第 31 卷第 10 期
2019 年 10 月
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航天器空间静电效应研究进展
胡小锋, 张建平, 许
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(陆军工程大学石家庄校区 电磁环境效应国家级重点实验室,石家庄 050003)
摘
要: 航天器在轨运行过程中面临的空间环 境 复 杂 多 变,高 能 电 子、等 离 子 体 环 境、低 气 压、大 温 差 等
环境因素会引起航天器发生静电带电和放电效应,对 航 天 器 的 安 全 运 行 造 成 严 重 影 响。基 于 国 内 外 试 验 数 据
和案例分析了空间环境引起的航天器故障,从数值仿真 软 件、地 面 模 拟 技 术、强 场 诱 发 放 电 以 及 防 护 技 术 等 方
面介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进 展,对 我 国 目 前 研 究 差 距 和 未 来 研 究 方 向 进 行 了 展 望。 研
究表明:我国航天器充放电效应防护技术研究取得了进步,下一步重点针对空间站、深空探测、探月工程等 新 任
务,进一步拓展空间环境作用下航天器充放电效应机理和防护新技术研究,为提升我国航天器的安全性和可 靠
性提供技术支撑。
关键词: 航天器; 充放电; 空间环境; 防护技术; 诱发放电
中图分类号: V11; O441
文献标志码: A
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i:
10.
11884/HPLPB201931.
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20 世纪 60 年代以来,全世界有约 4200 次发射,共将约 6000 个航天器送入了空间,促进人类社会发生 了
巨大的变化。迄今,全世界大约有 53 个国家和地区,都在利用空间进行科学研究、军事活动、商业活动、资源开
发和环境监测等,在空间寻求政治、经济、军事利益等。近来,全球平均每年 发 射 约 120 个 各 类 航 天 器,总 投 入
经费约 345 亿美元,如 1998 年全球就有 32 个国家和地区投入经费共约 342 亿美元。可见,航天器的发展及应
用已经越来越受到各个国家的重视 [1]。同时,航天器的发展及其在军事上的应用,已经对现代战争产生了深远
的影响。美 国 在 海 湾 战 争 中 动 用70余 颗 卫 星 ,在 科 索 沃 战 争 和 阿 富 汗 战 争 中 动 用50多 颗 卫 星 ,为 空 中 、海 上
* 收稿日期:
2019
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30;
修订日期:
2019
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基金项目:装备预研重点基金项目(
61402090201);国家自然科学基金项目(
51777213)
作者简介:胡小锋(
1977—),男,博士,副教授,主要从事静电与电磁测试技术研究;snowf
ox2270@163.
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和地面武器装备及作战人员提供全方位的信息支援和保障 [2];我国航天事业发展 迅 猛,“神 舟”载 人 航 天 计 划、
探月工程、多用途卫星、大运及特种飞机等空间应用技术不断提升。但是,国内外航 天 器 在 发 射 和 轨 道 运 行 过
程中因静电导致的多起软、硬故障,严重影响了航天器的正常工作,空间静电效应已经 成 为 航 天 器 面 临 的 主 要
电磁环境威胁。本文阐述了航天器在轨运行面临的空间静电效应故障和原因,分析了 航 天 器 带 电 效 应 和 防 护
