航天器充放电的研究现状及发展方向.docx
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航天器充放电的研究现状及发展方向
航天器充放电的研究现状及发展方向
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，北京，100871）
摘要：
首先阐述了航天器充放电的背景知识，然后介绍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，最后对由质子造成的充放电现象进行了单独论述。
关键词:
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
TheBackgroundandfutureWork
ofSpacecraftCharginganddischarging
YUXiangQianCHENHongFeiZONGQiugangZOUHongSHIWeiHong
ZOUJiQingZHONGWeiYing
（InstituteofSpacePhysicsandAppliedTechnology,PekingUniversity,Beijing,100871）
Abstract：
Theintroductionsofspacecraftcharginganddischargingisstatedfirstly,andthenpresentparticularlythebackgroundofspacecraftcharginganddischarging,andthenthefutureworkisdiscussed，atendChargingofSpacecraftPolymersbyEnergeticProtonsispresented.
Keyword:
spacecraftcharginganddischarging;thebackgroundofspacecraftcharginganddischarging;thefutureworkofspacecraftcharginganddischarging,chargingofSpacecraftPolymersbyEnergeticProtons
1、背景介绍
随着三十年前地球同步轨道卫星SCATHA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，另一个避免是对卫星以及星上仪器的损坏。
尽管很多航天器异常都被认为是放电脉冲引起的。
但是到目前为止，只有CRRES航天器上同时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，都会造成航天器电子学系统出现故障或者敏感元器件失效。
因为我们不可能在航天器上进行实地诊断，所以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帮助我们对航天器异常进行分析，以便制定出更好的指导方针以避免航天器充放电异常发生。
在LEO和GEO轨道，造成航天器充电的粒子主要是电子。
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。
另外，不带电的粒子，例如光子和中性原子，也可以与物质相互作用产生电流造成航天器充电。
由于航天器结构越来越复杂，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顾，指出了未来的发展方向，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
2.1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。
2.1.1表面充电
表面充电主要由低能带电粒子造成。
由于电子和离子的速度差异使得航天器表面带负电，负电吸引正离子，排斥电子，最终达到静电平衡。
航天器表面带电最高可达-10kV。
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以减少这种充电。
目前表面充电的在轨实验还不足以得出关于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认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，但是在一些情况下，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。
2.1.2表面不等位充电
