宇航電絕緣材料深空環(huán)境適應(yīng)性研究

王志浩 劉業(yè)楠 于瀾濤 王思展 崔乃元

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

現(xiàn)代空間探測器本質(zhì)上是一臺擁有復(fù)雜功能的電子學(xué)裝備，電絕緣材料決定了電信號傳遞和作用的界限，對于在整個壽命周期內(nèi)維持空間探測器的性能至關(guān)重要。目前空間探測器主要采用真空絕緣和固體絕緣兩種形式，其中真空絕緣主要應(yīng)用于探測器表面及低電壓應(yīng)用，固體絕緣則應(yīng)用于探測器內(nèi)部及較高電壓應(yīng)用。所使用的電絕緣材料種類較多，包括涂覆類材料、灌封類材料、印刷電路板材料、絕緣隔離材料等，其中涂覆類材料多采用聚對二甲苯［1-2］，灌封類材料包括環(huán)氧樹脂、有機硅橡膠和聚氨酯［3］；印刷電路板材料主要是環(huán)氧玻璃纖維板（FR-4）；絕緣隔離材料包括常用的聚酰亞胺、交聯(lián)及非交聯(lián)的聚四氟乙烯類材料等。

以上材料在近地軌道探測器上已經(jīng)進行了較為充分的應(yīng)用，表明其具備近地空間環(huán)境適應(yīng)性，但一方面受限于深空探測成本很高且探測數(shù)據(jù)有限，對深空環(huán)境的認知既不充分也不全面，雖然國外機構(gòu)針對熱門探測區(qū)域建立了若干環(huán)境模型，與真實環(huán)境相比尚存在較大的不確定性；另一方面深空探測器對質(zhì)量和功耗異常敏感，如何以較小的質(zhì)量和能耗代價保證足夠的絕緣效果，以及如何適應(yīng)極端的深空環(huán)境，都是探測器研制過程需要面對的問題。

根據(jù)公開的故障統(tǒng)計，在1980年～2005年間，國外研究機構(gòu)對于129 個航天器上出現(xiàn)的156 個在軌故障進行了總結(jié)，將故障類型分為電子電路類、機械類、軟件類和不確定4 種，其中電子電路類故障占比高達45%［4］，由空間環(huán)境誘發(fā)的電絕緣問題是導(dǎo)致電子類故障的主要原因。對于復(fù)雜多變的深空環(huán)境，研究和分析探測器在深空環(huán)境下的適應(yīng)性，確保采用的材料、設(shè)計及工藝能夠滿足深空探測的需要，對保證探測器正常運行具有重要意義。

近年來我國在深空探測方面取得了舉世矚目的成就，“嫦娥五號”成功采樣返回，“祝融號”成功落火，鼓舞著中國航天向深空不斷邁進，對材料環(huán)境適應(yīng)性及熱點探測區(qū)域環(huán)境效應(yīng)的研究也隨之開展。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所開展了航天器材料空間環(huán)境適應(yīng)性評價與認定準則研究［5］，提出了航天材料工程學(xué)的概念，對航天材料工程的各個組成部分的關(guān)聯(lián)性進行了分析［6］，試驗研究了電子輻照對絕緣材料力學(xué)性能及介電性能的影響［7-8］；北京空間飛行器總體設(shè)計部針對木星探測需求，分析了木星環(huán)繞探測任務(wù)中的內(nèi)帶電效應(yīng)［9］，木星探測任務(wù)中的總劑量效應(yīng)及其不確定性［10］，并針對總劑量效應(yīng)討論了木星系探測器屏蔽材料的選擇和屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計［11］；南京航空航天大學(xué)等單位也開展了深空條件下航天器內(nèi)輻射環(huán)境及表面高水平充電效應(yīng)的研究［12-13］；國外方面針對木星輻射帶環(huán)境提出了Divine-Garrett模型、GIRE模型，為量化分析木星輻射環(huán)境提供了依據(jù)［14］；深空環(huán)境導(dǎo)致的故障方面，伽利略號由于輻射劑量超標導(dǎo)致的故障，多個探測裝置性能都實測到漂移和精度下降的現(xiàn)象［15］。從公開發(fā)表的文獻來看，研究人員較為關(guān)注深空環(huán)境效應(yīng)問題，但受限于各種因素較少關(guān)注電絕緣材料深空環(huán)境下的適應(yīng)性問題。本文以宇航電絕緣材料為研究對象，從關(guān)聯(lián)環(huán)境因素分析入手，針對典型材料的輻射環(huán)境及效應(yīng)、熱環(huán)境及效應(yīng)、大氣環(huán)境及效應(yīng)以及顆粒物環(huán)境及效應(yīng)等方面開展分析，總結(jié)分析流程及試驗評估方法，擬為研究和分析電絕緣材料的環(huán)境適應(yīng)性提供借鑒。