研究的重要性和紧迫性,介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进展,并对我国目前研究差距和未来研
究方向进行了展望。
1 空间环境对航天器的影响
20 世纪 60 年代初,随着地球同步轨道航 天 器 的 运 行,国 内 外 航 天 器 发 生 了 多 起 在 轨 异 常 和 故 障,严 重 干
扰了航天器的正常工作。
美国国家地球物理数据中心统计了 1971 年至 1986 年间 39 颗地球同步或准静止轨道卫星的在轨异常,表
明由于受空间环境影响而造成故障的占到了总数的 70% [3]。美国空间环境中心对从 1965 年起的 300 多个卫
星异常或故障进行分析与评价,指出其中三分之一左右是由变化的空间环 境 造 成 的 [4]。对 我 国 早 期 6 颗 地 球
同步轨道卫星的故障原因进行统计,结果表明由空间环境引起的故障占总故障数的 40% [5]。通过对国内外航
天器的在轨异常与故障进行分析表明,在所有卫星在轨故障的主要原因中,空间环境 位 于 首 位,是 最 主 要 的 因
素之一 [6]。
如图 1 所示,静电放 电(
ESD)是 空 间 电 磁 环 境 效 应 的 重 要
组成部分,静电放电可 能 对 航 天 器 中 的 电 子 设 备、火 工 品、计 算
机控制系统、电源系统及航天器的结构/材料造成影响。电弧放
电和高压放电可以直接导致各种控制系统、电子设备、电源系统
的故障,甚至是仪器、结构/材料的破坏;静电放电引起的电磁辐
射也可能对航天器上各类设备及系统的正常工作造成干扰。
表 1 中列举了多个国家和地区的航天器由于静电放电而出
现的故障情况,可以看出,空间静电放电对航天器的威胁由来已
久,并普遍存在于各类航天器之中 [7]。
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图 1 空间环境下航天器表面放电现象
表 1 静电放电使卫星发生故障统计表
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胡小锋等:航天器空间静电效应研究进展
我国也多次发生静电放电导致的航天器在轨异常事件,如中欧合作探测双星、尼 日 利 亚 通 信 卫 星 故 障 等。
我国“雷电”、“尖兵”系列侦查卫星每年都要因静电带电引起数十起逻辑翻转、伪指令、误动作等软故障,甚至出
现 T/R 组件被静电放电损毁的情况,这些都严重影响了航 天 器 的 正 常 工 作。出 现 软 故 障 时,需 要 在 合 适 的 时
机重新注入指令才能恢复正常工作,导致侦查功能长时间中断,战时可能贻误战机;
T/R 组件因静电放电损毁
将使卫星的部分功能丧失甚至使卫星全部功能失效,造成极大的军事、经济损失。
2 航天器表面充放电研究进展
航天器带电研究著名专家,美国喷气推进实验室的 H.B.Ga
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t教授认为航天器带电的定义为:电荷在
航天器表面或内部的积累 [8],对航天器表面带电问题大致可以分为五个阶段,如表 2 所示 [9]。
表 2 航天器表面带电研究历程
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近年来,国际上对航天器静电带电和放电研究越来越重视,专门召开了十届相关 研 究 国 际 学 术 会 议,围 绕
航天器与空间环境的相互作用、航天器在轨静电带电搭载试验、航天器静电带电的计 算 机 仿 真 软 件 开 发、太 阳
电池阵静电放电试验方法、航天介质材料内带电效应、空间环境材料静电特性和电参 数、空 间 环 境 试 验 模 拟 方
法等方面开展研究交流 [10]。
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y)、俄罗斯等国家和部门都开展了试验材料空间在轨暴露试验,获得了在轨试验数据,建立了相关方面的数据
库,为航天器表面带电问题的研究奠定了坚实基础 [11]。
2.