表面不等位充电由于不同材料吸收和发射电子的性质不同，一个时刻只有一半甚至更少的航天器表面被太阳直射，而且磁场和电场也可以改变带电粒子的运动，所以即使入射的带电粒子是各向同性的，而且航天器只用一种材料组成，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，造成航天器表面的不等位充电。
使航天器表面电位一致的唯一方法是将表面做成金属，但是这是不切实际的。
航天器表面不同位置的电压差通常在1-2kV。
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，大大降低充电电压，但是这种方法对航天器其他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确定彼此间的电压差。
目前的模型由于忽略了漏电流而高估了电压差。
天线对于不等位充电是一个敏感的部件，放电会对天线形成高达几百伏的电压。
因此，天线结构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，最好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。
射时间，也很难预测电荷的沉积过程。
电阻率低于1012Ω-cm的介质的放电时间常数小于0.2s，在典型的空间环境中一般不会沉积太多电荷，这些材料可以满足大部分绝缘要求，而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一些地面试验结果，但是它们都是理想化的，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，因为金属层都已经把电荷漏掉了。
空间试验和地面试验都表明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他原因而变得更加绝缘，不利于电荷释放。
而且，边缘效应、大瑕疵、与电极的接触和其它因素都可能引起深层介质放电。
发展更好的模型遇到很多困难，目前的模型可以帮助我们设计一些材料测试试验。
一些重要的绝缘体应该暴露在空间量级的真空中一年以上，测量其体电导率。
其随着慢辐射的变化也要进行充分的评估。
另外，还要尽量避免尖状的介质出现。
CRRES卫星将异常归因于深层介质充电。
紧接着人们又分析了另外几个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：
杀手电子将造成航天器深层介质充电和异常。
分析了1994年几个卫星累计两天大于2MeV的电子通量与卫星异常的关系，如图1所示。
图1两天大于2MeV的电子通量与卫星异常的关系
另外，对GOES-7卫星在第22个太阳活动周累计两天大于2MeV的电子通量与卫星异常的关系进行总结，如表1所示。
表1GOES-7卫星在第22个太阳活动周电子通量与卫星异常的关系
两天大于2MeV的电子通量
天数
卫星异常次数
每天的异常率
＜108
2291
7
0.3%
108-109
952
102
10.7%
≥109
332
105
31.6%
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。
未来，航天器充电领域的研究将转向深层介质充电，在这一领域还有很多工作要做。
例如，目前还没有一个有效的方法消除深层介质充电造成的危害。
利用屏蔽固然起作用，但是将降低卫星的有效载荷率，而且卫星总有一些不能屏蔽的地方。
研发合适的电导率材料将是一种可行的方法。
2.1.5航天器充电电压与周围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，就会被充电至某一个负电压，低于此值则不会。
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LANL飞船的观测结果出奇的一致。
图2LANL飞船的观测结果与计算所得临界温度的比较
空间等离子体某些时候应该是双麦克斯韦分布，尤其是在新的高能粒子进入低能等离子体区域的时候。
即使是双麦克斯韦分布，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，可能是kappa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。
临界温度的出现使得预报同步地球轨道的航天器充电成为可能，只要知道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是否会发生。
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2LANL卫星测得的航天器电位与电子温度的关系
