等離子體對(duì)空間飛行器表面充電效應(yīng)探測(cè)研究

楊 艷，鄭 義，高志強(qiáng)，鐘 亮，鄭玉展，史 青，彭泳卿

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076 2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 北京 100094）

引 言

空間飛行器在軌運(yùn)行期間，沉浸于具有一定能量和密度的空間等離子體之中，尤其當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)引起地磁層亞暴時(shí)，空間飛行器將處于等離子能力達(dá)數(shù)千電子伏到數(shù)十千電子伏的環(huán)境中，等離子體與飛行器表面材料相互作用，會(huì)在飛行器表面積累電荷，導(dǎo)致空間飛行器表面充電現(xiàn)象。由于表面材料的介電特性、光照條件、幾何形狀等情況不同，可能會(huì)造成在飛行器表面出現(xiàn)不等量充電，形成局部靜電電位差，在表面與飛行器結(jié)構(gòu)地之間也形成電位差，當(dāng)電位差增大到一定值后，可能導(dǎo)致飛行器表面放電，影響飛行器在軌工作。因此，為分析飛行器在軌期間是否會(huì)因等離子體造成的表面放電導(dǎo)致飛行器異常和故障，世界各國(guó)在飛行器的設(shè)計(jì)中，都進(jìn)行了充分的表面電位分析、表面電流分析監(jiān)測(cè)等工作。探測(cè)數(shù)據(jù)可以用于輔助飛行器在軌故障判別、在軌管理等，積累的探測(cè)數(shù)據(jù)可用于為表面充電風(fēng)險(xiǎn)分析及告警提供技術(shù)手段。

本文基于探測(cè)飛行器表面典型介質(zhì)材料的充電電位和充電電流的任務(wù)目標(biāo)，完成了探測(cè)器的方案設(shè)計(jì)，包括探頭設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，最終給出標(biāo)定試驗(yàn)曲線。

1 探測(cè)器設(shè)計(jì)

探測(cè)器由表面電位探頭、表面電流探頭、電子線路處理系統(tǒng)等組成。

表面電流探頭采用高阻法進(jìn)行I-V變換后完成測(cè)量。將其微弱電流信號(hào)放大到便于測(cè)量的電壓時(shí)，必須使用高阻值的反饋電阻，同時(shí)應(yīng)當(dāng)選取高輸入電阻和極低偏置電流的運(yùn)算放大器，以防止偏置電流的噪聲淹沒輸入待測(cè)電流信號(hào)以及其溫度漂移影響輸出零點(diǎn)的穩(wěn)定。

表面電位探頭選擇微分電容法進(jìn)行測(cè)量。該方法簡(jiǎn)單，線性關(guān)系好，容易還原數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是接觸法造成的少量電荷流失，通過采用高阻抗測(cè)量回路減少傳導(dǎo)電流，使其遠(yuǎn)低于等離子體環(huán)境產(chǎn)生的表面充電電流，從而可以最大程度地降低其電荷流失和測(cè)量誤差。

1.1 探頭設(shè)計(jì)

飛行器表面充電探測(cè)器的探頭分為兩部分，一部分為表面電流探頭即金屬（鋁板）傳感器，一部分為表面電位探頭即飛行器典型介質(zhì)材料傳感器，兩個(gè)傳感器集成到一個(gè)探頭結(jié)構(gòu)中，如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of sensor

金屬（鋁板）傳感器用于測(cè)量充電電流，通過金屬板模擬暴露于空間環(huán)境下的絕緣材料表面，鋁板受充電粒子撞擊而產(chǎn)生電流，電流大小決定于外界空間充電電子環(huán)境，因此，鋁板上測(cè)量的充電電流能反映外界充電環(huán)境的變化。

測(cè)量表面電流的電原理圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量表面電流的電原理圖Fig.2 The electrical schematic diagram for measuring surface currents

飛行器典型介質(zhì)材料傳感器用于測(cè)量表面電位，上層為典型介質(zhì)材料薄膜，下層為鋁板，連接芯線引出，薄膜與鋁板等效成電容。當(dāng)空間環(huán)境對(duì)薄膜產(chǎn)生充電效應(yīng)時(shí)，由傳感器輸出的表面電位經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)，將電壓信號(hào)輸送給電子學(xué)處理系統(tǒng)。

以長(zhǎng)40mm、寬25mm、厚25μm的聚酰亞胺薄膜為例。

其面積為

真空介電常數(shù)為

聚酰亞胺薄膜相對(duì)介電常數(shù)為

電容量為

測(cè)量表面電位的電原理圖如圖3所示。

圖3 測(cè)量表面電位的電原理圖Fig.3 The electrical schematic diagram for measuring surface potential