1 表面带电仿真软件研究进展
自从发现航天器表面带电引起故障以后,航天器表面带电分析技术就一直是国际宇 航 界 研 究 的 一 个 重 要
内容,在其预测分析、材料选取、带电引起的放电损伤、评价及其防护技术方面进行 了 大 量 的 研 究,并 初 步 研 发
了一些用于航天器表面带电分析的软件。
由于经费和地面模拟试验技术条件的制约,在地面实现航天器表面带电试验是较为困难的。因此,利用航
天器带电分析软件进行计算机仿真计算成为国际上航天器表面带电分析的一个重要手 段,这 也 促 使 航 天 器 带
103202
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强
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电分析软件在八九十年代成为一个热门课题。美国、欧空局及日本等均已研发了大型 的 航 天 器 表 面 带 电 分 析
软件,包 括 NASCAP(NASA Cha
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算模拟,这些软件作为航天工程必备的装备配置,还被应用于相关的航空领域 [12]。
70 年代,由于航天器表面带电引 发 故 障 的 发 现,美 国 NASA 出 资,由 系 统 软 件 公 司 研 发 地 球 同 步 轨 道 大
型带电分析软件 NASCAP/OEO,到了 80 年代中期该软件已经成熟并实现商业化,
80 年代由于低极轨卫星又
观测到了高电位充电现象,
NASA 又出资研发了适用于低轨道的大型充电软件 NASCAP/LEO 以及低高度极
轨卫星大型充电软件 POLAR[13]。在 2000 年左右,
NASA 又推出了 后 续 版 本 NASCAP
2K,提 供 了 更 为 友 好
[ ]
的可视化人机交互界面,改进了部分算法,应用了新的数值模拟技术 BEM(
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由于受到出口管制,后续版本 NASCAP
2K 软件没有商业版本,不能在美国以外的地方出现,所以在 2002
[ ]
年,欧空局开始研发自己的下一代航天器表面带电分析软件 SPI
S,其目的是要开发一个开源软件 15 。
受表面充电引起弧光放电导致 ADEOS
I
I卫星电力系统失效事件的影响,日 本 宇 航 局 联 合 九 州 工 业 大 学
共同开发了自己的表面带电分析软件 MUSCAT,用来研究各种轨道条件(包括 LEO,
OEO 和 PEO)下的航天
[
16]
器充电状态 。
这些软件发展较完善,能处理三维的大型结构航天器,模拟的空间环境几乎包括了所有常见航天器经历的
环境条件,软件本身带了十几种常见的航天器表面材料的属性库。充电软件除了计算航天器的表面电位外,还
能计算大型航天器的尾流结构,太阳电池阵的电能泄露问题,航天器的浮动电位等。充电软件还可做到综合考
虑空间磁场、光照等因素的影响,进行控制航天器充电的模拟研究,等离子体鞘层和尾流的模拟研究,航天器故
障分析判断等 [17]。
“十五”期间,我国开展了航天器表 面 带 电 的 分 析 研 究 工 作,并 开 展 了 航 天 器 表 面 带 电 分 析 软 件 的 开 发 工
作,“十一五”期间又继续深入开展了航天器表面带电效应计算机仿真研究,在研究和总结航天器表面充放电特
性参数及规律的基础上,获得了航天器表面带电计算分析的仿真方法,并编制了相应的计算机仿真软件 [18]。
2.
2 航天器表面带电地面模拟试验研究进展
国外对航天器表面带电试验非常重视,美、法、德、日本等国总共建立了数十台航天器表面带电地面模拟试
验设备,一些主要设备的基本情况如表 3 所示 [19]。
表 3 国外航天器表面带电地面模拟试验设备基本情况
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(续表 3)
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通过调研可知,国外航天器表面带电地面模拟试验设备通常采用一把或多把单能电子枪,能量一般在 0~
30keV 可调,辐照面束流密度一般在 nA/cm2 量级,每把电子枪辐照面直径均不超过 1m2 ,对于更大尺寸试件
则采用金属箔散射法或多把电子枪叠加辐照的方法实现试验要求 [20]。
我国 20 世纪 80 年代初期开始了对表面带电地面模拟试验系统的研究及构建,目 前 国 内 航 天 器 表 面 带 电
地面模拟试验设备基本情况如 4 所示 [21]。
表 4 国内航天器表面带电地面模拟试验设备基本情况
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我国在“十五”和“十一五”期间,都支持了一些航天器表面带电地面模拟试验的新技 术、新 方 法 的 研 究,国
内一些相关研究单位通过自主设计研制或从国外引进的方式,构建了航天器表面带电地面模拟试验设备,在航
天器表面带电机理研究,带电规律及航天器表面带电防护技术等方面开展了相关研究和试验工作 [22]。
2.