1 關(guān)聯(lián)環(huán)境及效應(yīng)分析

1.1 關(guān)聯(lián)環(huán)境因素

電絕緣材料服務(wù)于探測器電系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)的電流、電荷或電信號在規(guī)定的工作∕環(huán)境條件下都不外泄，從而實現(xiàn)預(yù)定的電系統(tǒng)功能［16］。隨時空動態(tài)變化的空間環(huán)境是電絕緣材料選用時的重要考慮因素，不同空間環(huán)境因素，對絕緣材料及類型的影響程度存在差別，如表1所示［17］。

表1中的真空絕緣多用于探測器表面，優(yōu)點是不占用額外的質(zhì)量且無光學(xué)遮擋，但卻與空間環(huán)境因素強相關(guān)，極端條件下的放電閾值極低，例如在低氣壓等離子體環(huán)境下可能僅有24 V［18］。而固體絕緣雖然對多數(shù)空間環(huán)境影響不敏感，但卻需要占用額外的質(zhì)量。在分析空間環(huán)境因素對電絕緣材料的影響時，對單一環(huán)境因素的靜態(tài)分析可能是不足的，主要原因是宇航電絕緣材料一般都會降額使用［19］，大多數(shù)材料對輻射劑量及放電的耐受能力也遠超電子器件［16］。即便如此，多環(huán)境因素綜合作用下仍可能出現(xiàn)十分嚴重的絕緣問題。在軌的絕緣問題實際上是環(huán)境、設(shè)計及工藝等因素復(fù)雜作用的結(jié)果，例如日本先進地球觀測衛(wèi)星（ADEOS-Ⅱ）在運行中發(fā)生失效，后證實熱設(shè)計存在缺陷，衛(wèi)星外部的功率電纜工作溫度超過實際耐受能力，導(dǎo)致電纜絕緣材料開裂，固體絕緣退化為真空絕緣；另外工藝上也存在問題，星表熱控多層未接地處理；失效發(fā)生時，空間環(huán)境導(dǎo)致了多層充電并發(fā)生靜電放電，放電產(chǎn)生的等離子體使電纜短路并燒毀，該探測器隨后失去能源供給并最終失效［20］。

表1 空間電絕緣關(guān)聯(lián)環(huán)境因素分析Tab.1 Analysis of electrical insulation related space environmental factors

1.2 輻射環(huán)境及效應(yīng)

大體上，深空輻射環(huán)境可分為行星際空間輻射環(huán)境、地外天體軌道輻射帶環(huán)境及地外天體表面輻射環(huán)境。行星際輻射環(huán)境主要由極低通量的宇宙射線以及偶發(fā)的太陽高能粒子事件組成；地外天體輻射帶環(huán)境是由地外天體的磁場俘獲帶電粒子形成的，太陽系內(nèi)木星、土星、天王星、海王星都有較強的磁場，在輻射帶內(nèi)運行的探測器會經(jīng)受較為嚴酷的輻射環(huán)境，水星也有小的磁層，可能引發(fā)暫態(tài)的輻射帶，但其他天體一般認為沒有顯著的捕獲輻射。木星探測數(shù)據(jù)顯示輻射帶內(nèi)高能質(zhì)子通量較高［21］，其他擁有強磁場的行星輻射帶內(nèi)也存在類似的情況。地外天體表面輻射環(huán)境是天體表面吸收一次輻射之后發(fā)生的二次輻射，對于沒有顯著磁場的行星而言，其軌道環(huán)境與行星際環(huán)境類似，區(qū)別是行星的立體角會提供一些屏蔽，特別是對低軌。此外還有普遍存在的太陽風(fēng)等離子及太陽電磁輻射背景。

