微小空间碎片撞击诱发放电效应研究

微小空间碎片超高速撞击航天器表面, 能够抛射出高密度的等离子体云团, 如果撞击发生在航天器的高充电表面或带电部件等敏感区域, 撞击等离子体将会诱发放电, 该机制已经引起了广泛的关注, 但是相关研究还十分欠缺. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器加速200 μm的微粒, 通过模拟实验开展微小空间碎片撞击诱发放电的研究, 获得了典型的实验结果, 对撞击诱发放电信号的特征进行了分析. 关键词： 微小空间碎片 撞击诱发放电     

空间微小碎片超高速撞击诱发的等离子体特性研究

空间微小碎片超高速撞击航天器表面可产生稠密的等离子体,随着等离子体的扩散可导致静电放电及电磁干扰脉冲的发生,近而威胁航天器在轨安全.本文利用等离子体驱动微小碎片加速器研究了质量为10 5g的空间碎片撞击产生的等离子体基本特性,给出了等离子体总电荷与微小碎片速度之间的关系,获得了等离子体扩散速度参数及等离子体电子密度随时间和空间的演化关系,研究结果对于揭示空间微小碎片撞击诱发放电和电磁干扰脉冲形成的机理具有重要意义.     

激光诱导等离子体模拟微小空间碎片撞击诱发放电研究

微小空间碎片撞击诱发放电能够触发航天器的在轨工作异常甚至失效,对航天器的安全运行构成严重威胁.国内外相关机构已经利用地面模拟装置对撞击诱发放电的机理进行了初步的研究,但是更深入的研究由于实验条件的限制受到制约,本文根据激光诱导等离子体与碎片撞击诱发等离子体参数相似的特点,首次提出了利用脉冲激光诱导等离子体技术模拟微小空间碎片撞击诱发放电的方法,并从理论上对该方法进行分析,初步的实验结果证实了该方法的可行性.     

微小空间碎片撞击发光信号监测及应用研究

超高速撞击实验中,通过对撞击发光信号的监测,利用光谱分析法测量超高速微粒撞击形成等离子体的温度和密度是最有效的方法,也是深入研究微小空间碎片撞击诱发放电效应的基础.国内外相关机构已利用该方法对毫米以上微粒撞击等离子体的参数进行了监测,但是毫米以下微粒撞击发光信号的监测难度更大,相关研究还未见报道.本文在等离子体驱动微小碎片加速器上对百微米级微粒超高速撞击的发光信号进行了监测,对该撞击发光信号以及撞击诱发放电过程中发光的基本特征进行了分析,并提出了利用撞击发光信号对微粒速度进行测量的方法.     

空间微小碎片对低轨道航天器太阳电池表面撞击损伤研究

低轨道空间微小碎片密度相对较高,对太阳电池等大面积暴露材料的累积撞击损伤效应是航天器设计中应考虑的主要问题之一.以典型的太阳同步轨道为例分析和计算了太阳电池表面所遭遇的微小碎片通量,进行了微小碎片的撞击损伤模拟实验,并建立了撞击损伤方程.根据碎片通量分布及撞击损伤方程计算了微小碎片的超高速撞击所产生的太阳电池表面的面积损伤率,通过光学透射率的实验测试并结合理论模型,对碎片导致的太阳电池光学透射率衰减进行了计算和分析.结果表明,10a累积撞击导致的太阳电池表面的面积损伤率平均约为0.61%,严重时达到2.3 关键词： 微小碎片 超高速撞击 太阳电池 玻璃盖片     

微小碎片加速器同轴枪内等离子体轴向速度研究

等离子体驱动微小碎片加速器是地面模拟空间微小碎片超高速撞击实验的装置, 决定其加速效果的是加速器同轴枪内等离子体轴向速度. 采用发射光谱法研究等离子体轴向速度随放电电压和工作气体压强的变化关系. 实验结果揭示:轴向速度随着放电电压的增大线性增加,随工作气压的增大而缓慢减小, 与数值模拟结果符合.为进一步提高等离子体轴向速度,优化加速器提供了可靠依据.     

