衛(wèi)星表面放電效應(yīng)模擬器研制

高士峰，向宏文，張計(jì)業(yè)，蔡震波

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

在中、高軌道運(yùn)行的衛(wèi)星，處于地球磁層的等離子體環(huán)境之中。等離子體與衛(wèi)星表面材料相互作用，會(huì)在衛(wèi)星表面產(chǎn)生充放電，出現(xiàn)靜電放電（ESD）效應(yīng)。

根據(jù)國(guó)外衛(wèi)星的在軌測(cè)量數(shù)據(jù)，在某些惡劣空間環(huán)境條件下，衛(wèi)星表面充電負(fù)電位可高至上萬(wàn)伏[1-2]。因此，在衛(wèi)星的研制過程中，需要進(jìn)行表面放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)。

在引起衛(wèi)星表面充電效應(yīng)的各種粒子源中，電子起到重要作用?？紤]磁層亞暴環(huán)境中等離子體電子與質(zhì)子的能譜特性，并對(duì)充電的物理過程進(jìn)行分析，當(dāng)航天器處于地影期時(shí)，可以近似得到[2]

式中：V為衛(wèi)星的表面充電電位；TE為空間等離子體中的電子溫度。式(1)表明，衛(wèi)星表面將被充電至電子溫度量級(jí)的負(fù)電位。地磁亞暴時(shí)，TE可達(dá)1～10 keV，因而衛(wèi)星表面的充電電位可高達(dá)-10 kV左右。

為了模擬衛(wèi)星表面放電效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外航天機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的相關(guān)試驗(yàn)研究，其中美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-1541中規(guī)定放電發(fā)生器采用20 kV放電電壓、80 A放電峰值電流進(jìn)行放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)[3]。

1 表面放電效應(yīng)模擬器概述

1.1 模擬器的功能

表面放電效應(yīng)模擬器的主要功能是模擬由空間等離子體充電引起的衛(wèi)星外表面放電現(xiàn)象以及由此產(chǎn)生的電磁脈沖輻射環(huán)境，以考核衛(wèi)星電子組件、整星電子系統(tǒng)承受表面放電干擾的綜合能力。模擬器需要產(chǎn)生符合試驗(yàn)要求的靜電高壓，輸送到具有一定間距的兩個(gè)放電電極并產(chǎn)生靜電放電，輻射出電磁脈沖。

表面放電效應(yīng)模擬器主要用于衛(wèi)星研制初樣階段電子設(shè)備組件級(jí)表面放電效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)，以及初樣電性星整星級(jí)表面放電效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)。

1.2 模擬器的構(gòu)成

表面放電效應(yīng)模擬器由放電槍（放電電極）、電源與控制機(jī)箱及連接電纜組成（見圖1）。

圖1 表面放電效應(yīng)模擬器設(shè)備組成示意Fig. 1 The surface discharge effect simulator

電源與控制機(jī)箱主要功能：模擬器的供電電壓轉(zhuǎn)換，放電電壓、放電時(shí)間、放電頻率的控制及顯示，以及放電參數(shù)的標(biāo)定調(diào)整。放電槍內(nèi)置升壓電路，可將脈沖高壓輸出至放電電極，產(chǎn)生放電電弧。放電間隙可調(diào)。

1.3 模擬器的基本原理

表面放電效應(yīng)模擬器的基本原理如圖2所示，利用升壓電路產(chǎn)生高電壓對(duì)儲(chǔ)能電容器充電，并將此高電壓通過放電電阻引至放電電極，產(chǎn)生放電脈沖。利用控制電子電路實(shí)現(xiàn)對(duì)放電電壓、放電頻率和放電時(shí)間的精確控制。

圖2 表面放電效應(yīng)模擬器基本原理框圖Fig. 2 The block diagram of surface discharge effect simulator

2 模擬器技術(shù)指標(biāo)

通過對(duì)衛(wèi)星表面充放電效應(yīng)特性進(jìn)行研究，同時(shí)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合衛(wèi)星研制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出衛(wèi)星表面放電效應(yīng)模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)如下[2-4]：

