航天器内部充电效应及典型事例分析

航天器内部充电效应是由空间高能电子诱发的,通常发生在航天器内部以及表面绝缘材料深层,所产生的放电击穿及静电放电脉冲干扰较表面充电更为严重. 对内部充放电的一般规律进行了总结,并就一次典型的航天器异常事件,从异常的时空表现特征及其与高能电子环境扰动的相关性角度进行了深入分析和定量计算,得出了高能电子产生的内部充电引起的卫星异常的结论,为卫星异常诊断提供了范例.     

双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应

空间等离子体在有些情形下,并非单麦克斯韦分布,而是双麦克斯韦分布。为了研究双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应,基于等离子体动理学理论,建立表面充电平衡方程,综合考虑双麦克斯韦分布等离子体的粒子参数、航天器的单位电容、二次电子发射及光照等因素,得出了双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面充电电位的计算表达式,给出了表面充电电位随时间的变化规律。研究结果表明：当等离子体为双麦克斯韦分布时,航天器表面充电电位低于单麦克斯韦分布等离子体环境下的表面充电电位,单麦克斯韦分布的等离子体假设会过高估计航天器表面的充电效应;双麦克斯韦分布的第二分布函数中,对最终的表面充电平衡电位影响较大的主要是离子成分;双麦克斯韦分布等离子体的粒子数密度或温度越高,则表面充电达到平衡所需的时间越长;单位电容仅影响表面充电电位达到稳定所需的时间,对最终的充电平衡电位值影响不大。     

不同接地方式的卫星介质深层充电研究

关键词：     

卫星中介质深层充电特征研究

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.通过数值模拟方法对卫星介质材料中充电所致最大电场与高能电子能谱、介质厚度，及屏蔽厚度等的关系进行了详细研究，给出了介质中最大电场的基本特征. 关键词： 卫星 介质深层充电 高能电子 计算机模拟     

超高速空间微小碎片撞击充电材料诱发的放电

空间微小碎片与航天器表面超高速撞击, 能够抛射出等离子体, 在高充电的航天器表面诱发静电放电, 是可能引发航天器异常的一个重要因素. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器对充电材料进行超高速(3 km/s)撞击模拟实验, 通过观测放电脉冲信号来研究因撞击产生的等离子体诱发的放电, 得到较好的实验现象, 初步确认了超高速碎片撞击充电材料诱发放电的机理.     

高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性

介质深层充放电现象是诱发航天器异常故障的重要因素之一.分析了高能电子辐射下介质内部电荷沉积、能量沉积特性和电导特性,考虑了真空与介质界面电荷对电场分布的影响,建立了介质二维深层充电的物理模型,并基于有限元方法实现了数值计算.计算了高能电子辐射下聚四氟乙烯的深层充电特性.结果表明:真空环境下,介质的表面存在较弱的反向电场,随着介质深度增大,电场减小至零,随后逐渐增大,最大值出现在靠近接地附近,但在接地点,电场存在小幅降低.分析了不同辐射时间下(1 h,1 d,10 d和30 d),介质内部最大电位和最大电场的时空演变特性.随着辐射时间的增加,最大电位由-128V增加至-7.9×104V,最大电场由2.83×105V·m-1增加至1.76×108V·m-1.讨论了入射电子束流密度对最大电场的影响,典型空间电子环境(1×10-10A·m-2)下,电子辐照10 d时,介质内部最大电场为2.95×106V·m-1.而恶劣空间电子环境(2×10-8A·m-2)下,电子辐射42 h,介质内部最大电场即达到108V·m-1,超过材料击穿阈值(约为108V·m-1),极易发生放电现象.该物理模型和数值方法可以作为航天器复杂部件多维电场仿真的研究基础.     

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。     

电子辐照下聚合物介质内部放电模型研究

空间电子辐照环境中,聚合物介质充放电现象是威胁航天器安全的重要因素. 传统航天器介质充放电模型仅能分析材料充电过程,缺乏对放电前后介质电位残余情况与放电脉冲强弱的评估. 本文通过引入介质放电电导率,在数值积分 充电模型基础上建立同时描述航天器介质内部充电和放电过程的新模型,并将模型计算结果与实验数据进行比较,验证了所构建的模型. 模型分析结果表明,聚合物介质放电残余电位与放电电流脉冲宽度随着样品电阻率的增加而增大,放电电流强度随着临界电场强度和充电时间的增加而增强,其增幅随着辐照电子束流强度的增加而增大. 关键词： 放电模型 内部放电 电子辐照 航天器介质     

