经验公式的方法具有明显优势,为空间宽带多载波工作微波部件微放电设计提供有效依据,在卫星转发器多载波微放电分析及设计中具有价值。     

空间微波系统中微放电现象

对微放电理论的研究历史进行了回顾。分析了微放电的发生条件和机理 ,讨论了影响微放电效应的各种因素 ,提出了各种增高微放电阈值电平的有效措施 ,以防止微放电效应发生 ,保护系统正常工作。给出了设计微放电部件的一般步骤 ,并对设计中需要注意的问题进行了论述     

微放电效应部件设计研究

分析了影响微放电效应阈值电平的几种因素。对微放电效应部件设计的一般步骤和方法进行了论述 ,给出了具体的设计实例 ,并对微放电效应部件设计中需要注意的问题进行了说明     

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。     

微波部件微放电效应综述

介绍了微放电效应的基本机理和研究状况,讨论了微放电效应的危害性和防护措施,指出了微放电效应研究的重要意义,并对微放电效应在工程上的一些应用作了简单介绍。最后说明微放电效应的一些需要继续研究的方向。     

高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电

针对在轨运行航天器在空间等离子体环境和空间带电粒子活动下诱发航天器表面梯度电势存在的客观现实,航天器在空间碎片的撞击下会诱发表面带电或深层电介质带电的航天器放电。为了在实验室模拟航天器表面存在电势差的真实情况,采用对航天器外表面分割的方法,在分割的表面间预留不同间距且在2靶板间加装电阻的方法创造具有梯度电势的高电势2A12铝板作为靶板。利用自行构建的梯度电势靶板的充放电测试系统、超高速相机采集系统和二级轻气炮加载系统,开展高速撞击梯度电势2A12铝靶的实验室实验。实验中,弹丸以入射角度为60°（弹道与靶板平面的夹角）、撞击速度约为3 km/s的条件撞击间距分别为2、3、4和5 mm的2A12铝高电势靶板,利用电流探针和电压探针采集放电电流和放电电压。实验结果表明:放电产生的等离子体形成了高电势与低电势靶板间的放电通道,且在梯度电势靶板间距分别为2、3 mm时诱发了一次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加而减小;在梯度电势靶板间距分别为4、5 mm时诱发了二次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加变化不明显。      

旋翼微多普勒特性实验分析

为分析旋翼及其主要部件的微多普勒效应特点,提出了一种通过微波暗室进行旋翼微多普勒效应测试的实验方法,并通过实例验证了实验方法的可靠性;两种桨叶不同桨叶片数的系列实验结果表明,旋翼的微多普勒特性通过频率把各个散射部件的回波能量分开,旋翼的片数和转速不影响微多普勒特性的分析估算,旋翼的微多普勒特性仅与其运动特性相关;结合直升机目标识别特征,采用短时傅里叶变换方法对实验数据进行微多普勒效应提取,分析了微多普勒效应与入射波和旋翼几何属性之间的关系,得到了旋翼微多普勒效应的频率特性、极化特性和宽频带特性.     

空间推进与电源轻量化的进展

推进与电源是构成航天器平台的两个重要服务系统，这两个系统都包含有机械部件和少量的活动部件。在小型科学技术试验卫星和深空探测器等小型航天器中，这两个系统的重量一般占航天器总重的６０％以上，研制成本占总成本的３０％。因此，在航天器轻量化和低成本化的过程中...     

动量轮微振动机理及仿真

动量轮是卫星等航天器姿态控制和精度保持的关键机械部件,其微振动严重影响卫星姿态稳定度和成像精度。动量轮的非均匀、非连续几何构形和旋转效应会引起结构系统的参数激励和载荷激励。针对具有非均匀力学特征参数的动量轮结构系统动力学模型,通过分析动力学方程中各矩阵参数的扰动,进行动量轮微振动机理的研究。仿真和试验结果表明:动量轮结构系统内部存在基频和高频激励,其中基频主要来自支点动载荷,高频来自轴承碾压作用;轮缘的局部振动会随转速形成前后行波。      

基于时域有限差分的微放电仿真算法

为克服传统微放电阈值预测方法建模粗糙、精度低的缺点,提高阀值预测精度和效率,研究了基于时域有限差分的精确微放电阀值预测算法。基于时域有限差分算法和粒子追踪算法,通过时空网格自洽互耦实现复杂结构微波器件微放电阈值准确计算。其中,共形和并行算法是提高微放电仿真精度和效率的关键。文章基于空间蛙跳策略实现了基于时域有限差分的微放电仿真算法,利用算法分析了典型微波器件的微放电阈值,仿真与实验结果吻合良好,误差小于0.3dB;同时,并行效率最高可达83%,验证了算法的准确性和高效性。     

有效载荷数据管理系统新技术实验

为满足在未来航天器上进行科学实验和空间探测的有效载荷数据采集、处理、存储、综合传输和数据管理需求 ,研制了中国第一个有效载荷数据管理系统 ;该系统在设计上采用了具有 90年代国际水平的多项先进技术 ,如采用先进的国际空间数据系统咨询委员会标准进行数据传输、以 15 5 3 B总线构成系统通信网络、大容量固态存储技术、高速多路复接器和数据管理系统软件。介绍了有效载荷数据管理系统及其技术特点 ,系统主要关键技术的设计与实现 ,以及由主要关键技术构成的缩微系统的在轨试验情况和结果。     

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.      

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.      

用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验研究

针对微放电测试所需大功率微波源的需求,试验研究了一种用于微放电测试的S波段注入锁频磁控管试验方法。基于注入锁频连续波磁控管的理论,试验得到了磁控管的注入锁频带宽与注入比成正比关系。改变阳极电流,得到磁控管输出功率389~1150W。通过注入锁频抑制了磁控管输出信号的边带噪声,提高注入功率拓宽了磁控管的锁频带宽,获得了高达12.6MHz的注入锁频带宽。在同时注入双频参考信号的锁频试验中,观察到了磁控管注入双锁频、杂散抑制功和功率分配的现象。该试验的结果为用于微波大功率微放电的微波源提供了试验依据。