3 航天器强场诱发放电研究进展
20 世纪 70 年代,国内外就已经开展航天器诱发静电放电相关研究,但诱发物理机制尚未完全清楚,且复
杂的空间电磁环境可能导致航天器表面静电放电。研究人员对空间航天器表面静电 放 电 情 况 进 行 统 计,发 现
很多放电是在充电环境并不严重的情况下发生的。 美 国 国 家 地 球 物 理 数 据 中 心(
NGDC)统 计 的 1000 多 起 航
天器充放电事件中,有近百起充放电事件与 空 间 等 离 子 体 环 境 扰 动 无 关 [23];对 我 国 在 轨 运 行 航 天 器 的 173 起
静电放电事件分析时,发现有 29 起不清楚放电的原因 [24]。
从目前国内外文献来看,诱发静电放电主要包括真空及高温下材料出气造成的低气压放电、空间碎片超高
速撞击诱发放电、强电磁场诱发静电放电等 [25]。
航天器内部布置了电缆等大量放气材料,如果透气性不好,在真空和高温环境下 材 料 出 气,会 形 成 局 部 低
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气压环境 [26]。在强电磁场和高压器件附近可能产生低气压放电。我国某军用卫星在地面热真空试验时,内部
电缆出气造成低气压放电。这种现象常常会发生在航天器入轨早期,其后果很严重。
微流星体和空间碎片超高速撞击会造成材料相变,发生熔化、汽化、电离,产生等离子体放电 [27]。近年来,
ESA(欧空局)的 Ol
NASA 的 Lands
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t5 卫星和 JASON1 卫 星、日 本 的 ADEOS2 卫 星 和 ALOS
ympus卫星,
卫星为代表的多颗卫星发生严重故障甚至失效,被认为极有可能是碎片撞击诱发放电引起的,使得日美欧等国
开始相关研究 [28]。日本研究者利用轻气炮开展了毫米级碎片撞击诱发放电的实验,证实了撞击诱发放电机理
的存在。德国马克思普朗克研究所用速度 7km/s、直径为 1.
5~4 mm 的弹丸撞击航天器,在撞击点附近布置
数据线、信号线、电源 线 及 微 电 子 电 路,观 测 到 撞 击 产 生 的 电 磁 干 扰 诱 导 了 噪 声、逻 辑 错 误、控 制 错 误 等 异
常 [29]。
由于空间电磁辐射环境时刻存在,强电磁场很可能成为航天器表面放电的诱因。国 内 外 多 家 科 研 机 构 在
研究微波脉冲等离子体时,发现利用电磁 脉 冲 激 励 低 气 压 气 体,可 产 生 稠 密 等 离 子 体 [30]。 等 离 子 体 特 性 的 变
化会对低充电区域静电放电过程造 成 影 响。 Ma
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t等 对 于 在 高 重 复 频 率 纳 秒 高 功 率 微 波 脉 冲 作 用 下 空 气
的放电特性进行了实验研究,证实了受入射场的影响等离子体电子温度明显升高,从 而 非 线 性 效 应 变 得 显 著。
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a等对于高功率微波脉冲导致的 N2 等离 子 体 参 数 变 化 进 行 了 系 统 研 究。 首 先 通 过 求 解 玻 尔 兹 曼
方程得到了 N2 等离子体电离率、复合率、迁移率等随入射场强的变化;然后通过数值模拟的方法得到了等离子
体电子密度随入射场强的变化,并分析了由此导致的微波脉冲传输特性的变化;最后通过实验研究了微波放电
中密度的时间变化特征。L
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u 等 理 论 分 析 了 利 用 高 功 率 微 波 击 穿 空 气 的 阈 值,同 时 进 行 了 初 步 的 实 验 研 究。
等人基于流体动力学模型,
建立了 弱 直 流 电 场 耦 合 下 微 波 放 电 连 续 方 程,给 出 了 微 波 放 电 阈 值 判 别 式,
Dav
