卫星柔性热控薄膜材料充放电效应试验

针对柔性热控薄膜材料导电/绝缘多层复合、微纳尺寸厚度的结构特点,采用10~70 KeV电子辐照的方法开展了kapton基二次表面镜薄膜材料充放电特性的测试试验,获得了表面充电电位、静电放电频次等关键参数,并采用蒙特卡罗方法研究了辐照电子在多层薄膜材料内的输运规律。研究结果表明由于kapton基二次表面镜薄膜结构的特殊性,当辐照电子能量为10 KeV时未发生静电放电现象,随着电子能量不断增加,薄膜材料的表面充电电位幅值与静电放电频次呈先上升后下降的变化规律,且在电子能量为25 KeV时空间充放电效应最为显著。

航天器表面放电诱发内部电源系统电路持续放电研究

航天器内部电源系统电路在轨工作期间存在低气压放电风险,对于电路工作电压和电流都有较高要求。模拟试验研究了航天器表面放电诱发的内部电源系统电路持续放电,结果表明,航天器表面放电会干扰内部电源系统电路,并加剧低气压放电的风险,严重时产生持续放电并烧毁内部电源系统。研究结果为电路低气压放电防护提供了指导。

空间站主动电位控制技术及其天地一体化验证

针对中国空间站100 V太阳电池阵引起的结构带电威胁航天员出舱活动安全问题,通过空间站结构充电模拟仿真与理论计算,研究了空间站在低轨道等离子体和地磁场环境下的充电特性,得出最恶劣条件下,空间站结构充电电位最大可达-108.6 V。并针对空间站的太阳电池阵电子吸收充电特性,以及电位控制需求,开展了自适应主动电位控制方法研究,采用空心阴极电子发射技术,研制了中国首个测控一体的空间主动电位控制系统,该系统完成了电位控制地面模拟试验验证,并搭载于空间站天和一号核心舱,实现了在轨应用。空间站在轨电位检测数据表明,主动电位控制系统成功将中国空间站结构电位从-55 V控制到-12 V以内,保障了航天员出舱活动的生命安全。

电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中表面充放电性能

针对宇航用电缆可靠性评价问题,分析了卫星用电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中的表面充放电机理,设计了地面模拟试验,并通过试验对电缆的表面充放电性能进行了研究,之后针对电缆在空间中长时间使用有可能出现破损裂痕的现象,通过试验对比对破损电缆进行了表面充放电性能的研究。研究结果表明:在地球同步轨道空间等离子体带电环境中,电缆表面电位可能达数千伏,并伴随峰-峰值数安的静电放电;破损电缆在破损处会产生放电使放电电流注入电路,可对电缆内部电路连接的其他器件产生影响。

等离子体源型航天器主动电位控制方法

航天器与空间等离子体、高能粒子、地磁场等相互作用,会引起充放电效应,严重影响其空间任务。通过等离子体源发射人为等离子体可有效控制航天器表面电位,保障航天器运行安全,且较其他电位控制方法更灵活、高效,但国内对此研究相对基础薄弱。为此,基于航天器电流平衡方程进行航天器带电理论分析,并结合球对称模型对等离子体源电位控制理论进行阐述;进一步通过SPIS(spacecraft plasma interaction system)仿真平台模拟分析空间等离子体和人为等离子体对航天器电位的影响。研究表明,在GEO轨道空间等离子体的作用下,航天器不同材料表面存在不等量带电,且电位可达−14000 V;等离子体源工作可高效地将航天器控制在−10 V以内,控制器适合安装于卫星东侧面,其净发射电流直接影响着控制效果;在上述基础上,开展了地面模拟试验,结果表明:利用等离子体源控制器可将−6000~−5000 V的航天器模拟件在数秒内控制至0 V左右,等离子体源电位控制技术对航天器表面高电位及不等量带电均有良好的控制效果,以上研究成果将为其空间工程化应用提供支撑。

行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因,基于辐射诱导电导率模型(RIC)和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法,首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和剂量沉积曲线,进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率模型(RIC)求解出介质内电荷和电场分布,与介质击穿电场阈值对比作为其是否发生放电的依据。模拟结果证实了对10MeV质子,在质子注量为3×1012/cm2时Kapton会发生放电,而Te-flon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航天器介质材料质子充放电评价的可行性,为此类问题的解决奠定了基础。