深空輻射環(huán)境下，電絕緣材料會發(fā)生總劑量效應(yīng)、表面充電效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)及太陽電磁輻射效應(yīng)。

1.2.1 總劑量效應(yīng)

空間帶電粒子入射進入電絕緣材料后，會產(chǎn)生電離作用，其能量被材料中的原子電離吸收，從而造成總劑量損傷，表現(xiàn)絕緣材料強度降低、開裂，絕緣性下降等。對于深空輻射環(huán)境而言，輻射帶電子和質(zhì)子由于能量適中且作用時間較長，對總劑量貢獻最大。多數(shù)宇航電絕緣材料都擁有較強的總劑量耐受能力，如表2所示。

表2 典型電絕緣材料耐受總劑量輻射量級［16］Tab.2 Radiation levels of total dose tolerance of typical electrical insulating materials

表2列出材料的抗總劑量輻射能力普遍較強，即便是其中最差的聚四氟乙烯也能達到100 krad 的水平，與宇航級電子器件的抗總劑量能力持平。因此對于深空探測器而言，總劑量防護的短板是電子器件，無需考慮艙內(nèi)電絕緣材料的總劑量效應(yīng)。但仍需要指出，對于艙外的電絕緣材料，需要單獨分析電絕緣材料總劑量耐受能力是否與輻射環(huán)境相匹配。

1.2.2 充放電效應(yīng)

與近地軌道環(huán)境類似，深空環(huán)境中的低能電子沉積在探測器表面的電絕緣材料表面，會發(fā)生表面充放電效應(yīng)，除了電子溫度（Te）和離子溫度（Ti）之外，光電流密度（Jp0）也對充電電位有較大影響。與地球同步軌道類似，行星磁尾也存在較為“嚴酷”低能電子環(huán)境，利用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所編寫的數(shù)值程序計算了聚酰亞胺材料處于地球同步軌道、月球軌道、木星軌道及土星軌道在光照條件下及陰影條件下的表面充電電壓，計算中考慮了電子電流、離子電流、光電流、由電子及離子引起的二次電流，所選用等離子體參數(shù)及充電結(jié)果如表3所示［21-22］。

表3 典型空間環(huán)境下聚酰亞胺材料表面充電電位值Tab.3 Surface charge potential of polyimide in typical space environment

在近地及月球軌道，光照條件下光電流占主導(dǎo)作用，平衡電壓分別為5.47 V（地球同步軌道）及6.92 V（月球軌道），陰影條件下由于地球同步軌道占據(jù)主導(dǎo)作用的是電子電流，充電電位約為-15.5 kV，月球軌道的太陽風(fēng)電子能量較低，充電電位約為-26.8 V；對于木星軌道由于光電子電流大幅度降低，即便在光照條件下，充電電位仍為負值（約-412 V），陰影條件下則達到了約-8.4 kV；對于土星軌道，光電子電流進一步減小，因此聚酰亞胺材料在光照條件及陰影下充電電位分別為-11.5和-16.0 kV。

在所計算的典型充電環(huán)境下，聚酰亞胺表面雖然充電至較高電位，但其相對探測器結(jié)構(gòu)的相對電位一般不會達到這么高的量級。另外，由于光電子的影響會隨著距離太陽變遠而顯著降低，因此從光照-非光照電壓梯度的角度出發(fā)，地內(nèi)行星軌道要比地外行星軌道更為嚴酷。