大于3kV时，线性拟合已经不太好了，平方拟合较好。
统计上的波动的原因是由于实际不是麦克斯韦分布所致。
2.1.6航天器充电的其它问题
目前，还有很多有趣的航天器充电问题需要解决：
（1）地磁暴与航天器充电是怎样联系在一起的，
（2）CME影响航天器充电的程度有多大（3）当太阳风压缩磁层，使得原本处于磁层中的航天器处于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，还应该关注月球和其他星球的充电环境。
月球没有磁层，直接暴露在太阳风中。
月球上月尘很多，需要同时研究各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，再通过一些假象，可以发展一套月尘充电理论。
这将是一个很好的研究课题。
行星有自己的磁层或者磁场。
X射线观测表明，木星上有高达200MeV的电子。
而且已经在木星和其他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它星球上的航天器也很重要。
这个也可能是未来航天器充电研究的一个新领域。
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，能量守恒只是一个宽松的约束条件，而脉冲所释放的能量往往比存储的能量低很多数量级。
2.2.2脉冲放电发生的条件和脉冲的形状
充电电流提供了很好的约束条件来评估ESD脉冲电流的大小和持续时间。
经简化的试验装置及其结果如图3所示，这个试验提供了早期的大部分数据。
其中，样品面积越大，放电脉冲电流的幅度就越大，持续时间就越长。
20keV的电子照射在样品上可以使样品表面带10-15kV的电压。
该试验得出以下结论：
（1）流向电极的电荷与介质表面积成正比；
（2）脉冲峰值电流和脉冲持续时间与面积的平方根成比例；（3）样品脉冲放电流向真空的气体可以改变真空状态，提供放电路径。
另外，在放电过程中,气体进入真空环境的速率以及在其中被极化的速率至关重要，但是人们目前对其知之甚少。
图3经简化的辐照试验及其结果
将图3的试验简化为一维的模型如图4所示。
图4简化的一维模型
其中，脉冲放电发生前的能量为
脉冲放电发生后的能量为
未来发展的放电理论必须能够解释以下试验结果：
（1）在图3所示的试验中，放生一个放电脉冲后，且电子束关闭，介质表面的电压在几十分钟中会变得升高，可到-500V。
（2）100keV到2MeV的电子束照射在电缆线和电路板上，产生的脉冲很少超过100V，持续时间小于1us，然而20keV的电子束会产生更大的脉冲。
（3）图3的试验有时候会发现所有表面几乎会同时发生放电。
（4）介质的空间试验表明，一个样品发生脉冲放电的最可能时间是在其它放电发生后几分钟，即使电子流量很小，需要几天才可能使样品充电至放电所需的电子通量。
（5）尽管有一些试验在相同的电子通量照射条件下，可以观测到周期性的放电脉冲，但是也有很多是非周期性的。
放电在最初的一个小时的强照射情况下或许不会发生，也有可能在介质表面达到最大电位很长时间才发生。
而且，在照射结束后几天，还能发生放电。
2.2.3易发生脉冲放电的敏感部件
目前实验得出结论：
表面放电造成的内部电场脉冲太小而不用考虑。
内部放电产生的脉冲的形状对于研究充放电至关重要。
其中，脉冲波形的斜率最重要，有关研究表明此斜率在108A/s、109A/s、1010A/s量级。
当一些新器件被测试时，它的测量结果应该公开，以便于人们可以基于它发展一些新的理论。
在航天器内部，我们需要考虑以下部件的充放电危险。
（1）成捆的导线。
由于它们的表皮状态不同，有的接地有的悬浮，有的粗有的细，有的导线电压高有的电压低，所以它们带来的风险也很难估计。
目前地面对成捆的导线测试表明：
当它们都基本上接近地电压时，脉冲为100V，1us量级，当仅仅有一个导线悬浮时，脉冲电压就可以高达几百伏。
一个明智的航天器制造师应该采用TMP对成捆的导线进行测试来检验是否存在风险，这可能小成本带来高收益。
导线绝缘层尽量薄，不仅仅节约重量，更重要的是减少充电，应避免悬浮导线。
图5是成捆导线的实验。
一个导线放电产生的等离子体云会耦合进其它导线，形成连锁反应。
图6是测得的放电波形。
图5成捆导线试验
图6放电脉冲波形
（2）仪器壳。
因为实际电路板上还有各种各样的导线和绝缘体，故真实的电路板会比CRRES上的电路板模型更易受损坏。
（3）电连接器。
电连接器上的大块绝缘体将积累电荷，形成高电压。
如果电连接器携带高于50V的电压，就有被放电脉冲短路的危险。
电连接器应该被屏蔽或者其漏电流足够大不会积累足够电荷。
2.3脉冲耦合
脉冲耦合可以分为等离子体脉冲耦合和电磁脉冲耦合。