空间站电位主动控制及在轨应用

针对空间站电位控制需求,研究了空间站特有的带电机理,分析得出主动方式是空间站电位控制唯一可行的方法。研究了电位主动控制工作机制,建立了卫星电位自适应主动控制解析模型。在此基础上,采用空心阴极发射电子的空间站电位主动控制方法建立了空心阴极电子发射特性物理模型,研究了空心阴极电子发射特性,成功研制了中国首个测控一体的电位主动控制系统,并搭载于空间站天和一号核心舱,获得了空间站结构电位在轨测控数据。在轨应用结果表明:电位主动控制系统可将中国空间站结构电位从-60 V控制在-22 V左右,优于国际空间站-40 V的指标。

航天介质材料寿命的电性能评估技术

由于轨道空间环境与地球表面环境存在巨大差异,应用在航天环境的介质材料老化机理与一般地表环境介质材料的老化机理完全不同。如何在地面对其进行寿命评估,进而采取材料改性技术,延长航天介质材料可靠性与寿命,是摆在相关科研人员面前的重要课题。在分析航天器介质老化机理的前提下,提出采用介电性能、特别是材料的表面带电与深层带电与放电性能,结合机械性能的退变速率对航天介质材料进行评估的方法。

卫星尾迹带电数值模拟研究

基于运行于低轨道"冷稠"等离子体环境中的卫星可以在其尾部形成电子和离子浓度不等量的尾迹,尾迹效应可严重影响卫星的表面不等量带电。因此,在分析卫星尾迹效应物理机制的基础上,建立了尾迹效应的二维简单计算模型,利用PIC(particle-in-cell)方法编制二维模拟程序,计算了不同尺寸卫星的尾迹电位分布和高能电子注入下的卫星尾迹电位分布,从而得到了卫星尾迹带电和卫星尺寸及高能电子注入之间的关系。

GEANT4-RIC方法在卫星内放电监测器研制中的应用研究

围绕CRRES卫星内放电监测器在轨试验,国外开展了大量空间内带电的关键性研究,为NASA-HDBK-4002等规范的建立奠定了坚实的基础。针对实验室研制的内放电监测装置,采用GEANT4-RIC数值模拟和地面试验相结合的方法对内放电监测器的放电状况进行了对比研究,验证了模拟方法的正确性,为进一步开展空间辐射效应监测器研制提供了一种新的设计方法 。

空间静电放电传导干扰分析方法研究

应用空间静电放电 (SESD)传导干扰的集总单元模型 (LEM )分析方法 ,提出了空间静电放电源电路等效模型、航天器结构LEM模型和星上电缆LEM模型的建模方法 ,对实际卫星平板型天线系统的SESD传导干扰进行了分析研究。结果表明LEM方法用于航天器SESD传导干扰分析是有效的 ,通过对静电放电传导干扰的分析 。

高能电子辐照后高聚物内部空间电荷和介电性能研究

电介质材料被广泛地应用到各种辐射环境下,当它们受到高能电子辐射时,不仅会在其内部和表面积累电荷并引起放电现象,而且辐射会导致介质的物理和化学结构发生不可逆变化。本文采用自行研制的可用以在真空电子束辐射环境下进行空间电荷测量的脉冲电声法测量系统,离线测量并分析了在大气环境下,经不同能量高能电子束辐照后几种介质材料内部空间电荷分布规律,对其辐照后的介电常数和损耗特性进行了实验研究。

低地球轨道航天器表面充电及其环境影响因素

低地球轨道(LEO)航天器(简称低轨航天器)表面充电电位及附近等离子体分布受空间环境条件的影响,空间环境变化引起的表面电位及附近等离子体分布变化会影响星上探测载荷的功能发挥。为此,通过建立低轨航天器表面电位3维仿真模型,计算了光照区、阴影区、极区极光椭圆区内,航天器表面不同材料及航天器结构地的充电电位和充电时间。研究结果表明:无光照时,航天器表面不等量带电很小,结构地电位为-0.7 V,当航天器经过存在极光电子沉降的极区时,表面不等量带电电位差>500 V;有光照时,航天器表面不等量带电电位差约为几十V,并且随着太阳电池阵偏置电位的增大而增大,同时航天器形成的尾迹形状随光照条件的变化而改变。计算数据为科学探测载荷的安装位置及主动电位控制提供了参考。

