GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究.pdf

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1、航天器环境工程第30卷第1期54SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年2月GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究冯伟泉1一，王志浩2，万成安3闫德葵2丁义刚1,2(1．町靠性与环境工程技术重点实验室：2．北京卫星环境工程研究所；3．北京卫星制造厂：北京100094)摘要：GEO卫星带电环境和表面绝缘材料相互作用引起卫星表面充放电现象，导致卫星“地”电位的缓慢变化和瞬态变化，其中瞬态变化会造成电子系统特别是数字电路工作异常。文章介绍实验室相关模拟试验研究情况，包括试验原理

2、、试验系统组成、试验参数、结果分析以及“地”电位瞬态变化对星上二次电源输出的影响，讨论了空间ESD干扰防护方法。关键词：航天器带电；静电放电；干扰防护；模拟试验；接地中图分类号：TM935：V416．5文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)01-0054-04DoI：10．3969／1．issn．1673．1379．2013．01．0090引言地球同步轨道(GE0)卫星的故障分析表明，大部分故障发生在磁层亚暴期间，这说明磁层亚暴是引发GEO卫星故障的主要环境因素。磁层亚暴充电环境主要是指卫星运行到当地黎明期间遭遇

3、的“热”等离子体环境，即高密度低能电子环境⋯。由于卫星外表面材料的几何形状、介电特性、光照条件等不同，可使卫星相邻外表面之间、表面与深层之间、表面与卫星“地”之间产生电位差。当这个电位差达到一定量值之后，将产生静电放电(ESD)。表面ESD主要有喷弧(blowoff)、串弧(punchthrough)和飞弧(flashover)3种放电形式。ESD可能通过卫星结构接地系统将放电电流直接注入到卫星电子系统之中，或通过辐射干扰对星上电子系统产生影响乃至造成电路故障，进而威胁整星安全。卫星结构“地”电位是卫星电子仪器工作的参考电位，参

4、考电位的稳定是电子仪器正常工作的必要条件。一般情况下，卫星“地”电容在50～200pF左右，而大地电容为1F左右，即卫星的“地”电容相对大地电容来说非常小。因此，表面放电向卫星结构“地”注入的电流将引起卫星“地”电位的较大突变，从而对整个星上电子系统造成干扰，特别是破坏计算机控制的数字电路系统【2J。因此，卫星“地”电位瞬态变化及其ESD干扰防护方法研究应受到足够重视。DC／DC模块电源在航天器二次电源上有广泛应用，它具有体积小、重量轻、效率高等优势，正在逐渐取代传统的线性电源。DC／DC模块电源采用以功率半导体开关器件为核心的

5、高频功率电子电路，通过半导体开关器件周期性通断工作控制开关元件的时间占空比来调整输出电压，直接给各种星上设备供电，因此其输出电压的干扰波动会影响卫星设备的正常工作。本研究主要分为两步【3】：第一步是实验室模拟卫星表面充放电引起卫星结构“地”电位的瞬态变化，了解电位瞬态特性及其与环境参数的关系；第二步是实验室模拟卫星结构“地”电位瞬态变化对卫星二次电源(DC／DC模块电源)输出的干扰，了解参考电位的瞬态变化对电路的瞬态影响。l卫星结构“地"电位瞬态的模拟试验实验室模拟原理主要是利用背面有导体层的绝缘材料作为卫星表面充放电靶，其背面

6、导体层与真空容器外一块浮地的铜板(0．6mxl．2mx0．008m)通过穿墙电缆相连，该铜板是卫星结构“地”的模拟板。试验时充放电靶在真空容器中接收模拟磁层亚收稿El期：2012—12—04；修回日期：2012．12—26作者简介：冯伟泉(1956--)，男，研究员，长期从事航天器空间环境效应地面模拟试验研究。E-mail：weiquan_feng@yahoo．com．cn。第1期冯伟泉等：GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究55暴的电子辐照，用示波器显示放电时模拟板接收的注入电流波形及其模拟“地”电位

7、波形，以束流感应器作为传感器测量从充放电靶注入到模拟板的瞬态电流。模拟试验系统由磁层亚暴充放电模拟设备(电子枪及真空系统)、卫星结构“地”模拟铜板、示波器、放电触发器、束流感应器等组成(图1)。磁层亚暴充放电模拟设备的主要技术指标如下：1)电子枪高压为．25kV；2)电子束流密度在0．1～100nA／cm2内可调；3)电子枪在样片台上的辐照面为西300mm；4)束流不均匀度不大于20％；5)真空度为1xlO。Pa(分子泵抽气系统)。札喧"·Z％图1卫星表面充放电引起结构“地”电位瞬变的模拟试验原理Fig．1Principleof

8、testforsimulatingthegroundpotentialtransientcausedbysatellitesurfacecharginganddischarging放电的自然触发受大量随机因素影响，不易掌控。为提高试验的可控性和可重复性，采用接触