航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一. 本文采用不同束流强度的电子枪电子, 研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程; 利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境, 研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化; 实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲. 提出了深层充电模型, 较好地模拟了实验测量结果, 并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律. 实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律, 表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显, 介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.      

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.      

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.      

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%。     

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.      

用蒙特卡罗方法研究质子在航天器内部充电中的作用

介绍了航天器内部充电的基本物理机制, 重点研究了质子在内部充电中的作用. 用蒙特卡罗方法模拟质子在介质中的输运过程, 计算了简化的平板介质在一定通量的粒子环境中的内部充电情况. 结果表明, 介质内部最大电场与入射质子能量有关, 当质子能量达到14 MeV时候, 内部电场最强; 当质子与电子的入射数目相同, 并且材料参数一样时, 质子产生的最大电场大于电子产生的最大电场. 选取2004年7月26日TC-2卫星姿控分系统故障前的质子和电子通量数据, 分别计算了二者可能引起的内部最大电场. 计算结果表明,质子产生的最大电场比电子产生的最大电场小2~4个数量级, 并且远小于击穿电场; 在某些极端情况下, 例如质子产生的电场和电子产生的电场方向一致的时候, 电场的叠加会使局地电场得到加强.      

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.      

卫星介质深层充电中的主要物理问题

卫星介质深层充电效应是诱发地球同步轨道卫星运行故障和异常的重要因素之一，通过计算机模拟对介质深层充电的时间常数、电场特征、以及屏蔽、介质厚度和接地方式对充电所致最大电场的影响等主要物理问题进行了详细的分析，并给出了初步的防护措施．     

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。     

低轨道航天器的表面充电模拟

为研究航天器表面材料在空间环境中的充电现象, 利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction System)模拟了航天器在低轨道等离子体环境中的表面充电情况, 通过对模拟结果进行分析并与实际观测进行比较, 可以看出模拟结果基本能够反映出不同性质材料之间的充电差别, 特别是导电材料与非导电材料之间的充电差别. 模拟得到的充电电位及充电时间与充电的一般理论计算结果符合较好, 且能够清晰反映出航天器运动中产生的冲击流及尾流的结构特征. 根据SPIS低轨道航天器表面充电模拟的特点, 认为SPIS的模拟结果是合理的.      

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。     

真空中连续发射电子束形成的电子鞘层的空间结构

用双流理论模型研究真空中电子束的发射实验。向真空中发射电子束过程中,发射体本身被充正电,束缚束电子向外传播,大量的束电子在发射体表面附近形成电子鞘层;只有极少量的束电子可以逃离发射体而向外传播出去。在电子鞘层内,发射出的束电子和返回发射体表面的束电子形成速度和密度在空间为分布不均匀的双流。本文用双流理论模型解析计算出了电子鞘层的空间尺度、电子鞘层内的电场分布以及电子密度分布。      

控制航天器充电水平的计算机模拟研究

运用等效电路模式理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组及其相应的计算机模拟程序，并针对强亚暴的情况分析了航天器充电水平，模拟并讨论了采用电子枪向外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。