圖中Cs為探頭聚酰亞胺薄膜和鋁板形成的等效電容，Cr為分壓電容，Cr由Cs和測(cè)量量程決定，R為測(cè)量電路的等效輸入電阻。從等效電路可看出，Vout呈微分響應(yīng)。

表面電位探頭經(jīng)分壓電容Cr接地，其表面電位經(jīng)Cs和Cr分壓后接電子線路。分壓電容Cr為具有溫度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性高、絕緣電阻大的性能優(yōu)異的金屬化聚苯硫醚電容。

1.2 電子線路設(shè)計(jì)

表面電流測(cè)量電路的工作原理是對(duì)探頭接收到的電流信號(hào)經(jīng)過IV轉(zhuǎn)換電路，通過高阻值采樣電阻和高阻放大器將微小電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，同時(shí)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過后級(jí)電路進(jìn)行偏置放大濾波，最終通過輸出接口電路得到電壓信號(hào)。測(cè)量電路工作流程如圖4所示。

表面電位測(cè)量電路的工作原理是對(duì)探頭接收到的電壓信號(hào)經(jīng)過電容分壓，經(jīng)過高輸入阻抗跟隨器輸出充電電壓信號(hào)，同時(shí)將高阻信號(hào)源轉(zhuǎn)換為低阻輸出，再經(jīng)過后級(jí)電路進(jìn)行偏置放大濾波，最終通過輸出接口電路得到電壓信號(hào)。測(cè)量電路工作流程如圖5所示。

圖4 表面電流測(cè)量電路工作流程Fig.4 The flow chart of surface current measurement circuit

圖5 表面電位測(cè)量電路工作流程Fig.5 The flow chart of surface potential measurement circuit

2 測(cè)試影響分析

表面電位探頭電容為1222pF，實(shí)際上由于聚酰亞胺薄膜在貼合過程中不能做到完全無縫貼合，因此，實(shí)際電容一般小于計(jì)算值，樣機(jī)實(shí)測(cè)值Cs約為560pF，分壓電容Cr選680nF。

表面充電具有一定的充電速率，一般要求測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)CrR大于1000s。Cr為680nF，R則取2GΩ，此時(shí)，CrR為1360s。對(duì)于周期為100s的峰值10kV電壓信號(hào)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 100s充電周期時(shí)電位測(cè)量電路輸入輸出對(duì)比Fig.6 The comparison of the input and output of the potential measurement circuit

根據(jù)仿真，理論最大輸出為8.229V，實(shí)際輸出與理論輸出最大偏差為-924mV，最大偏差比例為11.22%。由于放電電阻造成的偏差很小，可認(rèn)為不影響測(cè)量精度。因此，測(cè)試時(shí)充電電壓的改變速度不能太快，否則電路無法及時(shí)響應(yīng)，應(yīng)至少保證幾十秒。

3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 表面電流探頭標(biāo)定

電流探頭的測(cè)量電路是將接受的電子多少（電流在nA級(jí)以下）轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。對(duì)于電流探頭的處理電路可以采用微弱電流源模擬電流輸入（模擬入射電子的通量大小）的方式來對(duì)處理電路的線性度進(jìn)行測(cè)試。將微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，具體的測(cè)試連接圖如圖7所示。

測(cè)試結(jié)果如表1和圖8所示。

圖7 電流探頭測(cè)量電路的測(cè)試連接圖Fig.7 The test connection diagram for current probe measurement circuit

表1 電流探頭測(cè)量電路測(cè)試結(jié)果記錄表Table 1 The results of current probe measurement circuit

圖8 電流測(cè)量電路的標(biāo)定結(jié)果Fig.8 The calibration results of current measurement circuit

從標(biāo)定結(jié)果上看，表面電流測(cè)量電路的線性度很好。輸入電流和輸出電壓的關(guān)系為

其中，X表示輸入電流，單位為nA；Y為輸出電壓，單位為V。

3.2 表面電位探頭標(biāo)定

通過在電位探頭上加高壓，確定探頭電壓與電路輸出電壓的關(guān)系。直流高壓模擬標(biāo)定試驗(yàn)的真空度優(yōu)于5.4×10-4Pa。實(shí)驗(yàn)原理如圖9所示。

直流高壓電源輸出到探頭的電壓，一般為階躍電壓，信號(hào)處理電路輸出電壓為類似于指數(shù)變化的電壓脈沖。VS與V0的關(guān)系為

圖9 電容分壓式傳感器加直流高壓標(biāo)定原理Fig.9 The principle of capacitor voltage divider sensor plus DC high voltage calibration

