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1、航天器表面充电探测技术发展及其现状杨垂柏“2 王世金梁金宝1( i 中国科学院空间科学与应用研究中心，北京。1 0 0 0 8 0 )( 2 中国科学院研究生院，北京，1 0 0 0 8 0 )摘要航天器表面充电的探测在航天器的空间监铡系统占据着重要的地位。本文就航天器表面充电探涮技术的历史及现状进行了分析，并通过介绍国内外的航天器表面充电探测装置，对探测器的工作原理及其特点进行比较。依据国内外的发展经验，就我国的航天器表面充电探测技术进一步发展研究提出一些讨论建议。关键字航天器表面充电探测技术建议O 航天器表面充电1运行在太空的航天器由于等离子体及其带电粒子的作用而造成的航天器同周遭或本身不
2、同部位的不等电位现象，称之为航天器充电( 或：航天器带电) 。航天器充电依据发生在航天器不同部位而分成航天器表面充电和深层介质充电。航天器表面充电指的是充电的面积相对航天器的外部来说是可见、可触摸的，这类充电又分为绝对充电和不均匀充电。绝对充电是指航天器整体表面呈现出与周遭环境的不等电位i 不均匀充电是指航天器表面不同部位电位呈现出来的差异。航天器表面充电后会影响某些科学测量的准确度以及可靠性。而当不同部位电位差或介质内部电场强度足够大时就会在短时间内发生激烈的电荷释放也即静电放电( E S D ) 。在极短时间里释放出大量热、电荷，还包括电晕、电弧、辉光，并发射电磁脉冲( E M P ) 。
3、释放出来的电磁脉冲的上升延只有几十纳秒，持续时间从几十纳秒到几百纳秒，频谱由几赫兹直至几G H z 。电流脉冲频率主要集中在1 0 0 M i l z 左右大量的热将会使得材料性能下降从而降低工作效率，更有甚至烧毁部件的材料其次放电瞬态的释放的电荷将可以进入母线而形成瞬态脉动从而对航天器运行形成冲击。另外电磁脉冲可能耦台进导线或直接透过缝隙进入电子设备引起逻辑电路发生伪切换。出现软错误，造成工作异常或故障，s C A T H A 卫星上试验已经证实电磁脉冲可以耦台进导线中。航天器表面充放电及其试验研究一直受到航天器工程师和空间物理学家的重视。国内的中国科学院空间中心、北京大学、中国科技大学以及
4、航天5 1 0 所等单位进行过这方面的理论和地面试验研究。国内空间中心进行过部分低轨道航天器在轨表面充电电位测量，而国外已经在各类卫星上搭载此类探测装置。本文就部分国内外探测装置进行介绍，并就我国进一步的航天器充电电位探测技术的发展研究提出一些讨论建议。1 航天器表面充电探测技术之发展2 上个世纪D e f o r e s t 发表了第一篇航天器充电的论文以来，人们就开始了对航天器充电的理论以及各种模拟、避防措施和在轨探测的试验研究。随着后来低轨道航天器的发展人们又发现低地球轨道航天器也存在着这一现象便开始了低轨道航天器充电的研究。特别是空间站之类的复杂的大型空问建筑的出现。欧洲和美国也曾在一
5、系列的卫星上搭载了“主动电位控制器”，前苏联及现在的俄罗斯也在许多的通讯及导航卫星上搭载过表面电位探测器之类的装置。而表面充电探测技术就是在尽可能不破坏充电电荷的情况下，取得航天器表面相对于航天器结构以及背景环境的电位参数。航天器表面电位探测器一般有传感器( 也即探头) 、初步处理电路、机械结构三部分组成。整个航天器探测技术的关键在于探头的选取上，本文主要以分析探头为主1 1 探测技术的分类1 ) 电容式表面充电探测器探测器的工作原理以及其后续配合电路的示意图如图1 ( a ) 和( b ) 所月io探头由绝缘介质和导体板( 也即电极) 组成。探头结构形成的电容C ，探头通过C 的电容与航天器