1）空氣放電電壓為2～20 kV可調(diào)、實(shí)時(shí)顯示，且顯示電壓與實(shí)際電壓的相對(duì)偏差≤5%。

2）發(fā)生空氣放電的最小電壓≤2 kV。

3）放電峰值電流I峰值（空氣放電電壓為10 kV時(shí)）為80 A≤I峰值≤150 A。

4）放電電流上升時(shí)間為5～40 ns。

5）放電脈沖寬度為30～400 ns。

6）放電頻率為1次/s、2次/s、3次/s三檔可調(diào)，且連續(xù)放電時(shí)間為30 s時(shí)，放電次數(shù)偏差≤1次。

7）單次觸發(fā)連續(xù)放電時(shí)間為 5～60 s連續(xù)可調(diào)，且偏差≤0.1 s。

8）模擬器放電能量＞2.0×10-3J。

9）放電電極部分的質(zhì)量＜3.0 kg。

10）放電電極部分的可移動(dòng)半徑＞15 m。

11）設(shè)備供電方式有220 V、50 Hz交流供電和內(nèi)置充電電池供電2種，采用后一種方式時(shí)控制箱可以隨身攜帶。

12）分別在放電槍和控制箱上設(shè)置放電觸發(fā)按鈕。

13）放電槍與控制箱連接電纜采用良好的屏蔽設(shè)計(jì)。

14）穩(wěn)定運(yùn)行8 h，功能無變化，性能變化小于10%。

15）具備標(biāo)定后對(duì)放電電壓、放電頻率、單次觸發(fā)連續(xù)放電時(shí)間的調(diào)整校準(zhǔn)功能。

3 模擬器設(shè)計(jì)

3.1 電源與控制機(jī)箱

電源與控制機(jī)箱完成表面放電效應(yīng)模擬器的供電電壓轉(zhuǎn)換，放電電壓、放電頻率和放電時(shí)間的設(shè)置及顯示，放電觸發(fā)控制脈沖的生成，以及放電脈沖特性的控制。圖3為電源與控制機(jī)箱的控制面板，其上設(shè)置以下功能：

1）2～20 kV空氣放電電壓調(diào)節(jié)和顯示；

2）1次/s、2次/s、3次/s三檔放電頻率調(diào)節(jié)和顯示；

3）單次觸發(fā)連續(xù)放電時(shí)間調(diào)節(jié)和顯示；

4）電源開關(guān)；

5）放電觸發(fā)按鈕；

6）電池充電開關(guān)、電池欠壓指示；

7）放電電壓、電流特性標(biāo)定校準(zhǔn)。

圖3 表面放電效應(yīng)模擬器電源與控制機(jī)箱的控制面板Fig. 3 Control panel of the power and the control equipment for surface discharge effect simulator

3.2 放電槍

放電槍外形（見圖4）近似為圓柱體，帶有安裝支座。由于放電槍與控制機(jī)箱間的連接電纜長(zhǎng)度大于 15 m，考慮到安全性和操作方便性，將高壓電路模塊內(nèi)置于放電槍內(nèi)，而不是通過高壓線將高電壓傳送到放電槍中。放電槍外殼采用質(zhì)量輕且絕緣性能好的高壓硅膠作為絕緣材料，以提高操作安全性。放電槍上單獨(dú)設(shè)置放電觸發(fā)按鈕，便于進(jìn)行放電觸發(fā)控制。

圖4 表面放電效應(yīng)模擬器的放電槍外形Fig. 4 Discharge gun for the surface discharge effect simulator

空氣放電電極（見圖5）用于產(chǎn)生放電電弧輻射場(chǎng)，放電電極材料為不銹鋼，置于有機(jī)玻璃罩內(nèi)，采用整體插裝的方式。在電極頂端設(shè)置放電電極間隙調(diào)節(jié)裝置，同時(shí)以刻度顯示間隙大小，并設(shè)計(jì)放電電極最小間隙限位裝置，防止在調(diào)節(jié)間隙時(shí)發(fā)生電極擠壓或磕碰。放電接地回線封閉固定于有機(jī)玻璃罩內(nèi)，以提高操作安全性。

圖5 空氣放電電極示意圖Fig. 5 Schematic diagram of air discharge pole

4 模擬器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表面放電效應(yīng)模擬器產(chǎn)生的空氣放電脈沖具有高電壓、大電流、窄脈寬的特征，需要研制專用的標(biāo)定系統(tǒng)，對(duì)模擬器的放電電壓、放電峰值電流、放電電流上升時(shí)間及放電電流脈沖寬度等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。

通過對(duì)表面放電效應(yīng)模擬器放電特性的研究，并根據(jù) IEC 61000-4-2[5]及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]規(guī)定的校準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)的表面放電效應(yīng)模擬器標(biāo)定系統(tǒng)包括以下儀表裝置以及數(shù)據(jù)記錄和分析設(shè)備等。

1）高阻高壓表：測(cè)量范圍2～20 kV，輸入阻抗≥30 G?，型號(hào)為EST105B，用于對(duì)模擬器放電電壓的測(cè)量標(biāo)定。

2）脈沖電流傳感器：測(cè)量電流≥150 A，帶寬≥1 GHz，型號(hào)為ESD-VER1，用于收集轉(zhuǎn)換放電脈沖電流。

3）20～40 dB衰減器：型號(hào)為ESD-VER2，用于將放電脈沖電流衰減后送至示波器。

4）數(shù)字存儲(chǔ)示波器：帶寬≥1 GHz，型號(hào)為Tektronix公司的DPO7104。

5）靜電屏蔽法拉第箱：前板尺寸為1.5 m×1.5 m，用于放置標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)備，能夠屏蔽模擬器放電時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。