如果RCr足夠大，或t0足夠小，則

實(shí)際測(cè)量結(jié)果如圖10所示。圖中每個(gè)臺(tái)階代表所加載的不同高壓，根據(jù)所加高壓，不斷地有臺(tái)階式上升。在每個(gè)臺(tái)階上，通過采樣程序取測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值來獲得測(cè)量結(jié)果。

圖10 表面電位測(cè)量結(jié)果Fig.10 The surface potential measurement results

測(cè)量結(jié)果與高壓模擬源輸出高壓的關(guān)系，如圖11所示。圖中還給出了根據(jù)電容分壓得出的理論值。從圖中可以看出，基于直流高壓模擬源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合曲線與理論結(jié)果比較接近。線性擬合公式如圖11中左下表所示。

圖11 表面電壓探頭高壓模擬源標(biāo)定結(jié)果及理論結(jié)果Fig.11 The calibration results and theoretical results of high votage analog source of surface voltage probe

3.3 表面電位和電流探頭的電子源環(huán)境下的標(biāo)定

低能電子束照射表面充電監(jiān)測(cè)模塊傳感器的定標(biāo)試驗(yàn)原理如圖12所示。

采用電子束照射電位探頭和電流探頭，通過法拉第筒對(duì)電子束流密度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。采用設(shè)備測(cè)量電位探頭表面所帶高壓，并與電位測(cè)量電路測(cè)試獲得的電壓建立線性關(guān)系。同時(shí)，也會(huì)檢測(cè)電流探頭測(cè)量電路測(cè)量的電流，并與法拉第筒所測(cè)量電流密度建立線性關(guān)系。電子束標(biāo)定試驗(yàn)的真空度優(yōu)于5.4×10-4Pa。

圖13給出了電流探頭的標(biāo)定結(jié)果，其中也給出了理論值（電路的標(biāo)定結(jié)果，與電流模擬源標(biāo)定曲線一致，只是變量代表參數(shù)相反）。其中，標(biāo)定結(jié)果的電流值采用的是法拉第筒測(cè)量電子源的束流大小，理論值測(cè)試則是輸入電流與探頭面積的比值。從圖中可以看出，擬合曲線與測(cè)試值完全吻合。擬合公式為

其中，X為電流探頭輸出電壓值，單位是V；Y為束流密度，單位是nA/cm2。

圖12 低能電子束照射表面充電探測(cè)器傳感器的定標(biāo)試驗(yàn)原理Fig.12 The calibration principle of surface charge detector sensor illuminated by low energy electron beam

圖13 電流探頭的標(biāo)定值與理論值Fig.13 The calibration value and theoretical value of current probe

圖13中的標(biāo)定值與理論有些差別，這是因?yàn)楸砻娉潆娞筋^在電子注入下的響應(yīng)與實(shí)際注入電流有差別。因?yàn)楦唠娮与娏魅肷湎?，表面探頭會(huì)出現(xiàn)一定的漏電，導(dǎo)致標(biāo)定值小于理論值，標(biāo)定值與理論值偏差在5%以內(nèi)。

表面電位探頭的標(biāo)定結(jié)果如圖14所示。圖中也給出了高壓模擬源標(biāo)定曲線（與高壓模擬源標(biāo)定曲線一致，只是變量代表參數(shù)相反）。從圖中可以看出電子源的標(biāo)定值落在了高壓模擬的標(biāo)定曲線上，說明高壓模擬源的標(biāo)定曲線可以代替電子源的標(biāo)定結(jié)果。

圖14 電壓探頭的標(biāo)定值與高壓模擬標(biāo)定曲線Fig.14 The calibration curve of voltage robe and high voltage simulation

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，有關(guān)空間飛行器長(zhǎng)壽命、高可靠性設(shè)計(jì)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。然而，國(guó)內(nèi)在飛行器充電效應(yīng)的研究方面尚處于起步階段，開展飛行器充放電效應(yīng)研究工作對(duì)飛行器安全、可靠運(yùn)行具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提升飛行器水平具有重要意義。

本探測(cè)器具有探測(cè)范圍寬、探測(cè)精度高、壽命長(zhǎng)、體積小、功耗低等特點(diǎn)。未來還需進(jìn)一步提高探測(cè)范圍和精度，拓寬探測(cè)參數(shù)的種類，繼續(xù)開展總劑量效應(yīng)、充放電效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)以及單粒子效應(yīng)等空間效應(yīng)參數(shù)的探測(cè)。進(jìn)而建立一整套完善的飛行器充電風(fēng)險(xiǎn)預(yù)示、評(píng)估與防護(hù)技術(shù)方案，以滿足我國(guó)長(zhǎng)壽命空間飛行器研制以及在軌穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的迫切工程需求。