衛(wèi)星充放電效應對典型星載電子設備影響的實驗研究

李宏偉，韓建偉，蔡明輝，陶孟澤，寇彬，李超男

（1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學天文與空間科學學院，北京 100049）

0 引言

充放電效應是導致航天器在軌故障與異常的重要原因[1-3]。其引發(fā)的電流脈沖和電磁場會通過電路或空間等不同方式傳播耦合至航天器的設備中，導致類似空間單粒子效應的“軟錯誤”故障。國內外學者通過在軌探測、地面模擬試驗等，從充電環(huán)境、充電機理等方面進行了深入研究，為航天器充放電效應防護設計提供支持，使得充放電效應的危害在一定程度上得到緩解[4-12]。研究發(fā)現，充放電效應導致航天器異常的主要機理是放電產生的電磁干擾耦合進入電子器件[13-18]。但是關于航天器上發(fā)生的放電電磁干擾如何耦合至星上電子設備內部并導致其工作異常的研究還十分欠缺，使得航天器充放電效應的防護設計仍存在缺陷與隱患。近年來，隨著導航、通信、氣象等中高軌道衛(wèi)星的增多，惡劣的高能電子環(huán)境使得衛(wèi)星充放電效應導致的故障與異常頻發(fā)，甚至防不勝防。

本文選取具有代表性的星載電子設備，通過地面模擬實驗開展研究，以期獲得放電導致設備工作異常的實驗數據，并對這些數據進行分析研究，深入了解充放電效應電磁干擾的耦合途徑，為中高軌航天器充放電效應防護設計提供支持。

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

實驗在中國科學院國家空間科學中心的航天器充放電模擬裝置（見圖1）上進行。該裝置是用于航天介質材料充放電特性研究以及衛(wèi)星部件和單機設備的充放電風險評估的專用實驗裝置，主要由90Sr-90Y β放射源和最高能量100 keV 的電子槍、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)，以及靜電電位計、脈沖電場儀、羅氏線圈、弱電流表等測試設備組成。其中，真空系統(tǒng)工作真空度優(yōu)于6×10-4Pa，電子槍可產生能量10～100 keV、注量0.1～10 nA/cm2、束斑直徑30 cm的電子輻照環(huán)境，β放射源可產生電子注量為1～10 pA/cm2、能量低于2.28 MeV 的連續(xù)譜。裝置中電子槍的能量與束流密度滿足空間表面充放電實驗的要求；β放射源產生的電子能譜與束流強度接近GEO的電子能譜，滿足深層充電實驗的要求。

圖1 航天器充放電模擬裝置Fig.1 Facility for simulating spacecraft charging effects

1.2 實驗對象

為了研究衛(wèi)星充放電效應中放電產生的電磁干擾耦合至電子設備中對其工作產生的影響，需要選擇合適的電子設備作為實驗對象。所選電子設備要包含可能發(fā)生充放電效應的單元，且該單元發(fā)生放電后產生的電磁干擾具備耦合至電子設備的通道；此外該設備應具備一定的通用性。根據上述分析，本文選用航天器上常用的星敏作為實驗對象。首先，星敏的鏡頭通常為石英玻璃材料，尺寸較大，導電性較差，且一般直接暴露在航天器艙外，容易產生充放電效應；其次，放電產生的電磁干擾可以通過鏡頭等耦合至設備內部的電路中。

星敏鏡頭直接暴露在航天器艙外，既可能發(fā)生深層充放電也可能發(fā)生表面充放電，因此本文分別設計了深層與表面充放電實驗方案。

1.3 深層充放電實驗設計

深層充放電實驗布局如圖2所示，將實驗中采用的電子設備（星敏）安裝在設計好的工裝上放置在真空室內，放射源距離鏡頭約2 cm，對應的電子束流密度約為10 pA/cm2，確保星敏的鏡頭能夠被放射源輻照充電。實驗中，電子設備通過穿真空航空插座加電工作；靜電電位計與三維平移機構配合，以其電位測量探頭對鏡頭中心的表面充電電位進行測量；脈沖電場儀對放電產生的脈沖電場進行監(jiān)測；通過調整放射源與鏡頭間的距離可實現對電子束流密度的調節(jié)。

圖2 深層充放電實驗布局Fig.2 Experimental setup for deep charging and discharging effects

1.4 表面充放電實驗設計

表面充放電與深層充放電實驗的設計存在一定差異：表面充電電流遠高于深層充電，且充電速率更高，充電時間更短，發(fā)生放電的概率更高，因此在表面充放電實驗中將重點關注充電后發(fā)生放電以及放電對星敏的影響。表面充放電實驗布局如圖3所示：星敏安裝于充放電模擬裝置內，在滿足要求的真空度下，采用電子槍對星敏鏡頭進行輻照充電。電子束從實驗艙的頂部豎直向下輻照至鏡頭上，輻照直徑約為30 cm，可覆蓋鏡頭和放置在鏡頭附近的法拉第筒。電子束流密度可通過燈絲電流予以調節(jié)，并采用法拉第筒對電子槍產生的電子束流進行監(jiān)測；電位測量探頭用于對星敏鏡頭表面電位進行監(jiān)測；脈沖電場儀用于對放電脈沖進行監(jiān)測。

圖3 表面充放電實驗布局Fig.3 Experiment setup for surface charging and discharging effects

星敏保持加電工作狀態(tài)，分別在不同的輻照電子束流密度和不同的接地方式下進行實驗，通過PC端的軟件對星敏信號進行監(jiān)測記錄；不定時地對鏡頭中心點的表面電位進行抽樣測量；若實驗期間發(fā)生放電，放電產生的電磁干擾會被脈沖電場儀探測到，并被示波器自動采集，實現對放電時間及放電脈沖信號的記錄。

