航天器大功率传输介质深层充放电试验研究

太阳帆板驱动机构（solar array drive mechanism,SADM）是长寿命、大功率航天器上负责能源传输的关键部件,对空间充放电效应非常敏感。为检验SADM导电环绝缘介质聚酰亚胺的深层充放电对功率传输性能的影响,提出材料掺杂改性和几何结构优化的方案并进行试验研究。利用电子加速器产生2 Me V高能电子束,对以聚酰亚胺为基体的不同成分掺杂和不同几何构型的试样进行辐照试验,顺次监测试样金属环片接地、恒压和悬浮3种工况下聚酰亚胺挡边的表面充电电位。结果表明,聚酰亚胺挡边高度越高充电越严重,挡边宽度对不同成分掺杂的试样表现出不同的影响规律。对充电影响最显著的是聚酰亚胺掺杂改性后产生的非线性电导特性,通过合理掺杂可以显著缓解深层充电风险并达到抗辐射加固的效果。

卫星介质深层充放电模拟实验装置研制进展

文章介绍了深层充放电研究的国内外现状及中科院空间中心在研的卫星深层充放电实验模拟装置进展情况。锶90/钇90β放射源和5～100keV电子枪被设计到一个真空系统内,分别作为介质深层充电及介质电导率的测试手段。分别用β放射源和电子枪对介质样品进行了辐照试验,观察到了kV级的充电电位和放电现象。在辐照样品之前进行的辐照空靶的实验均未观测到放电信号。该装置可为我国发展长寿命、高可靠的新一代通信、气象等中高轨卫星提供深层放电防护设计的基础数据、理论和技术支撑。

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。

转移轨道航天器深层充放电效应仿真分析

为研究转移轨道卫星介质深层动态充电规律特征,针对卫星动态辐射环境的特点,基于FLUMIC思想,建立辐射带动态电子环境模式。针对动态辐射环境下星上介质深层充电的特征,使用辐射诱导电导率(RIC)模型和Geant4建立了适用于转移轨道卫星动态环境下的介质深层充电应用模型。首次对地球同步转移轨道(GTO)和嫦娥一号卫星调相轨道运行过程中介质深层充电情况进行了仿真分析。结果表明:转移轨道卫星在运行时会多次穿越辐射带区域,电子通量存在明显波动,这种波动性反映在材料的充电电位变化中。材料峰值充电电位分别为-2 846V和-4 110V,介质内部平衡电场均超过106 V/m,存在内放电风险,需要在工程设计中进行针对性防护。

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。

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。

屏蔽厚度对电路板充电防护仿真分析

卫星深层介质充放电是造成卫星异常的主要空间环境效应之一。本文基于地球同步轨道(GEO)为目标防护设计轨道,以NASA4002A上提出的GEO轨道最恶劣电子能谱作为环境输入参数,采用Geant4-RIC方法计算了不同屏蔽层厚度下,双面覆铜接地的厚度为2.0 mm的电路板介质的深层介质充电电场。计算结果表明,随着屏蔽层厚度的增加,介质内最大充电电场呈指数降低,当屏蔽层厚度大于1.4 mm等效Al时,充电电场小于106 V/m,没有深层介质放电风险。