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模型中考虑弱直流电场对迁移率的影响,忽略了电离系数的变化 [31]。2013 年,国内袁忠才、时家明等开展了高
功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究,结果表明高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效
应明显,发生击穿使得等离子体电子密 度 增 大,从 而 导 致 微 波 的 反 射 增 强,透 过 率 降 低。2014 年,国 内 董 志 伟
等模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程,给 出 了 在 击 穿 建 立 过
程中,电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。
在强电磁场诱发静电放电的研究方面,国内曹鹤飞、刘浩等人初步开展了静电放电电磁脉冲诱发真空电晕
放电试验研究,获得了不同气压下电磁脉冲辐照诱发电晕放电的阈值电压、电流波形、放 电 区 域 辐 射 场 等 特 证
参数,试验结果表明:保持温度、湿度等环境因素基本不变,在外加静电放电脉冲场 作 用 下,电 晕 放 电 的 电 压 阈
值比无外加脉冲场下降低了 2/3 左右。图 2 为静电放电电磁脉冲辐射诱发放电信号。图 3 为静电辐射电场对
放电阈值的影响曲线。放电电极结构采用针板电极。
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图 2 ESD 电磁脉冲环境下诱发静电放电波形
图 3 辐射电场对放电阈值的影响
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3 航天器表面带电防护研究进展
航天器表面和内部的充电问题 应 该 在 航 天 器 设 计 的 最 初 阶 段 就 充 分 考 虑。NASA 的 几 个 报 告 提 供 了 设
计指南 [23],也可在欧洲联合 航 天 器 标 准(
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标准。防止电弧发生的主要手段是接地,同时,航天器的绝缘体和传导路径都需要 精 心 地 设 计,以 实 现 最 小 的
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6
胡小锋等:航天器空间静电效应研究进展
[ ]
内部充电 [32]。NASA TP
236128 中包括了以下内容:
接地:航天器上所有的传导元件,无论是在航天器表面还是内部,都必须与航天器的结构地保持电气连接,
可以直接连接,也可以通过放电电阻连接;
表面材料:为控制航天器不等量充电的程度,航天器所有的表面材料必须满足至少部分导电的要求;
屏蔽:主要航天器结构、电子组件外壳和电缆屏蔽层的电设备和电缆均要提供在物理上和电气上连续的屏
蔽面(法拉第屏蔽);
过滤:应用电子过滤器防止电路在放电时产生故障;
程序:需制定正确的处理、集成、检查和测试程序,空间接地系统的电连续性;
阻抗:暴露的导电材料必须使用尽可能小的电阻与结构接地。
在新型航天器表面防静电薄膜材料的研制方面,日本、俄罗斯、美国等国家开展了大量的研究工作,通过对
材料进行改性处理、往材料里添加半导体氧化物等方法研制出一些新型的、性能优异 的 防 静 电 涂 料,用 以 涂 敷
与航天器外表面上来缓解航天器表面材料的表面带电,取得了一定的效果 [24]。
我国航天器表面带电地面防护技术研究方面已开展了 40 余年的工作,这方面的 研 究 单 位 在 逐 渐 增 多,也
取得了一批研究成果:在空间静电防护方面,兰州物理研究所长期以来坚持从事航天 器 空 间 材 料 环 境 效 应,航
天器带电技术和空间等离子体环境效应等方面的研究,已建造了较为完善的用于空间材 料 表 面 充 放 电 特 性 试
验评价的设备,并逐步形成了一套有效试验方法,近年来,已完成了我国多个航天器型 号 的 表 面 材 料 充 放 电 特
