我國航天器帶電技術(shù)研究進展

王 立，馮偉泉，李 凱

（1. 錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3. 蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000）

0 引言

航天器帶電是航天器與空間環(huán)境相互作用引起的重要效應(yīng)之一，它包括由于空間帶電粒子與航天器相互作用引起的凈電荷積累、靜電電位形成以及靜電放電發(fā)生的過程。航天器帶電的主要影響是由其引起的空間靜電放電（SESD）所誘發(fā)的電氣開關(guān)異常、系統(tǒng)失效和潛在的材料損傷，從而影響航天器的可靠性及壽命。航天器帶電技術(shù)研究對于保證航天器在軌高可靠穩(wěn)定運行具有重要的意義。

20世紀70年代末，在地球同步軌道通信衛(wèi)星研制過程中，中國空間技術(shù)研究院組織相關(guān)研究機構(gòu)系統(tǒng)開展航天器帶電技術(shù)研究，建立了地磁亞暴環(huán)境模擬試驗裝置，在航天器表面帶電機理研究、介質(zhì)材料充放電特性評價、靜電放電試驗和表面帶電防護技術(shù)等方面開展研究。至20世紀90年代，已初步掌握了航天器表面帶電試驗及防護的基本方法并應(yīng)用于衛(wèi)星研制工程。

20世紀末期，隨著航天器高壓太陽電池陣（母線電壓達到或超過100 V）的使用，國際多顆GEO航天器 GaAs高壓太陽電池陣相繼發(fā)生 SESD事件，造成電源輸出功率嚴重損失，由二次放電引起的GEO高壓太陽電池陣功率損失成為空間電源設(shè)計者關(guān)注的問題。同時，隨著集成度更高的電子器件在航天器上的使用，其對空間靜電放電更為敏感，由空間高能電子引起的航天器內(nèi)帶電現(xiàn)象也受到設(shè)計師關(guān)注。近年來，與航天器高壓太陽電池陣二次放電和內(nèi)帶電相關(guān)的帶電技術(shù)研究得到充分重視，并已在理論研究、試驗技術(shù)及防護方法等方面取得進展。

本文從理論研究、地面模擬試驗、數(shù)值模擬以及防護技術(shù)幾個方面對我國航天器帶電技術(shù)研究進展進行概要介紹。

1 航天器帶電理論研究

為有效防護航天器帶電危害，首先應(yīng)在地面通過試驗等手段，充分掌握航天器帶電現(xiàn)象發(fā)生的機理及其規(guī)律。目前航天器帶電理論研究重點集中在表面帶電機理、靜電放電脈沖發(fā)生的規(guī)律及其耦合途徑、航天器內(nèi)帶電物理過程分析等方面。

1.1 航天器帶電機理研究

航天器在軌運行期間，其表面介質(zhì)材料與空間粒子相互作用時，就材料本身而言，如果射出電荷數(shù)與入射電荷數(shù)不同，即材料表面的電荷平衡被破壞時，將發(fā)生表面帶電；另外，如果帶電粒子能量足夠高時，將穿透介質(zhì)表面而使材料內(nèi)部帶電。一般非光照條件下，空間材料表面通常累積電子而帶負電。導致表面帶電的電子能量范圍為1 keV至幾十keV；能使材料內(nèi)部帶電的電子能量在幾百 keV～2 MeV范圍。

通過材料選擇可以減小表面帶電或不等量帶電，以減少航天器帶電造成的危害；而對材料進行充放電特性測試與評價是材料選擇的重要依據(jù)。星用材料的帶電特性如表面電位、充放電速率等取決于材料本身的一些特性，主要有介質(zhì)電導率、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、二次電子發(fā)射系數(shù)、光電子發(fā)射系數(shù)等。材料表面狀況及接地方式也是影響材料帶電特性的重要因素[1-3]。在高能電子輻照下，大部分介質(zhì)材料的電導率顯著增加，增加的這部分電導率即輻射誘導電導率（RIC）是高能電子與介質(zhì)材料相互作用的結(jié)果。RIC在決定內(nèi)帶電程度、判斷是否發(fā)生內(nèi)部放電中起著重要的作用[4]。