即便有靜電放電發(fā)生，其放電能量也非常有限（按照放電防護的要求，需按照一定的距離要求對電絕緣材料做接地處理［23］），如果不考慮靜電放電誘發(fā)的二次放電問題，探測器表面的靜電放電主要以電干擾的形式影響探測器電信號，很難造成電絕緣材料本身絕緣性能的顯著退化。深空環(huán)境中較高能量的電子會穿透探測器艙板并沉積在艙內(nèi)電絕緣材料內(nèi)部，引起內(nèi)帶電效應(yīng)，當電絕緣材料內(nèi)部的電子累積到一定程度，也會發(fā)生靜電放電，與表面靜電放電問題類似，靜電放電會對電子電路形成干擾或者損傷，但除非引發(fā)二次放電，很難對電絕緣材料本身造成顯著損傷。

1.2.3 太陽電磁輻射效應(yīng)

暴露于深空環(huán)境下的探測器表面的電絕緣材料，還會受到太陽電磁輻射的影響，材料損傷主要來源于太陽紫外輻射，雖然太陽紫外輻射通量較低，但電絕緣材料中常見的C—C、C—N 及C—O 鍵的鍵能3.17～9.24 eV 不等［24］，對應(yīng)光子波長為130～390 nm，而紫外光波長為10～400 nm，可以離解化學(xué)鍵使物質(zhì)性能發(fā)生變化，長期作用會導(dǎo)致電絕緣材料變脆、變硬甚至開裂，導(dǎo)致絕緣性能退化甚至失效。因此電絕緣材料需通過全壽命周期紫外輻照試驗，以驗證絕緣性能滿足設(shè)計要求。

1.3 熱環(huán)境及效應(yīng)

熱環(huán)境是宇航電絕緣材料退化的重要因素，宇航電絕緣材料的熱環(huán)境是空間熱環(huán)境與探測器熱控系統(tǒng)相互作用誘發(fā)的二次環(huán)境，主要影響因素包括太陽輻射熱流，材料熱輻射熱流及熱傳導(dǎo)熱流。其中太陽輻射熱流與太陽距離呈指數(shù)衰減規(guī)律［24］，材料熱輻射熱流是材料溫度的函數(shù)，熱傳導(dǎo)熱流取決于材料自身的性質(zhì)及幾何參數(shù)。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所利用所建立的簡化數(shù)值模型，計算了太陽系內(nèi)主要天體軌道環(huán)境且無主動熱控條件下，聚酰亞胺材料光照面及非光照面的平衡溫度，如圖1所示。

圖1 聚酰亞胺材料溫度及太陽熱輻射隨距離變化規(guī)律Fig.1 Variation of temperature and solar radiation of polyimide with distance to the sun

圖1中，Th和Tl分別為同一塊聚酰亞胺材料，在光照區(qū)域和陰影區(qū)域的平衡溫度，兩者之間的溫差隨太陽距離增加而減少，這種溫差在水星軌道高達約300 ℃。所形成的熱循環(huán)對電絕緣材料有顯著影響，主要作用機制是不同材料熱物理性能存在差別，熱循環(huán)過程中的熱錯配應(yīng)力累積，可能導(dǎo)致電絕緣材料裂紋或者剝離［25］。相對于低溫環(huán)境，高溫環(huán)境對電絕緣材料的影響更大，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所測試了FR-4材料體電導(dǎo)率隨溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當超過某個閾值時，電絕緣材料由剛性的“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”，電導(dǎo)率急劇上升［26］，性能退化非常顯著。

對于采用主動熱控的艙內(nèi)電絕緣材料而言，環(huán)境溫度一般會維持在-15～50℃［24］，此時無需考慮電絕緣材料的熱效應(yīng)。但對于地外行星探測任務(wù)而言，太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率大幅降低，即便配備了核電源，能夠用于主動熱控的功率有限，需要針對具體任務(wù)計算和分析艙外和艙內(nèi)的電絕緣材料的溫度包絡(luò)。