等离子体脉冲耦合：
脉冲也可能通过等离子体中带电粒子的运动而耦合进敏感部件中。
目前的种种实验已经表明：
电路板上的高阻抗电线在一个脉冲发生时会激起足够大的电压而改变等离子体的流量。
图5的试验表明放电会沿着电线缓慢发生，这就是一种等离子体耦合现象。
电线中发生了什么目前还不清楚，还需要进一步的研究。
电磁脉冲耦合：
通过电磁场对其它产生影响。
对电磁脉冲的幅度和上升沿时间、器件的参数以及对滤波器的理解都有助于避免电磁脉冲耦合的影响。
脉冲包括脉冲源区域和传播区域。
只有在极理想的情况下，脉冲源区域和传播区域才是可以分开的。
真实情况下很复杂，源和传播路径往往是分不开的。
一些复杂的结构,例如,电路板,它的源区域会由于放电而变得复杂。
2.3.1等离子体脉冲耦合
图7是一个简化的电路板放在金属盒中受高能电子照射的试验以及试验结果。
放电产生了等离子体云，流向金属盒，由于等离子体云带负电，所以离放电位置较近的电极1刚开始带正电，紧接着等离子体云将接触电极1，致使1迅速带负电。
电极2的电荷比电极1要小得多，只包括诱导电流，当等离子体云接触电极2时带负电，随着电路板中的净电荷和等离子体云的消失，又带上了正电。
图7等离子体脉冲耦合试验
放电脉冲也可以通过等离子体和气体横跨长距离影响其它充电表面，如图8所示的试验。
整个试验放在真空环境中，采用0-20keV的电子束照射。
航天器用石英晶体在大于3keV电子束照射下就会振荡，聚酰亚胺在7keV以下的电子束照射下不会震动。
探测器放在样品附近，可以记录下样品的震动。
若采用6keV的电子束照射，两个样品的距离为15-30cm，石英晶体的脉冲传到聚酰亚胺处并引起放电的概率为1%-1‰。
图7放电脉冲影响其它介质表面试验
2.3.2电磁脉冲耦合
在电路上不同的观测点，甚至同一个观测点不同时间，所观测到的脉冲波形也不尽相同。
两个看上去相同的电路板也可能得到不同的结果。
而且，同一个电路板上的二极管处于导通或者截至状态对脉冲的响应也不相同。
H．Hertz的试验解决了两个金属间放电的脉冲耦合情况，试验原理装置及其试验结果如图8所示。
试验表明，10kV的放电脉冲可以在几十米远处产生几百伏的脉冲。
图8H.Hertz的试验及其结果
2.4航天器的测试和设计
对航天器的分析过程很复杂，一个没有经过训练的人遵照一个简单的程序是不能完成的。
针对每一个潜在威胁都要进行专门的分析。
航天器表面与周围等离子体的放电电容（100PF）比热板表面与其后面的金属层的放电电容（100ｕF）小很多，因此实际的放电电压要比地面测得的小１０倍甚至更多。
故航天器表面的介质内部发生放电的概率很小。
表面两个金属层间的相对电位可以达到1到2kV，这个电位在空间中一般不会发生放电，除非他们的距离远远小于１ｍｍ。
两个绝缘介质间的电场强度为1kV/mm时发生放电的可能性很小。
但是金属间的电压差为１００Ｖ都有可能发生放电。
尽管相同的电压差在金属间的放电脉冲比介质间要小很多，也应该避免所有的悬浮导体。
而且任何孤立的表面，不管是金属还是非金属，都应该避免或者是其面积最小化。
电缆电线表皮、天线的绝缘介质、连接器的绝缘介质和轻度屏蔽的电路板都是发生放电的危险区域，它们很可能耦合进敏感电路。
CRRES航天器的观测和介质放电的物理过程都表明这些因素造成航天器异常的可能性很大。
在理想的状况下，一个航天器设计师应该设计和测试以下项目：
（１）辐射环境对电缆照射的地面试验。
（２）设计滤波器使得电缆对放电脉冲有免疫力。
（３）敏感部位使用渗漏漆或者其它可以增加漏电流的东西。
（４）尽量采用不会存储足够电荷的集成电路封装。
（５）保护高于５０Ｖ的电源线的导线。
采用不会发生放电脉冲的绝缘皮和连接器。
（６）要有足够的屏蔽层厚度使得内部的电子通量连续十个小时小于2*109/cm2。
（７）放置TPM在航天器上。
大部分放电脉冲都是无害的，但是发生在敏感部位是有害的。
（８）开发新的材料，使得不会积累太多电荷。
（9）使用表面可以接的地元器件。
（10）研发足够薄和有足够漏电流的绝缘介质用于包裹金属导线。
（11）所有新材料都必须在长时间的真空条件下、辐射条件下、足够范围的温度条件下进行测试，确保不会沉积过多电荷。
（12）对介质的不同形状所造成的充放电可能性要进行研究。
有些漏电流很大的材料做的形状不合适，也可能发生放电。
2.5航天器在轨实验
每一个航天器都是一个试验室。
但是目前这些试验结果很少是可以获得的。
航天器上装载提供这些数据的仪器很少，大部分对异常的分析只是推论。
一般，不太重要的事件往往被航天器操作员忽略，他们不知道在一个航天器上的放电可能仅仅是噪声，但是在其他航天器上就可能是电源短路或者敏感电路烧毁。
目前有三个航天器可提供足够的证据表明异常与高能电子通量造成的放电有关。