通過提高熱控涂層的導電性能可達到防靜電的目的。然而在空間環(huán)境中，太陽近紫外輻照由于能量高從而對塑料薄膜型熱控涂層有著嚴重的退化效應(yīng)，不但對涂層的光學性能有著重要的影響，而且對其導電性能也有不可忽視的效應(yīng)。對近紫外輻照條件下薄膜型防靜電熱控涂層 ITO/Kapton/Al和ITO/F46/Ag的導電性能退化進行研究發(fā)現(xiàn)[5]：1）隨著紫外輻照度的增加，熱控涂層的表面電阻率先劇烈下降，而后呈指數(shù)規(guī)律緩慢遞增；2）紫外輻照后，熱控涂層的表面粗糙度均增大，表面出現(xiàn)明顯的微裂紋，涂層表面ITO導電膜層遭到嚴重破壞；3）ITO導電膜層的破壞和膜層中氧空位的減少是涂層表面電阻率增加、導電性能變差的主要原因。

1.2 空間靜電放電規(guī)律研究

當電荷累積使介質(zhì)內(nèi)部場強超過其材料擊穿閾值時，將發(fā)生材料的擊穿，從而產(chǎn)生靜電放電電磁脈沖。該脈沖耦合進入衛(wèi)星系統(tǒng)時，將導致衛(wèi)星工作異常或出現(xiàn)故障。空間靜電放電的形式主要有以下兩種：1）介質(zhì)材料表面放電；2）嵌入電荷擊穿。

空間材料的靜電放電特性與其充電特性有很大關(guān)系。一般地，材料表面由于存在尖角、銳邊以及表面電荷泄放通路的差別，其電位分布是不均勻的。材料表面所儲存的電荷常常經(jīng)由接地回路或表面電弧噴發(fā)而泄放。典型的靜電放電（ESD）脈沖寬度在0.05 μs至幾μs間，在脈沖接收回路中激起的瞬態(tài)過程經(jīng)常伴隨著幅度衰減的振鈴波，其衰減振蕩特性與回路的阻抗特性有關(guān)[6]。在放電過程中，材料表面泄放的能量僅占其儲存能量的一小部分。大量的地面試驗研究指出，材料表面的放電常常是類似閃電形狀的多支電弧放電，通常先在一點擊穿并形成放電通道，放電造成的電弧擴散伴隨大量的電荷遷移，其對衛(wèi)星的破壞機理及破壞程度是大不相同的，與使用的材料、接地方式及電弧傳導途徑等諸多因素有關(guān)。對放電脈沖的分析不能用樣品系統(tǒng)的儲能或靜電場去估計，而只能用放電瞬間的電場和磁場傳輸?shù)哪芰咳ズ饬?。一般認為用ESD脈沖的場強、頻率特性及一次放電能量來表征空間材料的表面靜電放電特性更為合理。因此，對空間材料的放電特性進行全面分析研究，從中可得到許多有益于衛(wèi)星防帶電設(shè)計的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

2 地面模擬試驗裝置

航天器帶電地面模擬試驗是進行帶電機理研究和防帶電設(shè)計評價的重要手段。多年來，國內(nèi)根據(jù)航天器帶電試驗要求，建立了各種類型的模擬試驗裝置。主要包括以下幾類：

2.1 材料、部組件帶電特性試驗評價裝置

航天器在空間等離子體環(huán)境中的充放電效應(yīng)可以通過地面模擬試驗、計算機仿真和飛行試驗等手段進行研究。其中地面模擬試驗主要是在真空容器中用電子槍或等離子體源模擬航天器帶電環(huán)境，測試材料或部組件的充放電特性。試驗系統(tǒng)一般由真空設(shè)備、電子槍或等離子體源以及相應(yīng)的測試儀器組成。

1）航天器大型部件級高軌充放電模擬試驗系統(tǒng)

該試驗系統(tǒng)由真空設(shè)備、三維平移機構(gòu)、電子槍、高速攝像系統(tǒng)、電子束流均勻性測試裝置和表面電位非接觸測量裝置等組成（如圖1所示），可以進行衛(wèi)星太陽電池板、天線等各種大型部件空間表面充放電環(huán)境效應(yīng)的驗證試驗。