1.4 氣體環(huán)境及效應(yīng)

深空探測過程中探測器還可能深入行星大氣，不同天體大氣環(huán)境差異較大，如表4所示。

表4 行星大氣成分［21］Tab.4 Compositions of planetary atmosphere

不考慮特殊的腐蝕環(huán)境（例如金星的酸性環(huán)境），氣體環(huán)境會對真空絕緣帶來顯著影響，根據(jù)帕邢定律，電極放電電壓可以表述為氣體壓力和距離乘積的函數(shù)［28］：

式中，Vs為起火電壓，P是氣體壓力，d為電極間距離，A是電子平均自由程與壓力乘積的倒數(shù)，B是參數(shù)A與氣體電離電位的乘積，γ為湯生第三電離系數(shù)。

不同的氣體成分帕邢曲線存在較大差異，氦氣條件下最低放電閾值略大于100 V，因此對于低氣壓環(huán)境而言，并不存在一個絕對安全的距離，能夠保證不會發(fā)生放電，這也是要求高壓電子產(chǎn)品（峰值電壓＞100 V）采用固體絕緣的重要原因。對于確定的氣體成分及溫度條件，式（1）中的A、B和γ均為常數(shù)，那么存在一個Pd值對應(yīng)最小的放電閾值電壓。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所測試了不同P、d值組合條件下，不同電極組合對應(yīng)的最小放電閾值，如圖2所示。

圖2 低氣壓條件下典型電極放電閾值Fig.2 Discharge threshold of typical electrode at low pressure

在圖2中，無論是針板電極，還是板板電極，實測的最小放電閾值約為350 V，對應(yīng)的壓力距離乘積均為0.5 Pa·m。因此對于典型的絕緣距離（假設(shè)這個距離為1 mm），則危險氣體壓力約為500 Pa，與火星表面的氣體壓力大致相當。因此對于火星探測任務(wù)，首先應(yīng)根據(jù)電壓等級利用電絕緣材料涂敷或灌封電子產(chǎn)品，為了保證產(chǎn)品在火星表面低氣壓環(huán)境下的適應(yīng)性，還應(yīng)當在模擬火星低氣壓環(huán)境下檢驗電絕緣材料的絕緣效果。

1.5 顆粒物環(huán)境及效應(yīng)

在深空探測器的飛行過程中，可能會穿越小行星帶，宇宙塵埃和微流星體可能會撞擊在探測器表面，對探測器表面材料造成損傷，碰撞產(chǎn)生的等離子體也可能誘發(fā)太陽電池的靜電放電［29］，然而致命性（大顆粒）的碰撞概率極低，因此深空探測器一般不進行碎片防護。

天體表面的顆粒物環(huán)境是在空間風(fēng)化的作用下逐漸形成的，其主要形成機制是隕石和微流星體的撞擊、宇宙輻射和太陽風(fēng)持續(xù)轟擊、晝夜溫度交變導(dǎo)致巖石熱脹冷縮破碎共同作用形成的。月球及火星表面都存在顆粒物質(zhì)分布，主要化學(xué)成分按質(zhì)量數(shù)倒序如表5所示［30-31］。

表5 月壤及火星土壤主要化學(xué)成分Tab.5 Main chemical composition of Lunar soil and Martian soil

