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1、航天器充放电的研究现状及发展方向于向前 陈鸿飞 宗秋刚 邹鸿 施伟红 邹积清 仲维英（北京大学 地球与空间科学学院 空间物理与应用技术研究所，北京,101）摘要:一方面论述了航天器充放电的背景知识，然后简介了航天器充放电的研究现状，接下来对航天器充放电的发展方向进行了论述,最后对由质子导致的充放电现象进行了单独论述。核心词: 航天器充放电；航天器充放电的研究现状;航天器充放电的发展方向；由质子引起的航天器介质材料充放电The Bacgndan ftureWok f Spcerft Chaging ad discargng U XiangQi HEN HongFei ZNGQugng ZU Ho
2、ng SHI eiHong UJiQin ZHONG WeiYing （nstitt of pace Pyics and plied Tcnoogy， eking University, eijing，10087)Absract： he introuctions ofspacecraf chaging nddichn is state firstl, and hen present ptiulrl the bacgroun fsceaft chargng an disargin， and then he fuue work s dscused,at nd Cargingof Spacaf ol
3、yms by ErgticPrtons iresnd.Keord：pacecratchargngn ishargg; h backround of pacecaftrgingaddishging; efutur work f spacecraft caging nd dcharging, charging f Spcecraf Polymes by Enerticroton1、 背景简介随着三十年前地球同步轨道卫星SATHA的发射，人类进入了研究航天器充电的鼎盛时代。研究航天器充放电的目的有二,一是在轨科学测量,另一种避免是对卫星以及星上仪器的损坏。尽管诸多航天器异常都被觉得是放电脉冲引起的。
4、但是到目前为止，只有CRRS航天器上同步观测到了介质放电脉冲和航天器翻转(异常),确认异常是由于放电脉冲所致。放电脉冲引起的航天器异常和单粒子效应引起的航天器异常现象相似，都会导致航天器电子学系统浮现故障或者敏感元器件失效。由于我们不也许在航天器上进行实地诊断，因此几乎所有的航天器异常都是推论。对介质充放电现象的进一步理解可以协助我们对航天器异常进行分析,以便制定出更好的指引方针以避免航天器充放电异常发生。在EO和EO轨道,导致航天器充电的粒子重要是电子。在内辐射带、行星际空间和近月空间,质子引起的航天器充电也很重要。此外，不带电的粒子，例如光子和中性原子，也可以与物质互相作用产生电流导致航天
5、器充电。由于航天器构造越来越复杂，其屏蔽层厚度越来越薄,由介质充放电引起故障也越来越严重。目前,人们对充放电的细节理解还存在很大争论。本文对航天器的充放电研究进行了回忆，指出了将来的发展方向，最后对由质子引起的航天器充放电研究进行了讨论。2、 航天器充放电的研究现状. 充电 航天器充电可以细分为表面充电、表面不等位充电、内部充电和深层介质充电。1.1表面充电表面充电重要由低能带电粒子导致。由于电子和离子的速度差别使得航天器表面带负电,负电吸引正离子，排斥电子,最后达到静电平衡。航天器表面带电最高可达1kV。负电可以吸引离子加速航天器表面材料老化。在航天器表面涂一层导体膜或者掩埋一层导体膜接地可