6、结构地相通。此类探头可以测量时间常数小于- - d , 时的表面电位的变化。这一结构测量表面电位时其测量范围是1 至1 0 x C C V ，探测器测量的电位差即为航天器外表匿航天器结构参考地间的电位。w 一，Y z 钟。珏饿锚? 盘图1 电容式表面电位测量技术2 ) 音叉式表面电位探测技术。后来一种使用音叉振动原理的表面电位探测器被开发出来，如图2 所示。r c ? 搿4 “ T0 撩m 【- - 图2 音叉式表面电位探测技术音叉式探测技术属于非接触式测量的方式通过测量介质充电后在背面形成的电场强度来测量介质表面电位。音叉的正常工作需要后续的“伺服电路系统”来配合，电路为探测器能否工作的关键
7、部分之一。3 ) 背面探针式表面充电探测技术。探针式探测技术与音叉式探测技术同属于非接触式探测技术。也是通过测量介质背面电场来测来测量介质表面的电位。4 ) 直接测量电场强度式探测技术。探测器探头部分的结构原理如图3 示。图3 振动式电场强度探针这一类型的探测技术是通过直接测量由于电荷沉淀后形成的电场的强度来测量航天器表面电位。5 ) 粒子测量式表面充电探测技术。这一类型的探测技术，可以由粒子望远镜构成静电分析仪，测量电子和质子能谱，并据此推算出非屏蔽( 航天器表面以及太阳能电池阵接受的总剂量) 部件接受的总剂量，表面绝缘材料放电的可能性以及电介质材料深层放电的可能性。6 其它类型的探测方式。
8、12 探测技术的使用7 0 年代末N A S A 为了研究航天器充电发射了运行在远地点为2 3 ，3 5 5 公里近地点为1 4 ，8 7 0 公里倾角是7 9 度的的椭圆轨道的P 7 8 2 卫星，搭载了一系列的测量航天器充电及其效应的仪器，其中包括表面电位探测仪( S S P M ) 和瞬态脉冲监测仪以及充电电气效应分析仪。其中表面电位探测器采用的是电容式测量技术的传感器，试验了2 0 种不同的是材料试样的表面充电性能。如图4 所示，为表面电位探测器测量到的段时间内航天器表面黄金试样相对航天器结构地的电位值。图4 P 7 8 2 表面电位曲线D M S P 上搭载了台“卫星主动电位控制器”
9、的仪器，包含两台表面电位探测器( S P M ) 和两台瞬态脉冲探测器( T P M ) 以及一台静电分析仪( E S A ) 。S P Mj车w了八、，一，二二二，一一使用两个表面介质传感器，测量范围是：0 到2 k V 、0 到2 0 k V ：T P M 的测量范围是：电场强度是l O k V m到l O V m ，脉冲宽度是2 0 n S 到S ，每5 pS 累加一次瞬态脉冲的数目。可以得出如下的一些结论：观察到的数据从来没过超过一分钟：最大充电电位达到了一6 7 9 V 。观测到最严重充电事件时：热离子密度为1 2 1 0 6 m 3 ：电子积分通量为2 3 9 Xl O ”( m
10、2 s s r ) ：大子1 4 k e V 电子的积分通量为23 3 x i 0 2 3 ( m 2 s s r ) ：离子积分通量为I 4 81 0 ”( 莳s s r ) 。俄罗斯在E P R E S S - 1 1 等卫星上搭载了电场强度探测器。通讯卫星E X P R E S S lI 于1 9 9 4 年1 0 月发射，并定位在西经1 4 度。搭载有D I E R A 和测量航天器充电的M I P ED I E R ，包括3 台D E P p r o b e的传感器，三台分别设置于卫星的两个轴上。D E P - l p r o b e 设置于+ Y 轴端，D E P - 2 一p r
11、 o b e 设置于一Y 轴端，D E P 一3 一p r o b e 设重于z 轴端。探头重量是6 0 到7 0 9 。如图5 所示为装置运行过程中的1 9 9 7 年i 月2 6 2 8 号地磁亚暴时期的三个传感器所测量到的航天器表面的电场强度值。”5 w ? I ：I ：” ：K ：。：A A ：旷删【V U图4 1 9 9 7 年1 月2 6 - 2 8 日地磁亚暴时期E X P l i E S S - 1 1上搭载的D E P - p r o b e 铡量的电场强度数据曲线上世纪末期如图5 所示的一种被称之为“集约环境异常传感器( C E A S E ) ”的探测装置在美国空军研究实
