高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

为揭示聚合物介质材料在连续能谱高能电子辐射下的深层放电规律特征,利用~(90)Sr放射源对聚四氟乙烯(PTFE)材料进行了不同条件的辐照实验。对采集的大量放电数据进行统计分析发现,电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都会影响介质的放电风险以及放电脉冲特征。高能电子对样品持续数天的累积辐照会降低介质自发放电的阈值条件,辐照后期放电更加频繁,但放电强度会减弱。入射电子通量越低时,放电风险越小;通量越高时,放电频率越高,高强度放电事件的发生概率也越大。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性,温度下降时介质本征电导率降低,充电电位和放电风险增加;一旦发生放电,放电电流脉冲的平均幅度也更大。     

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。     

存在金属磨屑的空间盘式滑环真空电弧放电试验研究

滑环广泛应用于航天器太阳电池阵驱动机构,是航天器系统能源供给和信号传输的关键通道。滑环电弧放电曾引发多起航天器故障,而金属磨屑是造成滑环在轨放电的关键因素。文章设计了磨屑条件下盘式滑环真空电弧放电试验方案,采用真空系统和真实产品分别在60 V和34 V电压下完成了焊点之间、焊点与内环道之间的真空电弧放电试验。通过该试验,验证了磨屑和电压对滑环真空电弧放电的重要影响。试验结果表明,真空电弧放电会造成滑环内部大面积烧蚀,造成焊点之间、焊点与环道间的短路或开路,破坏盘片绝缘性能。根据试验情况,从设计和使用方面提出了预防空间盘式滑环真空电弧放电的改进思路。     

小子样下导电滑环磨损失效仿真的可靠性评估研究

针对滑环失效数据较少的特点，构建导电滑环磨损失效模型，结合小子样数据处理法和随机性理论对滑环摩擦副进行可靠性评估研究。首先，考虑滑环摩擦副在热力电多场耦合环境下的特点，应用传热学、赫兹理论、能量守恒定律量化多场耦合对滑环摩擦副的影响，再结合Archard模型理论构建导电滑环摩擦副磨损失效模型。然后，采用小子样数据的虚拟增广法和Boot-strap法对仿真数据进行扩展，根据滑环磨损特征量分布规律分别得到随机失效阈值与固定阈值下的可靠度函数曲线，以某厂制造的导电滑环为例，进行滑环摩擦副可靠性评估，实验结果表明随机失效阈值下的可靠度与实际更接近。研究表明所构建的磨损模型和方法可以有效地对导电滑环进行可靠性评估，避免了传统的必须依赖大量试验数据的方法，解决了缺少滑环试验数据而难以进行可靠性评估的问题，填补了导电滑环可靠性研究的空白。     

航天器典型悬浮导体结构深层放电 现象的模拟试验研究

空间辐射环境中,由高能电子所引起的深层充放电现象是威胁航天器安全的重要因素之一。文章采用90Sr放射源模拟GEO电子环境,试验观测了电子辐照下几种含有悬浮导体的典型卫星模拟部件结构的深层充放电现象,比较了真空度、束流密度与温度对放电现象的影响。试验结果表明,深层放电现象的产生与部件结构密切相关,在一定环境条件下含有悬浮导体的结构即可产生放电现象。因此,航天器深层放电防护除了选择合适的介质材料外,要尽可能地避免悬浮导体的存在,同时还必须考虑真空度和温度的影响。     

积叠式导电滑环的研制

积叠式导电滑环采用全新的工艺方法 ,避免了传统的真空灌注环氧树脂方法易形成的气泡、裂纹、疏松等现象 ,保证了型号设备中导电滑环的绝缘性能 ,特别是在潮湿环境、高温、低温下能保持高绝缘性。     

空间级环氧树脂浇注体的电子辐照效应研究

通过地面模拟空间环境电子辐照条件(电子能量Ee=150keV;束流密度A=2.0(1012cm-2·s-1;辐照剂量范围Φ=0～5.0×1016cm-2;真空度10-6Pa,环境温度120K),研究了不同辐照剂量下环氧树脂浇注体648和TDE-85的质量损失、弯曲强度和表面的变化.试验结果表明,随着辐照剂量的增加,质量损失呈现先加速递增后趋于平缓的态势;弯曲强度呈现先上升后下降的趋势;树脂表面产生了放电现象;表面粗糙度也发生了不同程度的变化.     

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。     

空间材料深层充放电效应试验研究

利用电子枪发射的单能电子束、以及放射源发射的能谱结构接近空间电子环境的β射线电子,模拟试验了几种常用空间介质材料和某卫星部件的深层充电过程;结合对放电电流脉冲和电场脉冲的测量,观测了深层放电脉冲信号及其对试验电路的影响。试验结果表明,在类似实际空间强度的pA量级电子束辐照下,介质材料可以累积大量电荷,其表面电位可以达到近万V;随后发生的介质材料放电可产生高强度的放电电流脉冲和电场脉冲,放电脉冲对试验电路造成较强的干扰。     

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。     

用于深层充电评估的卫星介质电导率测量技术研究

准确测量得到卫星介质材料的电导率对于卫星深层充电危害评估具有重要意义。在电荷贮存衰减法的基础上,文章提出了一种获得介质材料暗电导率和辐射诱导电导率的试验测量和数值计算方法,即采用90Sr-90Y β放射源,在温度为20 ℃、束流密度为5 pA/cm2的条件下对卫星常用的聚酰亚胺材料进行辐照试验,通过测得的材料表面电位随时间的变化曲线,拟合得到材料的暗电导率和辐射诱导电导率。该方法已在某卫星产品的充电评估中得到应用,计算结果与模拟试验结果符合较好。     

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。     

卫星外露电缆束介质结构深层充电仿真分析

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露电缆束介质结构深层充电进行三维仿真分析。结果表明:深层充电导致介质结构带20 V以内负电位,电位和电场强度峰值分别出现在电缆束外圈电缆介质层的外侧与内侧;对于导线介质层厚度为0.19 mm的情况,各介质层间是否紧密邻接和电缆束包含电缆根数多少对充电峰值结果影响不大;捆缚电缆的条状介质块是发生放电的危险区域,介质块厚度为0.8 mm时,充电电位在-103 V量级,电场强度可达到4×106 V·m-1,且电场强度与电位随介质块厚度增加而显著增大。     

高能电子辐照引起的纳米器件翻转效应研究

随着电子器件特征尺寸的减小,其翻转阈值也在降低,使得空间中的高能电子或可诱发纳米器件产生翻转效应.文章选用28 nm的V7型FPGA作为研究对象,分别采用能量为0.2 MeV和1.5 MeV、注量率为5×108～1×109/(cm2·s)的电子进行辐照,结果表明试件产生了明显的翻转效应.结合高能电子作用28 nm器件的...     

真空出气对星用聚酰亚胺材料电导率的影响

卫星介质材料在真空环境下的出气有可能对材料本身的介电性能产生显著影响,增加长期服役卫星寿命末期的充放电风险。文章以卫星上常用的聚酰亚胺材料为对象,通过地面90Sr-90Y辐照源加速辐照试验研究了在材料真空出气后其表面充电平衡负电位的变化,并据此计算出材料电导率的变化规律。结果显示,在5 pA/cm2电子辐照强度下,聚酰亚胺样品的电导率随着出气量的增加而明显下降,在总质量损失达到0.5%时,电导率减小一半左右。初步分析了出气导致电导率下降的物理机制。研究结果对卫星寿命末期充放电防护设计有指导意义。     

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。