圖1 大型部件級高軌充放電環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)Fig. 1 GEO charging and discharging simulation test facility for large assembly

系統(tǒng)參數(shù)如下：電子能量1～30 keV，束流密度范圍0.5～10 nA/cm2；電子輻照面積3 m×3 m，不均勻度不大于30%；真空度優(yōu)于2×10-3Pa；表面電位測量范圍±20 kV。

2）地磁亞暴環(huán)境帶電試驗設(shè)備

地磁亞暴環(huán)境帶電試驗設(shè)備（如圖2所示）的真空容器直徑1.2 m，長2 m，其參數(shù)為：電子能量1～30 keV，輻照面直徑1 m，束流密度范圍0.5～10 nA/cm2，可以進行各種航天器小型部組件和材料的空間表面充放電環(huán)境效應(yīng)研究和驗證試驗。

圖2 地磁亞暴環(huán)境帶電試驗設(shè)備Fig. 2 GEO substorm charging test facility

3）高壓太陽電池陣二次放電模擬試驗系統(tǒng)

反轉(zhuǎn)電位梯度電場被認為是 GEO高壓太陽電池陣產(chǎn)生二次靜電放電的觸發(fā)因素。高壓太陽電池陣二次放電模擬試驗系統(tǒng)由高壓電源、電子槍、等離子體源、高壓太陽電池陣模擬電源及多傳感器脈沖電流測量裝置等組成。試驗中，可以利用高壓電源將高壓太陽陣結(jié)構(gòu)偏置到負電位，模擬GEO高壓太陽電池陣結(jié)構(gòu)充電形成的負電位；也可以利用電子槍模擬 GEO惡劣地磁亞暴電子環(huán)境輻照太陽電池陣樣品表面產(chǎn)生不等量充電，通過觸發(fā)太陽電池陣表面靜電放電誘發(fā)二次放電事件。圖3所示為高壓太陽電池陣二次放電試驗測試框圖，圖4所示為GaAs高壓太陽電池陣工作電壓為70 V時發(fā)生的二次放電脈沖波形[7-8]。

圖3 高壓太陽電池陣二次放電試驗測試Fig. 3 The circuit for high voltage solar array secondary arc test

圖4 GaAs高壓太陽電池陣二次放電脈沖波形Fig. 4 Measured waveform of the secondary arc of GaAs high-voltage solar array

2.2 介質(zhì)材料深層充電模擬試驗裝置

當高能電子注入衛(wèi)星介質(zhì)材料時，由內(nèi)帶電效應(yīng)引起的內(nèi)放電會直接作用于衛(wèi)星電子部件上，從而造成嚴重事故甚至導致衛(wèi)星失效。目前地面利用電子加速器、Sr放射源、Co60放射源等輻射源開展空間介質(zhì)材料深層充電模擬試驗，主要測量被輻照樣品的放電脈沖、介質(zhì)材料輻射誘導電導率、材料內(nèi)部的空間電荷等。其中以高能電子加速器為模擬源的內(nèi)帶電試驗裝置主要參數(shù)為：電子束能量為0.8～2.5 MeV，束流密度 0.1～10.0 pA/cm2。利用該裝置開展了 FR4等介質(zhì)材料的內(nèi)放電監(jiān)測試驗以及Teflon和Kapton等介質(zhì)材料的輻射誘導電導率、空間電荷分布特性試驗[9]。

介質(zhì)材料輻射誘導電導率通過測量不同輻射劑量率條件下的電導率，采用數(shù)值分析獲取相關(guān)參數(shù)，而空間電荷密度分布測試采用的是脈沖電聲（PEA）測量技術(shù)[10]。

2.3 空間靜電放電傳導干擾模擬試驗

空間靜電放電與電子線路的耦合是一個非常復雜的過程。在地面真實而全面地模擬航天器上靜電放電與電子系統(tǒng)的相互作用過程是比較困難的?？臻g靜電放電試驗中的技術(shù)難點主要集中在兩個方面：ESD放電源的選擇及傳導干擾試驗方法。進行空間靜電放電地面試驗前，應(yīng)首先進行空間靜電放電傳導干擾耦合分析，以此為基礎(chǔ)制定詳細的試驗計劃，以確定試驗過程、裝置、試驗級別以及測試參量。