由表5 可知，無論是月壤還是火星土壤，均以硅酸鹽成分為主，這些顆粒物質(zhì)本身雖然不導(dǎo)電，但在光照及空間等離子體環(huán)境的作用下會發(fā)生荷電效應(yīng)，并隨著人為活動或自然作用發(fā)生激揚［32］，激揚而起的顆粒物質(zhì)會沉積并粘附在電絕緣材料上。當探測器上的運動部件執(zhí)行展開、旋轉(zhuǎn)等操作時，粘附的顆粒物質(zhì)會對電絕緣材料造成摩擦磨損。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所試驗研究了載塵（模擬月塵）條件下典型絕緣材料（聚四氟乙烯）與鋁合金材料的摩擦因數(shù)變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3 可知相對于無塵大氣條件，載塵真空條件下的摩擦因數(shù)有非常明顯的提升。地外天體表面的顆粒物質(zhì)會加劇對電絕緣材料的磨損，真空環(huán)境會進一步強化這種趨勢，因此應(yīng)評估臨近運動部件的電絕緣材料在顆粒物環(huán)境下的適應(yīng)性，保證電絕緣材料在顆粒物環(huán)境下不被磨損。另外，顆粒物質(zhì)本身也會拉低真空絕緣的擊穿電壓，被顆粒污染的電極的擊穿電壓比未污染狀態(tài)要低，根據(jù)污染程度不同，擊穿電壓可能會相差一個數(shù)量級［33］。因此，在顆粒物環(huán)境下不推薦采用真空絕緣形式。

圖3 不同環(huán)境下的摩擦曲線對比Fig.3 Comparison of friction curves in different environments

2 適應(yīng)性評估方法

大多數(shù)在用的宇航電絕緣材料，已經(jīng)具備近地軌道環(huán)境適應(yīng)性的要求，但仍需針對深空特殊環(huán)境，分析其相對于近地軌道環(huán)境的“惡劣”或“緩和”程度，如果深空探測環(huán)境相對“緩和”，可認為所評估的材料具有所針對深空環(huán)境的適應(yīng)性；如果深空探測環(huán)境相對“嚴苛”，則需要量化分析環(huán)境及效應(yīng)，采用試驗驗證的方式加以驗證，分析流程如圖4所示。如果分析結(jié)果認為存在多種環(huán)境因素同時作用于電絕緣材料，則推薦采用多環(huán)境因素疊加的方式實施驗證試驗。

圖4中的電絕緣試驗針對部組件，主要原因是材料級測試較為規(guī)范［34-38］，且不涉及空間環(huán)境因素，為了貼近工程實際，需要基于電絕緣材料并結(jié)合設(shè)計和工藝綜合驗證其絕緣效果。表6 所列出的電絕緣試驗項目參考國外規(guī)范［28］并結(jié)合了國內(nèi)工程應(yīng)用內(nèi)容。

圖4 電絕緣材料深空環(huán)境適應(yīng)性評估流程Fig.4 Assessment process of deep space environmental adaptability of electrical insulating materials

如表6所示，可將電絕緣試驗按目的分為3 類：（1）工藝檢查試驗，主要對電絕緣材料的處理工藝進行檢查確認；（2）環(huán)境適應(yīng)性試驗，主要對真空環(huán)境、低壓力環(huán)境、等離子體環(huán)境等與電子產(chǎn)品作用導(dǎo)致的放電進行模擬和驗證；（3）可靠性試驗，主要針對固體絕緣的壽命及極端工況進行驗證和評估［42］。

表6 電絕緣試驗項目及用途Tab.6 Items and applications of electrical insulation tests

對于深空探測器，高電壓組件的電絕緣問題無疑是最關(guān)鍵的，理論上所采用的固體絕緣隔離了大部分深空環(huán)境因素的影響，但不能簡單地認為只要采用固體絕緣就不存在環(huán)境適應(yīng)性問題，為了驗證電絕緣材料深空環(huán)境下的極端退化狀態(tài)，可先實施可靠性試驗再進行環(huán)境適應(yīng)性試驗。

在電絕緣試驗中，按照加載電壓的大小可將試驗分為L1 和L2 級，其中L1 級測試用于檢驗產(chǎn)品是否滿足要求，屬驗收性質(zhì)；L2 級則用來確定設(shè)計余量。在設(shè)計試驗時，先實施L1 級試驗，之后再進行L2 級試驗，試驗加載電壓的值可參考：L1 級試驗試驗加載電壓Utest與最大工作電壓Umax一致；L2 級試驗Utest可根據(jù)實際情況調(diào)整為1.5Umax～2Umax。推薦采用交流信號，周期性信號檢測效果更好，也有利于捕捉放電信號和保護試驗樣品［43］。

