航天器表面介質(zhì)材料在空間等離子環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖會(huì)對(duì)航天器在軌安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過對(duì)不同面積的125 μm 厚Kapton 溫控材料進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，對(duì)放電誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖進(jìn)行測(cè)量，總結(jié)分析其規(guī)律，得出4 ～ 36 cm2 Kapton 材料和64 ～ 225 cm2 Kapton 材料的放電波形存在比較大的差異，而且隨著材料面積增加，Kapton 材料的放電電流峰值、放電持續(xù)時(shí)間、放電電荷損失量和放電頻率都相應(yīng)的升高。對(duì)Kapton 材料放電特性的研究，將為航天器帶電防護(hù)設(shè)計(jì)和放電危害評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

引言

　　暴露在空間等離子環(huán)境中的航天器表面材料在入射的電子、離子、表面光電發(fā)射、背散射電子及漏電流作用下積累電荷，可使材料充至數(shù)十千伏的電位。當(dāng)充電電位達(dá)到放電閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電誘發(fā)的對(duì)“地”瞬態(tài)脈沖會(huì)干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)使航天器發(fā)生故障，無法完成在軌運(yùn)行任務(wù)。

　　在空間等離子環(huán)境下，不同面積航天器表面絕緣材料的充電電位、電荷貯存量和能量差異較大，可能引起其放電電流峰值、放電電荷損失量和放電能量損失有所不同。通過對(duì)不同面積的Kapton 材料進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，探索其放電特性規(guī)律，可以根據(jù)這些放電特性規(guī)律制定材料的應(yīng)用方案、設(shè)計(jì)濾波器、選擇元器件和優(yōu)化電路等方式減小其放電對(duì)航天器正常工作的影響。

　　加拿大的Balmain、Kremer 等和路易斯研究中心的Paul 等分別對(duì)小于100 cm2 和232 ～ 5 085 cm2的航天器表面絕緣材料進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)究，其得出的研究結(jié)果存在較大差異。研究表明材料面積小于100 cm2 時(shí)，放電電流峰值同面積呈線性關(guān)系; 而當(dāng)材料面積在232 ～ 5 085 cm2 時(shí)，放電電流峰值同材料面積的關(guān)系為Im - s0. 4。針對(duì)Kapton 材料開展了地面模擬放電實(shí)驗(yàn)研究，文章得出各放電特性和放電波形同材料面積的關(guān)系，并綜合本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和國(guó)外研究結(jié)果，提出能夠適應(yīng)以上差異的結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)裝置及方法

　　針對(duì)航天器表面常用的Kapton 溫控材料，分別制作了20 mm × 20 mm、40 mm × 40 mm、50 mm ×50 mm、60 mm × 60 mm、80 mm × 80 mm、100 mm ×100 mm、140 mm × 40 mm、150 mm × 150 mm 的正方形鋁板，在鋁板上用導(dǎo)電銀膠黏貼125 μm 厚的Kapton 材料作為實(shí)驗(yàn)樣品。樣品實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 樣品實(shí)物圖

　　實(shí)驗(yàn)中將真空系統(tǒng)抽至6 × 10 ^-4 Pa 的真空度來模擬空間真空環(huán)境。使用德國(guó)STAIB 電子槍模擬空間電子輻照環(huán)境。由于地球同步軌道航天器進(jìn)入地磁亞暴引起的增強(qiáng)等離子區(qū)域時(shí)容易發(fā)生充放電現(xiàn)象，這里根據(jù)地磁亞暴期間的環(huán)境參數(shù)，選用能量為25 keV，束流密度為2. 5 nA/cm2 的電子對(duì)樣品進(jìn)行輻照。實(shí)驗(yàn)中采用取樣電阻的方式來測(cè)量放電波形，測(cè)量電路如圖2 所示。

圖2 地面模擬放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1. 導(dǎo)電銀膠; 2. 電子槍; 3. kapton 材料; 4. 鋁板;5. 示波器; 6. 真空室; 7. 抽真空系統(tǒng)

　　通過前期摸底實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用在放電回路中串聯(lián)1 Ω 和0. 3 Ω 的電阻，將0. 3 Ω 電阻作為取樣電阻來測(cè)量放電脈沖波形的方式能夠很好的測(cè)量放電信號(hào)。根據(jù)以上設(shè)計(jì)的樣品和測(cè)量方法，構(gòu)建如圖2所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由于電子束對(duì)同軸電纜的絕緣外表皮充電可能引起放電干擾，影響對(duì)樣品放電波形的測(cè)量。因此對(duì)同軸電纜進(jìn)行了外層屏蔽，即給同軸電纜外部包覆了一層0. 3 mm 的銅箔，并對(duì)其進(jìn)行接地處理，避免在銅箔上產(chǎn)生懸浮電位。

結(jié)論

　　通過對(duì)不同面積的航天器表面常用Kapton 材料進(jìn)行地面模擬放電實(shí)驗(yàn)，得出不同面積材料的放電脈沖波形規(guī)律和各放電特性同材料面積的關(guān)系，為材料在航天器表面上的應(yīng)用、航天器表面帶電防護(hù)和放電危害評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。在放電波形方面，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，得出低于36 cm2 的Kapton材料，其放電脈沖波形的脈寬較窄，且出現(xiàn)明顯的負(fù)向峰值，而當(dāng)材料面積大于64 cm2 時(shí)，出現(xiàn)雙峰波形\放出電荷量和能量都比較大的波形。在放電特性同材料面積的關(guān)系方面，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明隨著材料面積的增加，其放電電流峰值、放電持續(xù)時(shí)間、放電電荷損失量和放電頻率都相應(yīng)增加。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出各放電特性同材料面積的關(guān)系曲線，擬合出與其對(duì)應(yīng)的關(guān)系式。在放電電流峰值和材料面積關(guān)系的研究中，針對(duì)國(guó)外在大面積材料( 232 ～5085 cm2 ) 和小面積材料( < 100 cm2 ) 研究中的矛盾，文章提出了一個(gè)解決方案，即Kapton 材料的放電電流峰值和面積之間并不呈線性關(guān)系，而是隨著材料面積增加，曲線斜率逐漸減小。在材料放電持續(xù)時(shí)間和電荷損失量同Kapton 材料面積關(guān)系的研究中，得出和國(guó)外研究一致的線性關(guān)系，但是大面積材料和小面積材料呈現(xiàn)的線性關(guān)系有所不同。