6、以减少这种充电。目前表面充电的在轨实验还局限性以得出有关表面电位和航天器异常的关系。航天器表面电位和电场对于结识航天器表面充电都很重要,这些可以采用拉缪尔探针和低能带电粒子能谱仪测量。电场表可以测量航天器的表面电场,但是在某些状况下,它被误当作表面电势测量计来使用。瞬间脉冲探测器（TPM)对于提高对脉冲放电与表面电势的关系至关重要。将来通过对这些数据的分析可以得出航天器表面电位、电场和放电脉冲的关系。.1表面不等位充电表面不等位充电由于不同材料吸取和发射电子的性质不同,一种时刻只有一半甚至更少的航天器表面被太阳直射,并且磁场和电场也可以变化带电粒子的运动,因此虽然入射的带电粒子是各向同性的，并
7、且航天器只用一种材料构成，航天器表面发射出来的二次电子也将被偏转,使得表面充电状态不一致，导致航天器表面的不等位充电。使航天器表面电位一致的唯一措施是将表面做成金属,但是这是不切实际的。航天器表面不同位置的电压差一般在-2kV。大部分航天器都包裹了一层导热板，导热板会镶嵌或者涂一层导体层，这将使充电电荷得到释放，大大减少充电电压,但是这种措施对航天器其她部件的充电现象改善不大。表面不等位充电充电危害更大,其测量也更麻烦。我们需要测量航天器表面的不同的点的电位来拟定彼此间的电压差。目前的模型由于忽视了漏电流而高估了电压差。天线对于不等位充电是一种敏感的部件,放电会对天线形成高达几百伏的电压。因此
8、，天线构造在使用前需要进行测试。我们还需要发展新的设计准则，例如,裸露的绝缘表面需要最小化,最佳使用不会发生放电的绝缘体。表面不等位充电在APEX 和 SAMPEX上进行了测量，可惜它没有对电位进行测量,只测量了与部件所加偏压与脉冲放电的关系。.1.3内部充电内部充电由较高能量的带电粒子将穿透航天器蒙皮进入航天器内部，对内部的绝缘介质或者孤立导体进行充电所致。典型的充电物质涉及机箱外的电缆表皮、绝缘导热垫、有支架的绝缘体、导热漆、裸露的电连接器、元器件的绝缘包裹层、光缆和光学窗口等,还涉及机箱内部的电路板、集成电路的绝缘层、电容、电连接器和电线的绝缘层。航天器内部的充电状态与高能带电粒子能谱和
9、蒙皮厚度有关,与等离子体环境关系不大，除非她们能穿透蒙皮。空间在轨的测量数据表白航天器内部的绝缘介质会常常发生放电。目前某些典型的绝缘介质器件一般屏蔽层很薄，并且与敏感电路直接相连,很危险。在航天器蒙皮里面安装电场监测仪也许会解决如下问题:内部绝缘介质表面会充到何种电位，它们放电频率是多高，放电脉冲的哪部分会产生危害。.1.4深层介质充电深层介质充电的因素是不同能量的带电粒子将沉积在介质的不同厚度，形成电压差。由于大部分介质的电荷沉积细节目前是不清晰的，因此虽然短暂的照射时间,也很难预测电荷的沉积过程。电阻率低于01-cm的介质的放电时间常数不不小于02s，在典型的空间环境中一般不会沉积太多电
10、荷，这些材料可以满足大部分绝缘规定，并且一般不会产生静电放电，但是这些材料目前还没有被使用。已经存在的深层介质充电模型可以预测某些地面实验成果,但是它们都是抱负化的，基本上没有实际应用价值。若采用这些模型进行估算，航天器上是不会发生深层介质放电的，由于金属层都已经把电荷漏掉了。空间实验和地面实验都表白脉冲放电具有不可预测性。在空间中，绝缘体由于暴露在真空中和其她因素而变得更加绝缘,不利于电荷释放。并且，边沿效应、大瑕疵、与电极的接触和其他因素都也许引起深层介质放电。发展更好的模型遇到诸多困难，目前的模型可以协助我们设计某些材料测试实验。某些重要的绝缘体应当暴露在空间量级的真空中一年以上,测量其