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理是研究和防护航天器聚合物充放电特性的基础.采用蒙特卡罗方法模拟空间电子的散射过程,快二次电子模型模拟二次电子的产生,有限差分法求解电荷连续性方程、电流密度方程和泊松方程的电荷输运过程,俘获过程基于Poole-Frenkel效应来实现.基于电子散射/输运同步模型基础,结合法国国家航空航天科研局(ONERA)的地球同步轨道电子能谱分布理论公式和欧空局(SIRENE)机构的地面实验方法,建立了基于地球同步轨道电子能谱分布的空间多能电子的散射模型.通过空间电子辐照聚合物充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、电位、电场和空间电位分布.阐明了空间电子辐照聚合物的充电特性和样品微观参数与表面电位的关联性.表面电位特性与实验结果相吻合,单能电子的电位强度高于多能电子的电位.充电达到稳态时,电子迁移率较小时(小于10~(–11)cm~2·V~(–1)·s~(–1)),空间电位绝对值随电子迁移率的降低明显加强;复合率较大时(大于10~(–14)cm~3·s~(–1)),空间电位绝对值随复合率的增大而增大.研究结果对于揭示空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理、提高航天器充放电故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

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     

航天器内部孤立导体表面带电面积效应研究

航天器内部孤立导体充放电对航天器的影响更为隐蔽, 造成直接和潜在的伤害更加严重. 综合考虑航天器内部环境中粒子参数及材料二次电子特性等因素, 基于气体动理论, 结合粒子的麦克斯韦速度分布函数, 得出孤立导体球充电电位一般表达式. 利用电位表达式推导得出孤立导体球净电荷量及静电场能量与导体面积关系表达式. 讨论了特殊情况下孤立导体静电场能量与面积及空间环境的关系, 与地面电子元器件电磁脉冲放电损伤值进行了对比, 总结出孤立导体表面带电面积效应规律. 关键词： 孤立导体 表面带电 静电场能量 面积效应     

基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电特征分析

为了进一步贴近航天器表面起电环境以得到更加可信的分析结果,针对航天器在恶劣充电环境下的表面起电问题,考虑空间等离子体双麦克斯韦分布情况,建立了基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电阈值方程,可在入射电子能量连续分布情况下定量分析航天器表面起电特征,其中双麦分布可更好地描述磁层亚爆期间的恶劣充电环境。经过理论分析,归纳出双麦分布下的两种典型等离子体状态。通过仿真计算,得到了在两种典型等离子体状态下航天器表面电位随等离子体浓度和温度变化的特征。结果表明：电子温度越高,表面负带电电位越高,充电越严重,与此同时,双麦分布下等离子体两种电子组分的浓度比值对带电结果有重要影响。     

一种新的航天器外露介质充电模型

为综合考虑高能电子辐射与周围等离子体对航天器外露介质充电的影响,在航天器内带电模型的基础上,通过添加边界充电电流来考虑等离子体与航天器介质表面的相互作用,并统一参考电位为等离子体零电位,建立了航天器外露介质充电模型,给出了新模型的一维稳态解法,并与表面充电模型和深层充电模型进行了对比分析.结果表明:新建模型能够综合考虑表面入射电流、深层沉积电流和传导电流对充电的耦合作用过程,实现外露介质表面和深层耦合充电计算,有利于全面评估航天器外露介质的充电问题.     

不同温度下复杂介质结构内带电规律仿真分析

卫星上某些介质结构会遭遇较大范围的温度变化, 其电导率会随之出现数量级的变化, 这将显著影响内带电结果. 受限于电导率-温度模型和内带电三维仿真工具, 该温度效应远没有得到深入研究. 为此, 在真空变温(253-353 K)和强电场(MV/m量级)条件下测试了某种星用改性聚酰亚胺介质的电导率, 借鉴Arrhenius电导率-温度模型并考虑强电场下电导率的增强效应, 发现电导活化能取值为0.40 eV时, 可得到良好的拟合结果. 在此基础上, 同时考虑辐射诱导电导率, 采用地球同步轨道恶劣电子辐射能谱, 对该类介质盘环结构进行内带电三维仿真, 发现其内带电程度随温度降低而显著增加, 带电最严重的区域位于靠近辐射源的接地面边线. 温度低于250 K时, 2 mm屏蔽铝板下该区域的场强可达到10⁷ V/m量级, 发生介质击穿放电的可能性较大. 所讨论的电导率-温度模型与内带电三维建模方法对进一步评估卫星介质结构内带电程度和做好防护设计具有重要参考意义.     

天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

空间站快速充电效应的物理过程及特征

“快速充电事件”是国际空间站2006年首次观测到的一种充电现象, 在出地影瞬间的1–3 s内航天器结构体被迅速充到-30–-70 V的负电位, 显著超过空间站的安全设计标准, 一度引起国际航天界的关注. 目前国际上对“快速带电”的研究尚不充分. 基于Furguson等的研究, 本文建立了快速充电的物理模型, 对快速充电的机理和规律给出了合理的解释. 计算及分析结果表明: 快速充电是在航天器出地影瞬间由高压太阳电池阵的光伏激发过程驱动的, 是一种非平衡态的充电过程; 快速充电脉冲主要是由于在太阳帆板电压的快速启动过程中帆板上 的电子充电电流未及时被玻璃盖片的充电所阻塞而导致的, 当快速充电过程达到平衡时便表现为“正常充电事件”; 快速充电的幅度主要取决于太阳帆板电压的启动时间、启动方式等, 因此表现出一定的离散性, 但随着等离子体密度的增大而衰减, 与国际空间站观测结果一致. 关键词： 表面充电 等离子体 国际空间站 高压太阳电池阵