空间等离子体对飞船对接过程的充放电影响

基于低地球轨道空间等离子体对航天器的充电机理,根据电子、离子运动性质分析了飞船绝对电位与表面导电材料分布间的关系,讨论了对接放电过程中航天器与空间等离子体的交互作用,给出了其计算方法和相关试验结果.从空间环境角度为工程实现提供了理论依据和参考.     

航天器表面电位的主动控制

一、航天器表面电位的成因及其影响 1.航天器表面电位的成因 所谓航天器充电,是指在空间飞行的航天器由于荷电粒子在其上的累积,形成与周围环境的不同电位这样一种现象.航天器充电有两种类型,即表面充电和内部介质充电(也称体积充电或深层次充电),其来源及消除方法是不同的.这里我们只讨论表面充电问题.     

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。     

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。     

脉冲等离子体源控制航天器表面充电电位的研究

在空间环境运行的航天器存在表面充电现象,而航天器表面充电引发的静电放电是导致航天器异常及故障的重要原因之一。因此,在航天器设计和应用中,必须对航天器表面电位采取必要的控制和防护措施。文章介绍了用脉冲等离子体源进行航天器表面充电电位主动控制的研究。通过模拟实验和实验数据分析,证实了用脉冲等离子体源能有效地控制航天器表面充...     

空间电容分压式表面电位探测器输出漂移分析及优化方法

表面充放电是引起航天器异常和故障失效的常见原因之一,表面电位探测器是监测航天器表面充电效应的有效载荷。目前测量表面电位的应用较多的技术方案是电容分压式,但这种方案的探测器长期工作时会出现输出电压漂移的现象。针对此问题进行详细的理论分析,得出诱导输出电压漂移的主要因素是电容分压自身的指数型传递函数特性、反向输入偏置电流、前放输入阻抗有限和静电荷泄漏。最后,提出了增加偏置到地回路和增大输入阻抗、增大指数项时间常数、数据校正、电荷清零等优化方法,并通过分析和测试最终得出了电容分压式表面电位探测器的应用结论。     

木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。     

航天器介质充电效应模拟试验中的非接触式电位转接测量技术

航天器充放电效应地面模拟试验中需要测量的一个重要参数是介质的充电电位。文章基于介质充电电位的非接触式转接测量技术,分析了测量中引起误差的各个因素,讨论了减小测量误差和提高转接测量分辨率的方法,并进行试验验证。据此设计了一套介质电位非接触式转接测量系统,其测量分辨率达到10 V以下,且由电荷泄漏引起的测量误差1%,能够满足航天器介质充电电位的测量要求。     

航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术

文章运用等效电路理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组,用FORTRAN语言开发了相应的计算机模拟程序,针对强地磁亚暴空间环境分析了地球同步轨道航天器在阴影区和光照区的充电水平。最后计算讨论了采用空心阴极等离子体接触器向航天器外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。     

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。     

近地轨道大型航天器的环境充电

许多空间实验和电子计算机预测已经揭示，在极光电子环境中大型航天器的充电电位会高达６０００－－７０００Ｖ。对采用大功率太阳阵的航天器而言，其相对于空间等离子体的悬浮电位将因太阳阵工作电压的提高而增加。例如表面材料因遭受离子轰击和电弧放电而老化、剥蚀、由于材料再沉积而使表面污染增加以及航天器电子系统因静电放电而受到严重的干扰和破坏等。因而对载人航天和长寿命空间站而言，解决航天器带电问题不可等闲视之。对     

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。     

计入带电粒子入射角度对次级电子效应影响时航天飞行器的带电特性

本文采用由实验得到的带电粒子入射角度对次级电子的影响关系,根据轨道限制电流收集理论,导出了不同几何形体航天器的次级电子数通量表达式;并按局部电流平衡模型,计算了航天器背阴面的带电电位。结果表明,计入带电粒子入射角的影响后,航天器表面负电位的数值有一定减少。因此,在计算航天器表面带电时,应当考虑这种影响。     

Accomplishment of multi-utility spacecraft charging analysis tool (MUSCAT) and its future evolution