本文利用導線耦合法原理，研制了一套電容-電流耦合注入ESD試驗裝置，如圖5所示[11]。該試驗裝置中的電流注入耦合器主要由距離板式地線高度為5 cm的絕緣介質(zhì)架構(gòu)成，介質(zhì)板上加工了不同間距的平行導線槽，試驗中通過調(diào)節(jié)線間距離及導線長度改變注入放電脈沖的大小。試驗中注入耦合器一根導線與平板介質(zhì)電容型放電模擬源電流回路相接，而另一根導線與被試天線電纜相連。該試驗裝置具有操作簡單、可根據(jù)試驗要求靈活改變注入脈沖的量級等特點。

圖5 電容-電流耦合注入ESD試驗裝置Fig. 5 Schematic diagram of capacitance-current coupling injection ESD test

3 航天器帶電數(shù)值模擬

自NASCAP軟件應(yīng)用以來，各類與航天器帶電相關(guān)的數(shù)值分析軟件不斷出現(xiàn)，數(shù)值模擬方法不斷改進和完善，并大量應(yīng)用于航天器帶電分析與防護設(shè)計，對于提高航天器帶電防護設(shè)計水平和完善地面試驗評價手段起到了十分重要的作用。目前與航天器帶電相關(guān)的數(shù)值模擬軟件主要包括充電分析軟件和靜電放電分析軟件兩大類。

3.1 航天器充電過程數(shù)值模擬

航天器帶電分析一般要求能夠描述航天器發(fā)生表面帶電或內(nèi)帶電的電位分布、電場分布以及可能發(fā)生靜電放電的部位，而表面帶電分析則包括表面絕對充電、不等量充電以及航天器與空間等離子體相互作用等過程模擬，根據(jù)航天任務(wù)的軌道以及特點進行分析。目前已開發(fā)的相關(guān)軟件主要有以下幾類：

1）基于航天器表面帶電電流方程的電位分析軟件。利用該工具可進行整星級的表面電位分布計算，根據(jù)要求也可以考慮空間光照條件變化情況下的動態(tài)充電過程分析，計算結(jié)果可作一維或三維輸出。

2）基于單元粒子法（PIC）的材料或太陽電池陣表面充電分析軟件[14]。通過該軟件可較好地進行局部細節(jié)的帶電情況分析。

3）基于蒙特卡羅工具GEANT 4和介質(zhì)材料深層充電解析方法的內(nèi)帶電分析軟件[15-16]。這類軟件可較好地分析介質(zhì)材料在空間高能電子環(huán)境作用下內(nèi)部電場分布情況，同時可以給出介質(zhì)內(nèi)電場隨時間和邊界條件的變化。

3.2 空間靜電放電數(shù)值分析

在航天器帶電防護工程中，確定SESD的危險度、耦合途徑及其效應(yīng)，是決定采取何種防護技術(shù)并確定靜電放電試驗級別的基礎(chǔ)。SESD干擾可以通過輻射耦合或傳導耦合進入航天器外表面或熱控板金屬層中，其干擾形式可用靜電放電產(chǎn)生的電磁波或瞬態(tài)電流來描述。在實際應(yīng)用中，更為關(guān)注靜電放電傳導干擾分析。進行SESD傳導干擾分析的手段是借助專門的計算方法和等效電路模型，通過計算得到放電脈沖加載于接口電路或電子設(shè)備輸入端的瞬態(tài)電壓和電流值，目的是確定電子設(shè)備或敏感接口元件面臨的干擾危險度，從而為靜電放電防護及在地面組織必要的驗證試驗提供理論依據(jù)。