12、验室的发起和倡导下被开发了出来。目前C E A S EI I 也已被开发出来，测量范围包括总剂量效应、辐射通量，表面介质充电、深层介质充电和单粒子事件。这一装置由两个辐射剂量仪、一个粒子望远镜和一个甚高能粒子计数器组成，C E A S EI I 加了一个静电分析仪用来测定电子和质子的能谱从而推断充电的概率。通过测量能谱范围在5 0 2 5 0 k e V 的电子得通量测量范围是4 2 X 1 0 3 I 9 1 0 c 岔S 来推算深层介质充电概率。2 0 0 0 年7 月在T S X 一5 卫星上作了首次飞行试验。日前已经装备了商业通讯卫星。因为实现了在轨数据处理，可以提供工程、科学和历史三
13、种类型的数据服务。随着越来越多的卫星的投入使用，需要空间环境监测但重量资源紧张的情况下，可以是一种选择。当然它不毕竟不是直接测量充放电的电位和放电产物，对于空间环境效应绘出的瓷讯是有限的。图5 集约环境异常传感器( C E A S E )随着诸如I S S 一类的太空建筑的出现，充电现象也成了一个问题。如图5 所示，为搭载上空间站上的悬浮电位搽测单元( F P M U ) 。包括两个郎缪探针( W L P 和N L P ) 和一个悬浮电位探针( F P P ) 以及一个等离子体阻抗探针( P I P )图5 悬浮电位探测单元( F P M U ) C A D2 I N T E L S A TV
14、 l l l 卫星搭载的表面电荷监测器I N T E L S A TV I I I 系列的同步轨道通讯卫星目前已全部发射升空静电带电测量传感器以及其它相关的一些设备措载I N T E L S A TV I I I 。包括表面充电传感器和剂量测量仪内部充电监测器两种充电探测装置。表面电位探铡器如图6 所示，一块表面涂有C h e m g l a z e 介质涂料的铝质板背面通过绝缘介质附间的关联关系如与电子质子能谱以及轨道时间和卫星当地时问等。C H A R G EP L T I E图6I N T E L S A TV I I I 搭载表面充电探测器示意图3 讨论如以上所述国外对航天器表面充电及
15、其探测技术的理论研究和试验研究比较的丰富了。然而我国这类的试验以及探测技术研究进行的是很有限的，还不不能满足对我国各类型各轨道航天器表面充电的分析研究。我国当前对航天器表面充电的探测主要集中在中低轨道，丽商轨道的空间环境中低轨道是要更恶劣。高轨道航天器表面充电电位将会更高，因此对探测技术也提出了更高的要求。整个航天器表面充电探测技术的关键部分存在传感器部分，本文就目前探测技术的进一步发展提出一些建议。l ，当前电容式探测电位的方式相对成熟且电路简单r 但测量范围受到传感器材料电性能的限制，传感器材料的选择是关键。2 音叉式探测技术一方面可以避开电容式传感器材料电性能的限制，以及不需要磁铁部分，
16、但配合电路复杂音叉式表面充电探测技术将是我国高轨道航天器充电探测的重要技术，因而对音叉以及配合电路进行研究成为必要。着在航天器结构上组成测量传感器。这一探测器测量磁层等离子体能量在5 k e y 到2 0 k e y 之间的电子，电流范围在0 1 到I n A c 皿2 的范围。通过搭载试验表面充电和深层充电集合的详细模式将被建立。并且后期将与航天器模型进行集成对照，这些被用来进行总剂量和电荷分布的计算描述。总剂量的分析结果被用来建立一些物理量之3 直接测量电场强度方式探测表面充电过程中传感器本身不对航天器表面的环境参数进行改变，但是其中需要磁铁。此探测方式将是表面充电探铡技术的发展趋势，且重量都小。4 如上文所述的几类不同的探测方式各有侧重，当然他们的造价也是不会相同的。因此对于不同轨道不同类型的航天器可以考虑选择不同的测量方法，降低研制成本。适当开展集
