[科普中國]-航天器內部充電

航天器內部充電又稱深層充電、體內充電或浸入充電。由于大量具有足夠能量的帶電粒子透過航天器表面進入內部，在電介質中積累而形成層間電荷結構的過程。它是由空間環(huán)境中幾百千電子伏特以上的高能電子輻引起的一種航天器效應。航天器內部充電一般是一個緩慢的積累過程。

簡介航天器內部充電又稱深層充電、體內充電或浸入充電。由于大量具有足夠能量的帶電粒子透過航天器表面進入內部，在電介質中積累而形成層間電荷結構的過程。它是由空間環(huán)境中幾百千電子伏特以上的高能電子輻引起的一種航天器效應。航天器內部充電一般是一個緩慢的積累過程。電荷積累速率主要與介質電導率、單位時間人射粒子通量以及電場強度有關。如果大量帶電粒子在介質內部沉積，則可形成強大的靜電場，一旦電場強度超過介質的擊穿值就會引發(fā)擊穿放電，產(chǎn)生電磁脈沖，對航天器構成威脅，甚至造成航天器失效1。

對航天器充電現(xiàn)象主動控制裝置的一般要求所謂主動控制，就是航天器通過發(fā)射人造帶電粒子的方法對空間帶電粒子環(huán)境作出主動響應， 以期對航天器表面入射和出射的帶電粒子間的平衡進行自動調節(jié)，使航天器與空間等離子體等電位。

一個理想的主動控制裝置必須具備:

1)有感測與空間等離子體間電位差的能力；

2)有鉗制航天器電位使之接近于零或是不超過設定值的能力；

3)它運轉時對航天器上的各種控制和觀測裝置的影響不超過允許值；

4)不會對航天器的“飛行動力學系統(tǒng)產(chǎn)生超過允許值的干擾；

5)它還必須在重量、能源消耗及運轉可靠性方面有良好的性能。

航天器充電現(xiàn)象的主動控制裝置眾所周知，位在等離子體環(huán)境中的物體，由于等離子體與物體表面間的相互作用，表面將達到它的平衡電位。此平衡電位的高低與物體的結構，與表面材料的性質以及空間帶電粒子環(huán)境的參數(shù)有關。當航天器位在光照區(qū)且磁層處于寧靜期時，由于航天器表面的光電發(fā)射電流略大于入射的環(huán)境電子流，航天器表面處于輕微的正電位。當航天器位于光照區(qū)而遇到磁層亞暴時，由于環(huán)境高能電子的注入，航天器表面被充電到相當?shù)呢撾娢?，最為嚴重的是當航天器處在星食期而又值發(fā)生磁層亞暴時，航天器表面會達到上萬伏的負電位。由此，航天器充電現(xiàn)象的主動控制是要解央表面很高的負電位以及嚴重的不等量帶電問題。適于此種應用的裝置，主要有電子釋放裝置及等離子體電荷中和和釋放裝置。

無偏置電位的低能電子釋放裝置的空間試驗已經(jīng)證明，此類裝置有較大的局限性。由于航天器表面不等量帶電在航天器周圍空間形成了靜電阻擋層，該裝置釋放的低能電子如不能超越靜電阻擋層便返回航天器表面而失去控制表面充電的能力。通常這類裝置釋放的電子僅具有幾個ev的能量，因此，它只在表面充電不嚴重時有較明顯的控制作用，而在表面充電到較高的負值時該裝置釋放電子的能力便受到抑制，或說不能使航天器表面電荷充分釋放。提高此類裝置性能的方法是采用自動電位偏置。與電子釋放裝置相比，等離子體裝置在控制航天器充電方面具有更為優(yōu)越的性能，它兼有電荷中和以及釋放電子電荷的能力。而且環(huán)繞航天器的等離子體云本身亦具有相當?shù)碾妼?，它可使航天器表面的不等量充電變得平緩，從而有利于航天器電位的進一步下降2。

內部充放電的一般特征內部充電誘發(fā)的異常與高能電子通量水平相關聯(lián)、高能電子主要分布在外輻射帶區(qū)域，對于外輻射帶兩個航天器密集分布的區(qū)域MEO和GEO。因為包含了外輻射帶中高能電子的峰值區(qū)域(3- 5Re)，前者面臨的內部充電危險性更高。

內部充電異常通常是在高能電子增強條件下發(fā)生的，典型的高能電子增強事件通常由大的地磁暴觸發(fā)的，電子通量水平比平時高出1-2個量級甚至更高，又稱高能電子暴，長期觀測顯示，高能電子增強事件與太陽活動周期大致呈反相位關系。因此，在太陽活動低年恰恰是內部充電及放電的危險期和相關異常的高發(fā)期。

內部充電是個累積過程，充電達到平衡的時間主要取決于高能電子通量水平及介質的電導率；而放電是個瞬發(fā)過程，除取決于充電水平的高低外，還取決于外界觸發(fā)條件。內部充電過程包括充電和電荷泄露兩個過程，電子通量決定著充電時間的長短，而介質電導率決定著電荷泄漏的快慢。在空間輻照環(huán)境下，介質的電導率除固有電導率外又增加了隨輻射環(huán)境改變的輻射誘發(fā)電導率。根據(jù)CRESS衛(wèi)星的試驗結果，在材料經(jīng)過數(shù)月的充分輻照后開始觀測到放電脈沖，另外，不同材料在輻照環(huán)境下放電特性大不相同，例如FR4(電路板材料)在經(jīng)過充分的輻照后放電脈沖頻次增加，意味著其輻射誘發(fā)電導率可能隨著輻照劑量的增加而減小，所以存儲電荷的能力增強，從而可以充到較高電位而產(chǎn)生放電；而聚四氟乙烯(PTFE)的放電特征則相反，在衛(wèi)星發(fā)射后很快就觀測到放電脈沖，但隨后卻很少出現(xiàn)。一個可能的解釋是材料在經(jīng)過充分的真空暴露后電導率降低，對于FR4材料，輻射誘發(fā)電導率的增加小于充分放氣后其固有電導率的減小量，總的電導率降低，使之容易充到高電位而發(fā)生放電;而PTFE材料的固有電導率減小量大于輻射誘發(fā)電導率的增量，總電導率增加，因而不容易發(fā)生放電。

介質材料的放電十分復雜，當充電產(chǎn)生的電場超過材料的耐受閾值時發(fā)生自然擊穿放電，通常認為充電達到10?V/m很容易發(fā)生放電，具體放電閾值因材料不同而有所變化。充電導致的自然擊穿放電外，一些外部的環(huán)境擾動也可能導致放電提前發(fā)生，空間碎片撞擊、材料出氣等因素都可能成為誘發(fā)因素C0.11 ，這使得對衛(wèi)星內部放電誘發(fā)異常的分析和診斷更加困難、實驗已經(jīng)證實，空間碎片撞擊高充電部位可以誘發(fā)放電，碎片的超高速撞擊會拋射等離子云團，在已經(jīng)形成高電位差或電場的部位建立放電通道，從而引發(fā)高充電部位提前發(fā)生放電。對介質材料內部放電的觸發(fā)機理尚待深入研究，這可以為ESD異常診斷提供新的線索3。

本詞條內容貢獻者為:

任毅如 - 副教授 - 湖南大學