航天器典型悬浮导体结构深层放电现象的模拟试验研究

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1、第28卷第1期航天器环境工程20ll{}：2』JSPA(1F(’RAFTENVIRONMENTEN(ilNf'ERING2I航天器典型悬浮导体结构深层放电现象的模拟试验研究全荣辉，张振龙，韩建伟(中国科学院空间科学与应用研究中一Ii,，北京100190)摘要：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

2、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。关键词：航天器；深层充放电；悬浮导体：模拟试验中图分类号：TM203：TM503+．5：V416．5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)01-0021—04DoI：10．39690．issn．1673．1379．2011．01．0040引言在空间辐射环境中，高能带电粒子容易穿透卫星表层，在介质内部或航天器内部造成充放电现象，导致深层充放电

3、效应(也称为内带电效应)。深层充放电效应是危胁航天器安全的重要因素之一，由其引发的放电现象可以导致绝缘介质击穿、卫星指令信号干扰甚至直接烧毁集成电路。1973～-1997年航天器故障成因统计结果表明【ll，由充放电现象(表面充放电和深层充放电)引起的航天器故障占54．2％，其中可判定由深层充电效应直接引发的占24．8％。因此做好深层充放电效应防护是有效保障航天器安全的必要工作。目前国内外已针对深层充放电效应开展了大量的地面模拟试验与空间飞行试验，获得了一批有参考价值的试验结果，同时建立了相应的模型评估航天器深层充放电风险12-31。这

4、些试验与模型主要针对一维或二维简单结构，表明航天器在空间高能电子辐照下可充电至较高负电位。但是，对于深层放电现象，除了在轨试验与地i斫极端模拟条件下，常规的地面试验较难观测到。中国科学院空间科学与应用研究中心(简称空间中心)建立了国内首台卫星深层充放电模拟装置，在该装置上进行了GEO环境下初步的深层放电模拟试验14-51。考虑到航天器中部件结构的复杂多样性，我们选择了一些典型的含有悬浮导体结构开展深层充放电效应试验，观测到这些结构的深层放电脉冲信号。本文介绍了相关试验的装置及结果，可为航天器内带电防护设计提供参考。l试验装置卫星深层充

5、放电模拟装置主要由真空系统、温控系统、辐照源和测量系统组成。真空系统包括真空容器、机械泵和分子泵等。真空容器为长方体(约为O．5mx0．5mxl．5m)，其中一面开口水平开合，便于试验样品放置。在经机械泵和分子泵近10h抽真空后，容器内真空度可以达到10。4Pa。机械泵和分子泵单次运行时间不少于两个月，保证了深层充放电效应模拟试验对较长时间真空环境的模拟要求。装置中的辐照源有电子枪和90Sr放射源两种。其中90Sr放射源的电子能谱分布与GEO恶劣电子环境相似(如图l所示)，其电子能量与外辐射带收稿日期：2010．08．25．收回日期：

6、2011-01．13作者简介：全荣辉(198l一)，男。博士学位，目前主要从事空间环境效应模拟试验与数值模拟研究工作．E-mailquan-silin@163．corn。航天器环境工程第28卷电子能量相当(0．1～2．2MeV)，半衰期为28a，浮状态，铝遮挡片接地。能谱稳定，可用于模拟GEO环境下样品的深层充放电过程。能量珊eV图190Sr电子源能谱与GEO最恶劣电子能谱的比较Fig．1Comparisonofelectronspectrumbetween90Sr：VbetasourceandtheworstcaseinGEO试验期

7、间，将所模拟的典型结构置于放射源前进行辐照，通过改变源距调整辐照电子束流密度，范围为l"15pA／cm2。测量系统包括表面电位计、弱电流计、Pearson罗氏线圈和宽频电场脉冲仪等，分别对应测量样品的表面电位、泄漏电流、放电电流和电磁脉冲等。其中罗氏线圈的技术指标为：信号输出0．5V／A，脉冲上升时间2．5I'IS，负载为50Q，通常输出电压为0．1～50V。电场脉冲仪的频率测量范围为lkHz～IGl-lz，脉冲幅度范围lV／m"一10kV／m。2试验结果及分析2．1解锁后的火工品部件的深层放电及真空度影响由于航天器通常用火工品实现火

8、箭箭体等分离操作，火工品使用后会遗留贯穿航天器内外的、含有悬浮导线的电缆等结构。暴露在航天器外部的悬浮导体在空间高能电子的辐照下，极易充电至较高的负电位。与此同时，与外部悬浮导体相连的航天器内部的空置导线也将带上较高的负