其中，CRRES航天器上的介质放电探测器得到的数据对于理解高能电子通量与介质放电的发生的关系最有帮助。
其主要结论如下：
（１）脉冲放电的平均率与高能电子通量成近似的正比关系。
随着电子通量的减少，脉冲放电的平均率也减少，但是不清楚从什么通量开始不会发生发电。
（２）推翻了以前的一个观点：
一个放电发生后必须积累足够的电子通量后才会发生再次放电。
（３）介质在空间中风化一段时间后更可能发生放电。
（４）尽管脉冲放电的平均率与高能电子通量成近似的正比关系。
但是也观测到同一电子通量时，脉冲放电的次数差异在１０倍以上。
（５）小放电发生的概率比大放电更高，而且一个介质的放电会覆盖不同程度的放电，这些与试验室的结论都不同。
（6）放电尺寸受限于介质几何形状、材料性质、耦合方式和辐照电子能谱，与电子通量的相关性很少，除非电子通量与电场强度有关。
CRRES航天器的数据对于真实的电路具有指导意义。
当在一个子系统处观测到很多小放电且与高能电子通量增强有关时，另外一个子系统发生异常，其原因很可能是发生了一个大放电。
目前，自带ＴＰＭ或者粒子探测器的航天器不多，当发生故障时，可以参照同一轨道其它时期的环境参数、同一时期不同轨道的环境参数或者地磁活动指数等来衡量航天器的环境参数。
3、航天器充放电研究的发展方向
伴随着新材料、新技术和新方法的出现，航天器充放电将获得进一步的发展。
航天器充电对所用材料性质的依赖性很强。
对这些材料属性的研究是未来航天器充放电研究的一个重点。
我将讨论这些材料的基本属性是如何得到的，它将依赖于：
合适的测量技术、温度、辐射流量、电场、表面处理、表面污染、通过静电放电和真空暴露的性能改变等。
航天器充放电建模是第二个发展方向。
新模型的发展将有利于我们提高对航天器充放电的认识。
场的时空变化、粒子流量和能谱的新研究手段都将使模型更加精确。
第三个发展方向是新的航天器充电减缓技术。
安装一个简单的设备发射与收集等量的电子将是一种简单的可靠的实时方法。
航天器充电专家和太阳能电池阵制造商之间的合作将有助于避免航天器放电的发生。
最后一个发展方向是对新材料和高电压的处理。
轻材料将使得航天器变得更轻巧，但是在某种程度上，更容易发生放电且放电火化更容易传进敏感电路中。
长传输导线将导致高电压降，将增大放电概率。
如何处理新材料和高电压将是一个研究方向。
3.1航天器材料属性研究
充电程度依赖于航天器的材料属性，材料的以下属性可以帮助确定航天器充电的程度。
（1）体电阻率。
使用低体电阻率的材料可以加快电荷泄露，减缓充电。
（2）表面电阻率。
使用低表面电阻率的材料可以加快电荷泄露，减缓充电。
（3）二次电子发射。
当离子或者电子打在介质材料上时，除了可能产生光电效应，还会出现二次电子发射。
很多材料，当轰击电子的能量大于某一值时，就会出现多于一个的二次电子发射。
若电子能逃逸，就会使材料负电荷减少。
但实际上，从一个点发射的电子会被邻近的点吸引，形成横穿介质表面的电子瀑布，从而降低整个表面的电阻率。
（4）光电效应。
当光子能量大于材料的电离能时，就会有电子发射。
同二次电子一样，若电子能逃逸，就会使材料负电荷减少。
目前，航天上应用的很多材料的这些性质都不清楚。
我们只能通过相似的材料性质来估算它们，在数量上很难准确。
由此建立的充电模型得出的结果可能与实际差几个数量级。
对新材料的重要性能的测量，是航天器充放电研究的一个重要方向。
材料的基本属性可以通过下面的方法得到：
（1）合适的测量方法。
很多厂家给出的材料电阻率都是采用恒定电压值在空气中测量的，这与材料在空间中的实际应用条件相差很远。
航天所用的介质材料电阻率都很高，适合用电荷存储技术测量。
用电荷存储技术得到的值与恒定电压值得到的值要相差100倍甚至更多。
而且也要在真空下测量，真空中的电阻率往往比空气中要大。
（2）温度。
尽管已经知道材料的电阻率会随着温度升高而降低。
但是只有极少数经过测试的材料的温度关系可以预测。
对于一些材料，其温度在航天器从日食区出来时，电阻率都可能有几个数量级的改变。
（3）辐射感应电导率。
辐射感应电导率在电子辐射强时要大。
模型中包含一些参数需要实验来确定。
而且，在较复杂的情况下，辐射感应电导率也是温度和时间的函数。
（4）电场。
对介质材料的极化可能改变电荷被束缚的程度。
这些都需要进行测试。
（5）表面处理。
粗糙的表面由于凸凹产生的电场，在某种程度上会使发射电荷更稳定。
但是二次电子发射和光电效应可能会因为电子被阻挡而耗散效果变弱。
（6）表面污染。
表面污染使得材料的二次电子发射和光电效应变弱，而且电阻率也将发生改变。
（7）表面性能改变。
真空环
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