有多種方法可以用來分析耦合到航天器元器件上的放電瞬態(tài)脈沖，如集總單元（LEM）法、數(shù)值電磁法、粒子推入法、電磁輻射耦合法等。這些不同的耦合分析方法可進行時域或頻域分析，有各自的特點。李凱等人[17]通過建立空間靜電放電源電路等效模型、航天器結(jié)構(gòu) LEM 模型和星上電纜LEM模型等，利用PSPICE軟件對航天器表面放電的傳導干擾進行了初步分析。當電子設(shè)備的輸入阻抗為50 Ω，表面放電電位為1 200 V時，典型放電電流脈沖如圖6所示。其峰值約為5～6 A，經(jīng)過電纜耦合到電子設(shè)備端口處的電流脈沖峰值約為450～500 mA，端口處的耦合感應(yīng)電壓約為25 V。

圖6 航天器表面放電電流脈沖波形模擬Fig. 6 Simulation of spacecraft surface discharging current pulse wave

航天器帶電數(shù)值模擬要求依據(jù)實際應(yīng)用情況確定帶電分析邊界條件，同時要求有置信度較高的材料特性數(shù)據(jù)作為支持。目前開發(fā)的相關(guān)數(shù)值模擬軟件大多為開發(fā)團隊研究使用，用于工程分析中還須進行大量的驗證工作。

4 航天器帶電防護設(shè)計

航天器帶電防護應(yīng)充分考慮航天器帶電特點，并按照航天器研制中的設(shè)計、制造、在軌管理等環(huán)節(jié)來考慮其各階段對帶電防護技術(shù)的要求，盡量以最小化代價來解決帶電問題，最終保證航天器在軌運行期間不因充放電事件發(fā)生故障并降低事件的嚴重性。各類航天器帶電設(shè)計指南和保證要求供各級航天器產(chǎn)品研制部門使用，是帶電防護設(shè)計的重要依據(jù)[12]。

目前針對航天器表面帶電防護的主要措施包括：1）表面等電位設(shè)計以及防靜電涂層使用；2）最高充電電位控制；3）整星電荷泄放通道的建立等。

對于航天器內(nèi)部帶電的防護首先要掌握介質(zhì)材料的深層帶電特性，對于不同的航天任務(wù)選擇合適的絕緣材料，盡可能使用具有較高輻射誘導電導率的介質(zhì)材料或建立有效的電荷泄放通道。另外，對于懸浮導體的存在情況進行詳細分析，特別是在敏感電子線路附近時。

航天器帶電與其使用材料、結(jié)構(gòu)以及制造工藝等相關(guān)，在不同任務(wù)環(huán)境下的具體表現(xiàn)形式和危害程度有較大差別。因此，在進行帶電防護設(shè)計時，對于關(guān)鍵電子系統(tǒng)必須同時考慮其抗空間靜電放電干擾能力。通常，空間電子系統(tǒng)應(yīng)考慮綜合采用屏蔽、濾波、接地等技術(shù)進行防靜電放電設(shè)計。設(shè)備及整星級的靜電放電敏感性試驗是確保航天器在軌可靠工作的重要內(nèi)容，除常規(guī)的輻射場試驗外，應(yīng)有針對性地進行單點放電脈沖注入試驗和傳導干擾試驗。

一般的帶電防護設(shè)計不能完全解決航天器特殊電氣部件或特殊任務(wù)的靜電防護問題，對這些特殊部件或特殊任務(wù)，應(yīng)進行特別的設(shè)計和試驗。如高壓太陽電池陣二次放電防護可采用涂RTV膠、增加電池串間距或減小電池串電流等[13]；高壓大功率 SADA部件應(yīng)重視絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其在長期應(yīng)用條件下安全。

5 結(jié)束語

航天器帶電技術(shù)研究對于確保航天器在軌高可靠運行具有重要意義。隨著大量新技術(shù)在空間的應(yīng)用以及空間環(huán)境變化，航天器在軌發(fā)生的帶電現(xiàn)象及其規(guī)律也會不同。因此，需要不斷完善地面模擬試驗方法并開發(fā)更好的數(shù)值模擬軟件，為提高航天器在軌穩(wěn)定運行能力提供更好的支持。

致謝

感謝蘭州空間技術(shù)物理研究所楊生勝研究員、秦曉剛研究員為本文提供幫助。

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