2 實驗結果與分析

2.1 深層充電實驗結果

星敏鏡頭深層充電實驗過程中，樣品表面電位隨時間變化曲線（充電曲線）如圖4所示。可以看到，充電持續(xù)時間約3000 min，樣品的最高負電位達到-8925 V，充電電位已經飽和，在此期間未發(fā)生放電。雖然實驗過程中未監(jiān)測到放電，但是鏡頭的帶電電位較高，已經具有較高的放電風險；在軌期間若受到外部因素的影響，例如空間碎片撞擊誘發(fā)的等離子體干擾以及光照條件等引起的不等量帶電等，則可能會誘發(fā)放電，對設備的正常運行構成潛在威脅。

圖4 星敏鏡頭深層充電實驗曲線Fig.4 Deep charging curve obtained by the simulation experiment

2.2 表面充放電實驗結果

為考察不同接地方式的影響，分別對直接接地與遠端接地方式下的表面充放電效應進行實驗研究：直接接地方式中電子設備的地與儀器外殼和衛(wèi)星結構之間就近直接連接；遠端接地則將電子設備的接地點通過導線與特定的接地點進行連接。

2.2.1 直接接地方式

實驗中，星敏加電正常工作，機殼通過接地導線在實驗艙內直接接地；設定輻照電子束的能量為30 keV，束流密度為160 pA/cm2，實驗測量獲得的星敏鏡頭表面的充電曲線如圖5所示?？梢钥吹剑诖藯l件下，經過13 min，星敏鏡頭的表面電位已經接近飽和，最高充電電位達到-7025 V。

圖5 星敏鏡頭表面充電實驗曲線Fig.5 Surface charging curve obtained by the simulation experiment

將輻照電子束流密度增大到400 pA/cm2，再對設備進行充放電效應實驗，示波器記錄到脈沖電場儀監(jiān)測到的多個放電信號。如圖6所示，圖6(a)為典型放電脈沖信號截圖，圖6(b)為數據處理后脈沖電場干擾信號的相對幅度與脈沖寬度等特征。

圖6 表面充放電實驗中典型放電產生的電磁干擾信號Fig.6 Typical electromagnetic interference signal in surface discharging experiment

實驗過程中共監(jiān)測到超過100個放電脈沖信號，但星敏一直工作正常。這表明，當星敏機殼通過接地導線在實驗艙內直接接地時，雖然石英玻璃鏡頭無法對電磁波進行屏蔽，但鏡頭表面放電產生的電磁干擾以電磁波的形式通過空間耦合并不會影響星敏的正常工作。

2.2.2 遠端接地方式

改變星敏機殼的接地方式，將其接地導線通過穿艙導線引到艙外進行遠端接地，接地導線長度約為4 m，同時在接地線上采用羅氏線圈對放電電流進行監(jiān)測。采用電子束輻照星敏鏡頭進行表面充放電效應實驗，實驗中觀測到放電的脈沖電場信號，部分放電過程中能監(jiān)測到放電電流，監(jiān)測到放電電流的這些放電事件則會觸發(fā)儀器工作異常。通過配套的監(jiān)測設備對儀器工作狀態(tài)進行監(jiān)測發(fā)現，儀器異常主要包括通信模塊異常以及SRAM 器件的單錯和雙錯。實驗過程中監(jiān)測到約100次放電事件，其中導致儀器通信異常超過10次，SRAM 單錯出現5次、雙錯出現3次；儀器發(fā)生雙錯后進行斷電復位可恢復到正常工作狀態(tài)。圖7所示為實驗中通過羅氏線圈監(jiān)測到的典型放電電流。該電流為單脈沖信號，其幅值可達到0.5 A，脈沖寬度約為0.5μs。

圖7 表面充放電實驗中的典型放電電流信號Fig.7 Typical signal of discharging current in surface charging and discharging experiment

注意到此電流是儀器接地點及外殼與實驗室地之間的電流，表明表面放電瞬間有電流經儀器的接地點或外殼通過長導線流到實驗室的接地點。而遠端接地導線的使用使得儀器的接地點或機殼與實驗室地之間存在一定的阻抗，尤其是頻率較高的情況下，長導線的使用將產生一定的感性阻抗，進而導致放電瞬間電流不能直接導入至實驗室的接地點，有部分電荷會通過儀器的接地點或者機殼耦合進入到正在工作中的器件內部，產生額外的電流與電荷，影響器件的正常工作。

3 結束語

針對中高軌衛(wèi)星運行所處的空間充電環(huán)境，選用星敏作為實驗對象開展了充放電效應及其影響的實驗研究。實驗發(fā)現，星敏鏡頭是深層和表面充放電的敏感單元，深層充電實驗中雖未監(jiān)測到放電事件，但鏡頭的最高充電電位可達-8925 V，已經具有較高的放電風險；表面充放電實驗中觀測到鏡頭的充電電位約為-7025 V，并監(jiān)測到大量放電事件。若星敏的接地端直接在真空室內就近接地，放電形成的電磁干擾以電磁波的形式通過空間耦合，不會對星敏的正常工作產生影響；但當星敏的接地端通過穿艙電纜遠端接地時，放電釋放的電荷通過電路的接地點耦合傳導至儀器內部，會影響器件的正常工作，儀器異常主要為通信模塊異常以及SRAM 器件的單錯和雙錯。

綜上，與放電產生的電磁干擾以電磁波的形式通過空間耦合相比，放電產生的脈沖電流通過接地點耦合可對電子設備產生更嚴重的干擾。因此，在航天器電子設備的充放電防護設計中，應該對電子設備的接地方式進行充分評估，尤其需要考慮具有放電風險的元件發(fā)生充放電事件時，放電電流通過接地點耦合至設備內部對設備工作產生的影響。