低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验

针对我国空间站采用的高压太阳电池,开展低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验,在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象。结果表明,高压太阳电池偏置电压为-70 V时开始出现静电放电,且静电放电次数随着偏置电压的减小而增大,并在高密度的等离子体环境下更容易发生静电放电。当偏置电压为-100 V,串间电压为80 V时观测到了二次放电。

真空测试计量技术及其航天应用

真空测试计量技术是确保载人航天、探月工程、北斗导航等重大航天工程顺利实施的重要基础。围绕计量发展和航天发展建设对真空测试计量提出的新任务、新要求,真空测试计量发展在深度、广度及维度上表现出强劲的态势。近年来,围绕国家重大战略需求,瞄准真空测试计量技术核心科学问题,开展了面向航天应用的真空测试计量原始创新研究,实现了由真空中性气体测试计量向空间电推进真空等离子体测试、卫星充放电真空模拟测试、真空环境下空间计量等交叉领域的拓展,并在月球样品采样、飞船交会对接、空间守时原子钟研制、卫星平台升级换代、卫星安全防护等应用中发挥了至关重要的作用。

基于PIC方法的GEO航天器表面材料充电过程研究

地球同步轨道航天器在地磁亚暴环境下处于向光面和背光面的两侧会产生电位差。本文利用高能电子和高能离子的双麦克斯韦分布拟合同步轨道环境等离子体并加入二次电子和光电子的影响,建立了航天器的三维计算模型,利用基于PIC(Particle In Cell)方法的仿真程序,计算了航天器表面各材料的充电电位及其附近的等离子体的电位分布,以及低能电子、高能电子、二次电子和光电子的密度分布和充电电流分布,最后探讨了航天器不同表面材料电势随时间的变化情况。

航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.

高分子基材料表面改性研究进展

大多数高分子材料表面硬度低、耐划伤性能差,影响了其使用寿命和应用范围。在高分子基体材料表面制备防护薄膜是一种简单有效的解决方法,成为表面防护的研究热点。然而,大多数高分子及其复合材料的表面自由能低,薄膜与基体间固有的界面粘附力较差,制约了其实际应用。文中探讨了机械啮合、化学键合和热力学粘附等三种主要的粘附机理,阐述了高分子基体材料表面改性的研究进展,指出了不同改性方法的优缺点,提出了薄膜界面粘附力研究存在的问题和发展方向。

高压砷化镓太阳电池阵在地球同步轨道环境下的二次放电现象

高压(HV)部件是引起整星失效的单点故障源,其可靠性对于卫星在轨安全运行至关重要;充放电导致高压部件的二次放电已成为制约卫星研制和安全使用的瓶颈问题。为此,通过地面模拟高压砷化镓太阳电池阵在轨实际的带电环境,复现了高压砷化镓太阳电池阵在此环境下一次静电放电和二次放电的产生过程,并对采用被动防护方法、不同结构尺寸高压砷化镓太阳电池阵的充放电性能进行了研究。研究结果表明:局部充电不平衡是引起高压砷化镓太阳电池阵样品产生一次静电放电的原因;未涂覆室温硫化型硅橡胶(简称RTV)的三结砷化镓高压太阳电池阵样品在80 V工作电压下触发二次放电事件,导致高压太阳电池阵串电路永久性短路击穿。涂覆RTV可降低高压砷化镓太阳电池阵一次静电放电产生的放电次数和放电能量,进而减少二次放电的产生。

卫星静电放电传导干扰耦合的试验研究

通过进行卫星电子系统空间静电放电(ESD)传导干扰的地面评价试验,可以直观地了解卫星结构及电缆中ESD传导干扰的耦合规律,对于静电放电传导干扰的防护设计具有指导意义。针对空间平板介质型天线系统的ESD传导干扰,设计了两种ESD传导干扰试验方法及其试验装置,进行了单点电流脉冲注入法和容性电流耦合注入法ESD传导干扰耦合评价试验,试验结果表明,利用上述方法进行空间电子系统的ESD传导干扰评价试验是有效的,其试验结果对于航天器防静电设计具有重要实用价值。