其中，脈沖電流傳感器（見圖6）根據(jù)GB/T 17626.2—2006[6]的要求研制，并進(jìn)行了改進(jìn)，以滿足最大測(cè)量電流≥150 A、帶寬≥1 GHz的特殊要求。

圖6 脈沖電流傳感器Fig. 6 Sensor of pulse current

5 模擬器測(cè)量標(biāo)定

5.1 放電電壓測(cè)量標(biāo)定

使用高壓電纜將放電槍與標(biāo)定系統(tǒng)中的高阻高壓表的測(cè)量探頭直接連接，模擬器放電參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行觸發(fā)放電；記錄模擬器顯示電壓值和高阻高壓表實(shí)測(cè)電壓值，并計(jì)算相對(duì)偏差。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 模擬器放電電壓測(cè)試結(jié)果Table 1 The results of discharge voltage for simulator test

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果，在2～20 kV放電電壓的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，表面放電效應(yīng)模擬器實(shí)測(cè)電壓與顯示電壓的相對(duì)偏差均不大于5%；相對(duì)偏差較大值出現(xiàn)在放電電壓的高低兩端，而中間段的相對(duì)偏差較小。衛(wèi)星進(jìn)行表面放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)時(shí)，通常選用10 kV放電電壓。通過調(diào)節(jié)校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步提高此區(qū)間的放電電壓顯示精度。

5.2 放電電流標(biāo)定

表面放電效應(yīng)模擬器的放電脈沖電流采用由脈沖電流傳感器、衰減器、示波器以及靜電屏蔽法拉第箱組成的電流測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)定，該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶寬為1 GHz，滿足ns級(jí)放電脈沖電流的測(cè)量要求。按照?qǐng)D7所示方式連接測(cè)試系統(tǒng)。

圖7 放電電流測(cè)試系統(tǒng)Fig. 7 Test system of discharge current

模擬器放電電流測(cè)量標(biāo)定步驟如下：1）連接表面放電效應(yīng)模擬器；

2）連接電流測(cè)試系統(tǒng)；

3）連接接地回線；

4）將放電電極對(duì)準(zhǔn)脈沖電流傳感器；5）接通電源，初始化設(shè)置；6）調(diào)節(jié)電壓，觸發(fā)放電；7）記錄放電電壓值；

8）記錄放電脈沖電流波形參數(shù)。

根據(jù)測(cè)量記錄結(jié)果，放電峰值電流、放電電流上升時(shí)間、放電電流脈沖寬度這3個(gè)參數(shù)與放電電壓的關(guān)系分別如圖8～圖10所示。

圖8 放電峰值電流與放電電壓的關(guān)系Fig. 8 The relation between the discharge voltage and the peak current of discharge

由圖8可知：由于放電電阻不變，放電峰值電流隨著放電電壓的升高而增大，二者近似成線性關(guān)系。放電電壓為8 kV時(shí)，放電峰值電流達(dá)到100 A左右；放電電壓為 10 kV時(shí)，放電峰值電流達(dá)到125 A左右；放電電壓為15 kV時(shí)，放電峰值電流達(dá)到180 A左右。

圖9 放電電流上升時(shí)間與放電電壓的關(guān)系Fig. 9 The relation between the discharge voltage and therise time of discharge current

根據(jù)圖9，放電電壓在2～20 kV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變化時(shí)，由于放電電阻、電容不變，放電電流上升時(shí)間的變化較小，平均值約為17 ns。

根據(jù)圖10，放電電壓在2～20 kV范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變化時(shí)，由于放電電阻、電容不變，放電電流脈沖寬度基本不變，約為65 ns。

圖10 放電電流脈沖寬度與放電電壓的關(guān)系Fig. 10 The relation between discharge voltage and pulse width of discharge current

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了衛(wèi)星表面放電效應(yīng)模擬器的研制情況，并利用標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)該模擬器的放電電壓及放電脈沖電流特性進(jìn)行了測(cè)量標(biāo)定，結(jié)果表明表面放電效應(yīng)模擬器的放電特性符合衛(wèi)星表面放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)的要求，可以用于組件級(jí)、整星級(jí)表面放電效應(yīng)模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

（References）

[1]Ryschkewitsch M G. Mitigating in-space charging effects -a guideline, NASA-HDBK-4002A[G], 2011

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[8]吳勇, 劉尚合, 原青云. 固定間隙的空氣式靜電放電[J],高電壓技術(shù), 2009, 35(4): 909-913 Wu Yong, Liu Shanghe, Yuan Qingyun. Air electrostatic discharge at a fixed gap distance[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(4): 909-913