11、体电导率。其随着慢辐射的变化也要进行充足的评估。此外，还要尽量避免尖状的介质浮现。CES卫星将异常归因于深层介质充电。紧接着人们又分析了此外几种卫星上的航天器异常与杀手电子的关系，将这些航天器异常都归因于太阳事件期间的杀手电子。目前，人们已经形成共识：杀手电子将导致航天器深层介质充电和异常。分析了194年几种卫星合计两天不小于MV的电子通量与卫星异常的关系,如图1所示。图两天不小于MeV的电子通量与卫星异常的关系此外，对GES-7卫星在第2个太阳活动周合计两天不小于2eV的电子通量与卫星异常的关系进行总结，如表所示。表1 GOES-7卫星在第22个太阳活动周电子通量与卫星异常的关系两天不小于M
12、eV的电子通量天数卫星异常次数每天的异常率18229170.3%1081092102.71092053.6%尽管表面充电电流比深层介质充电电流要大得多,但是深层介质充电将直接作用于敏感部件,对卫星伤害要大得多。将来，航天器充电领域的研究将转向深层介质充电，在这一领域尚有诸多工作要做。例如,目前还没有一种有效的措施消除深层介质充电导致的危害。运用屏蔽固然起作用，但是将减少卫星的有效载荷率，并且卫星总有某些不能屏蔽的地方。研发合适的电导率材料将是一种可行的措施。1.5 航天器充电电压与周边等离子体温度的关系对于给定的航天器材料，当等离子体温度高于其临界温度时,就会被充电至某一种负电压，低于此值则不
13、会。这些临界值是假定空间等离子体服从麦克斯韦分布得到的,与LAN飞船的观测成果出奇的一致。图 N飞船的观测成果与计算所得临界温度的比较空间等离子体某些时候应当是双麦克斯韦分布，特别是在新的高能粒子进入低能等离子体区域的时候。虽然是双麦克斯韦分布，临界温度在研究充电行为中也很重要。空间等离子体某些时候也不是麦克斯韦分布，例如，也许是kapa分布，此分布的临界温度与双麦克斯韦分布得到的临界温度很接近。临界温度的浮现使得预报同步地球轨道的航天器充电成为也许，只要懂得地球同步轨道的等离子体和电子温度，就可以预报航天器充电与否会发生。在等离子体临界温度之上,航天器充电电压与电子温度成线性或者平方关系。图
14、2为LANL卫星测得的航天器电位与电子温度的关系。对于给定的电子温度,我们可以用这个关系预测充电电压。图2 LANL卫星测得的航天器电位与电子温度的关系不小于3V时,线性拟合已经不太好了,平方拟合较好。记录上的波动的因素是由于实际不是麦克斯韦分布所致。2. 航天器充电的其他问题 目前,尚有诸多有趣的航天器充电问题需要解决：(）地磁暴与航天器充电是如何联系在一起的,（2）CME影响航天器充电的限度有多大()当太阳风压缩磁层，使得原本处在磁层中的航天器处在磁层之外时对航天器充电的影响。 除了要关注地球的充电环境外,还应当关注月球和其她星球的充电环境。月球没有磁层，直接暴露在太阳风中。月球上月尘诸多
15、，需要同步研究多种能量分布的太阳风等离子体环境对月尘的充电现象。基于月尘尺寸分布和等离子体电子能量分布,再通过某些假象，可以发展一套月尘充电理论。这将是一种较好的研究课题。行星有自己的磁层或者磁场。X射线观测表白，木星上有高达20MV的电子。并且已经在木星和其她行星的磁层中观测到航天器表面充电现象。因此，充电对于具有高能电子环境的木星或者其他星球上的航天器也很重要。这个也也许是将来航天器充电研究的一种新领域。2.2 脉冲放电目前，放电的过程仍然是无法预测的。只能预测到介质在空间环境中被照射一段时间的电场强度的粗糙量级。放电脉冲的持续时间、幅度和波形都无法预测,但是这些对于研究脉冲放电至关重要。一旦充电电场被建立起来，就可以预测介质发生放电的概率。2.2.1 脉冲放电的能量脉冲能量的上限可以采用能量守恒估算，如下式所示。但是，能量守恒只是一种宽松的约束条件，而脉冲所释放的能量往往比存储的能量低诸多数量级。.2 脉冲放电发