(MUSCAT) is a high value computation tool for analyzing spacecraft–plasma interaction, whose typical example is charging–arcing issue, corresponding to spacecrafts in LEO, GEO and PEO. JAXA and Kyushu Institute of Technology (KIT) started the development as a joint project in November 2004 and the final version of MUSCAT was released in March 2007. The final version includes many important features to simulate spacecraft–plasma interaction and the features can be separated into four parts. The first part is its GUI named “Vineyard”. By using Vineyard, MUSCAT users can build a satellite model including not only its geometry but also material properties of the surface. As for the second part, MUSCAT includes many kinds of effects derived from space plasma environment as well as electrical functions of spacecraft. For the third part, MUSCAT can work on parallel workstation with multi-CPU. The last feature is that the computation result by MUSCAT was thoroughly validated by experiments in plasma chamber. The numerical result shows very good agreement with the code validation experiment. We also conducted trial computation of charging analysis on Greenhouse gases Observing Satellite (GOSAT) with MUSCAT. One purpose of the computation was prediction of charging status of GOSAT for the real satellite design in combination with the ground test. The other is performance assessment of MUSCAT. After the joint project, expansion and maintenance of MUSCAT will be carried out by “MUSCAT Space Engineering Ltd” which is a new enterprise made of the development team. In future we will try to conduct MUSCAT computation for various spacecrafts and also try to add useful function such as 3D CAD compatibility.     

国外低地球轨道空间材料在轨环境 试验研究进展

文章介绍了低地球轨道空间环境对航天器的几种影响效应,并分析了几种典型的LEO材料在轨空间环境试验（MISSE、OPM、MEDET）的情况,介绍了试验目的、试验内容和试验设备构成情况,并在获得的国外数据基础上初步分析了空间环境对材料的影响。文章有望为我国的在轨材料空间环境试验提供参考。     

不完备轨道信息下的LEO轨道面内机动检测方法

针对某些因轨道信息不完整而无法直接外推的LEO轨道飞行器的机动检测问题,提出了一种基于轨道摄动影响的面内机动检测方法。该方法将半长轴和偏心率作为检测量,通过分析大气阻力摄动和J 2 项摄动对 LEO 飞行器轨道的影响,从而确定目标飞行器的轨道参数允许边界值,再通过和实际轨道参数进行比较来判定被检测数据点参数是否超出正常范围。最后,采用这种方法对X\|37B飞行器轨道数据进行了仿真验证,共检测出10个机动点,结果表明该方法可以较为准确地利用有限轨道信息检测目标的轨道机动情况。     

低地球轨道环境原子氧对航天器表面材料聚酰亚胺作用的数值模拟

在建立数学物理模型的基础上，对氏地球轨道环境和地面实验环境下，有无保护层的聚酰亚胺所受原子氧冲蚀作用进行了进行了成功的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了数学物理模型中各参数对基蚀曲线形状的影响。从数值模拟结果和美国太空实验结果的比较可以看出，本文数据模拟的结果是正确的。该项工作对航天器的设计具有重要指导意义。     

我国航天器带电技术研究进展

航天器与空间带电粒子环境相互作用引起的带电现象是其在轨发生故障和异常的重要因素。近年来,随着航天器性能的提升和技术发展,航天器带电技术研究的范围也大大扩展。文章简要回顾了我国航天器带电技术发展的历史,并从理论研究、地面模拟试验、数值模拟和带电防护等方面介绍国内航天器带电技术研究的进展。     

超低轨航天器气动力分析与减阻设计

轨道降低,航天器受到的气动力增大,气动力对航天器影响显著。考虑自由分子流态 下的超低轨航天器,利用分割法把简单外形的航天器分割为几部分,分别计算各部分的气动 力,然后相加获得总的气动力效果;通过对平面的气动力进行计算分析,提出了超低 轨航天器的减阻设计方法;结果表明：当轨道高度降低到250 km左右时,航天器受到的气动 阻力比500 km高出约2个数量级;一般情况下,超低轨航天器应采用细长体构型,减小迎风 面积;侧面积引起的航天器阻力已经不可忽略,应采用侧面光滑技术,减少侧面阻力;当超 低轨航天器长细比超过一定限度后,随着长细比增大,大气阻力升高。