利用超高速撞击产生的等离子体测量微粒速度的方法研究

超高速微粒在与靶物质撞击时会形成瞬时的等离子体.本文首次设计出两种传感器收集等离子体获取微粒到达传感器的时间,然后通过飞行时间法测量超高速微粒的速度.在等离子体驱动微小碎片加速器上开展了原理实验,采集到了微粒撞击产生的等离子体信号,测量到了超高速微粒的速度,验证了这种时间测量精度高、信噪比高的全新超高速微粒速度的测量方法.     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

空间微小碎片累积撞击损伤效应加速模拟研究

利用等离子体驱动微小碎片加速器对太阳同步轨道上太阳电池在轨10年遭遇微小碎片超高速撞击的累积损伤效应进行了加速模拟, 获得了电池性能参数的损伤结果, 并与所建立的损伤评估模型的预测结果进行了分析比较, 二者基本一致.     

SMILE卫星的表面充电效应

卫星在轨运行时,航天器表面材料与周围的等离子体环境相互作用,会积累电荷产生表面充电效应,严重时将导致静电放电从而影响航天器的运行. SMILE卫星运行在太阳同步轨道和高倾角大椭圆轨道,在轨运行将遭遇多种等离子体环境,产生的表面充电效应将影响卫星在轨安全和科学数据的获取.本文采用spacecraft plasma interaction system软件仿真,建立了复杂精细的三维模型,评估了卫星在磁尾瓣等离子体、太阳风等离子体及地球静止轨道极端恶劣等离子体不同环境中的表面充电风险.仿真结果显示,不同环境下的表面充电电位有差异,但是不会影响科学载荷的数据获取.通过对表面电流的分析发现,二次电子发射在各种等离子体环境中都对表面充电有很大的影响.通过分析阴影区材料表面充电电流,计算得到的结果能够补充氧化铟锡材料二次电子发射系数实验曲线.在光照下,光电子发射在表面充电中占据统治地位.     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，损伤航天器飞行关键系统，进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计，是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟，给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较，模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

航天器空间静电效应研究进展

航天器在轨运行过程中面临的空间环境复杂多变,高能电子、等离子体环境、低气压、大温差等环境因素会引起航天器发生静电带电和放电效应,对航天器的安全运行造成严重影响。基于国内外试验数据和案例分析了空间环境引起的航天器故障,从数值仿真软件、地面模拟技术、强场诱发放电以及防护技术等方面介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进展,对我国目前研究差距和未来研究方向进行了展望。研究表明:我国航天器充放电效应防护技术研究取得了进步,下一步重点针对空间站、深空探测、探月工程等新任务,进一步拓展空间环境作用下航天器充放电效应机理和防护新技术研究,为提升我国航天器的安全性和可靠性提供技术支撑。     

ESD currents induced in a charged human body approaching a vehicle

The finite-difference time-domain (FDTD) method is used to calculate electrostatic discharge (ESD) currents induced in a charged human body approaching a vehicle. Maximum current densities induced in the human body are much higher than the threshold current density of 1 μA/cm² for the steady-state current flow cases, which may cause biological effects. It is found that the ESD current induced in the heart is smaller than the threshold current required to produce ventricular fibrillation in humans. The specific absorption (SA) induced in the human body is considerably smaller than the value of 28.8 J/kg regulated by the ANSI.     

Application of nuclear-physics methods in space materials science

The brief history of the development of investigations at the Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University (SINP MSU) in the field of space materials science is outlined. A generalized scheme of a numerical simulation of the radiation impact on spacecraft materials and elements of spacecraft equipment is examined. The results obtained by solving some of the most important problems that modern space materials science should address in studying nuclear processes, the interaction of charged particles with matter, particle detection, the protection from ionizing radiation, and the impact of particles on nanostructures and nanomaterials are presented.     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布剩余速度分析

 采用高强纤维作为防护材料,是航天器空间碎片超高速撞击防护结构发展的趋势之一。超高速撞击损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节,也是高压极端加载条件下材料动态响应分析的重要内容。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量陶瓷纤维。利用二级轻气炮进行了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布时的超高速撞击实验,根据弹丸碎片的闪光X射线阴影照片,分析了铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维编织布的撞击速度损失规律,根据实验结果拟合得到了铝合金弹丸的剩余速度方程,为分析玄武岩纤维材料对弹丸的撞击能量消耗提供了参考依据。