利用空間環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)實施電絕緣試驗，增加相應(yīng)的測試手段，實現(xiàn)較為復(fù)雜的環(huán)境模擬、工藝檢查及可靠性驗證的需求。較為完備的電絕緣試驗系統(tǒng)包括真空容器系統(tǒng)、空間環(huán)境模擬源裝置、外接的補償電路、放電特性測量系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 電絕緣試驗系統(tǒng)組成圖Fig.5 Composition diagram of electrical insulation test system

其中真空容器系統(tǒng)包括真空容器、真空獲取及真空度測量裝置，空間環(huán)境模擬源包括電子槍、等離子體源、紫外源等，補償電路主要通過外接器件調(diào)節(jié)試驗對象的放電特性，放電特性測量系統(tǒng)包括瞬態(tài)放電脈沖測量裝置（電壓∕電流探頭及示波器）、局部放電測試儀、光譜儀、圖像采集裝置等，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括必要的液氮管路（圖中未標出）、溫度測量裝置、電加熱系統(tǒng)等，再通過控制計算機對模擬源、測量裝置及控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。

3 總結(jié)及建議

為了保證深空探測器的可靠運行，應(yīng)開展材料電絕緣性能關(guān)聯(lián)環(huán)境因素的分析，總結(jié)輻射、熱、氣體及顆粒物環(huán)境對材料性能的影響如下：

（1）輻射環(huán)境會引起總劑量、表面充放電及內(nèi)帶電效應(yīng)，對于艙內(nèi)應(yīng)用的電絕緣材料，一般條件下可忽略總劑量效應(yīng)的影響；特定區(qū)域表面充電電壓較高，需考慮靜電放電對艙外電絕緣材料影響；艙內(nèi)電絕緣材料還需要考慮內(nèi)帶電對臨近的電子電路的干擾；

（2）熱環(huán)境是電絕緣材料需要重點關(guān)注的深空環(huán)境因素，在深空探測器飛行過程中可能經(jīng)歷巨大的溫差變化，這種熱循環(huán)過程中累積的熱錯配應(yīng)力，會導(dǎo)致電絕緣材料裂紋或者剝離，逐漸從固體絕緣退化為真空絕緣，嚴重時可能產(chǎn)生二次放電；

（3）對于氣體環(huán)境，應(yīng)盡可能避免采用真空絕緣形式，采用固體絕緣的產(chǎn)品需要確保絕緣材料及工藝可靠有效；

（4）顆粒物環(huán)境主要對運動部件產(chǎn)生影響，導(dǎo)致臨近的電絕緣材料產(chǎn)生磨損，應(yīng)針對具體的設(shè)計就可能磨損問題進行分析和評估，規(guī)避電絕緣材料可能出現(xiàn)的絕緣退化甚至失效。

針對電絕緣材料深空環(huán)境效應(yīng)，應(yīng)開展風(fēng)險分析與評估工作，通過電絕緣試驗的方式對材料、工藝及防護效果進行檢驗和驗證：

（1）選取關(guān)鍵性的環(huán)境因素進行模擬和試驗，如果有多種環(huán)境因素都可能拉低放電閾值，推薦同時施加多種環(huán)境因素以驗證電絕緣的有效性；

（2）建議針對電絕緣組件開展試驗，綜合驗證材料、設(shè)計及工藝的綜合絕緣效果。

電絕緣材料是深空探測器工作的基礎(chǔ)性保障，在深空環(huán)境的影響下，材料的電絕緣性能可能發(fā)生退化甚至失效，這種過程一般不可逆轉(zhuǎn)，一旦出現(xiàn)會對探測器造成巨大的影響，因此必須重視宇航電絕緣材料環(huán)境保證工作，針對性地進行分析和驗證工作，確保電絕緣材料深空環(huán)境下的適應(yīng)性。