性试验评价工作。此外,该研究所在卫星天线抗静电技术,卫星柔性热控薄膜研究 方 面 取 得 了 一 定 的 进 展;北
京卫星环境工程研究所从事航天器空间环境模拟与效应研究,对缓解航天器带电方法进行了综合研究,并设计
出针对带电粒子的主动防护方法;中国科学院空间科学与应用研究中心对空间环境的探测进行了研究,并研究
了空间环境对航天器的影响及其对策,提出了航天器太阳电池阵静电放电实时在轨监测方法;中国电子科技集
团公司第十八研究所针对高压大功率卫星太阳电池阵的防高压静电放电问题进行了大量研究工作并设计了保
护措施,通过试验验证其对于防护太阳电池电路持续放电有良好效果;武汉大学的电子信息学院相关研究单位
在航天器充电的数值模拟方面进行了研究,为空间环境的理论建模及精确分析表面 带 电 打 下 主 要 基 础。西 安
交通大学国家重点实验室在航天器介质内电场形成机理与防护方法方面也开展了研究并取得了一定的研究成
果。
4 我国未来的研究展望
在仿真软件研究方面,目前我国开发的航天器表面带电分析软件已被应用到地球同 步 轨 道 航 天 器 表 面 带
电的分析研究领域,开始发挥出一定的作用 [1]。同时,由于航天器结构的复 杂 性、应 用 材 料 种 类 的 多 样 性 以 及
材料相关参数数据的不完整等这些客观条件的存在,目前已开发的软件还有待于进一步完善 [1]。
在地面试验模拟技术方面,近年来我国开展航天器表面带电相关问题研究的单位有所增加,用于航天器表
面带电地面模拟试验的设备也增加了不少 [24],但 是 应 该 看 到,国 内 的 研 究 发 展 现 状 与 国 外 相 比 仍 有 较 大 的 差
[ ]
距:(
1)国外具备大型的地面模拟试验设备;(
2)国 外 如 美 国 有 专 门 的 地 磁 亚 暴 环 境 试 验 卫 星 33 ;(
3)国 外 有 大
[
28]
量的实验室基础研究数据,这是长期科研高投入 的 结 果,而 我 们 这 方 面 试 验 数 据 太 少 ;(
4)美 国 等 国 家 发 射
了大量的地球同步轨道卫星,有丰富的在轨运行经验。
在防护技术研究方面,由于起步较晚且投入不够,我国在航天器表面带电仿真和防护技术方面的研究工作
还存在很多不足:航天器空间环境效应的相关研究水平远远不能满足航天器表面带电防护技术发展的需要,许
多研究项目暂时还停留在理论研究水平,离工程化应用还有一定距离;目前许多重要型号在轨航天器的故障定
位及设计改进也急需航天器表面带电机理与风险评价方面的研究作基础 [2]。
未来我国应当加强航天器表面带电相关问题的基础性研究工作,如航天材料相关特性参数数据库的建立、
航天器材料空间环境带电效应研究、强场诱发静电放电机理和防护方法研究、高指标航天器表面带电地面模拟
试验设备的研制以及航天器表面带电分析软件的开发等,同时将重点发展长寿命应用航天器、载人航天和深空
探测,这样就对航天器表面带电防护技术的发展提出了非常迫切的需求 [8]。
5 结
论
本文首先从空间环境对航天器的影响出发,阐述了航天器在轨运行面临的空间静电效应故障和原因,基于
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国内外试验数据和案例分析了航天器带电效应和防护研究的重要性和紧迫性。然后 从 数 值 仿 真 软 件、地 面 模
拟技术、强场诱发放电以及防护技术等方面介绍了空间环境作用下航天器充放电效应研究进展,最后对我国目
前研究差距和未来研究方向进行了展望。研究表明:我国在航天器充放电效应和安全 性 研 究 方 面 取 得 了 一 些
进展,但也存在一些不足,下一步需重点研究和突破。在仿真软件研究方面,应从航天器结构的复杂性、应用材
料种类的多样性以及材料相关参数进行完善;在地面试验模拟技术方面,应重点研制高指标航天器表面带电地
面模拟试验设备,开展相关地面验证试验;在防护技术研究方面,应拓展静电危害机理分析和防护新方法研究,
为提升我国航天器静电安全性和可靠性提供技术支撑。
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