空間等離子體環(huán)境效應(yīng)

等離子體環(huán)境與航天器帶電

一、等離子體概述

1、等離子體的定義等離子體是由帶電粒子組成（也可包括部分中性粒子），在電磁力作用下表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性物質(zhì)，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。按聚集態(tài)形式劃分，物質(zhì)有四種形態(tài)：固態(tài)：粒子間的結(jié)合最緊密，粒子被結(jié)合力（離子鍵、共價鍵、分子鍵、金屬鍵）規(guī)則地聚集在一起，形成空間點(diǎn)陣。粒子被束縛在固定位置，不能隨便移動。液態(tài)：物質(zhì)從外界獲得的能量超過固態(tài)物質(zhì)空間點(diǎn)陣的結(jié)合能，空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)被破壞，粒子僅在很小范圍內(nèi)、短暫時間中排列保持一定規(guī)則性，叫做近程有序，粒子具有流動性。氣態(tài)：物質(zhì)從外界獲得的能量超過液態(tài)物質(zhì)粒子的結(jié)合能，粒子的結(jié)合鍵被破壞，粒子處于無序、各向同性的特點(diǎn)。等離子體態(tài)：物質(zhì)從外界獲得的能量超過氣態(tài)物質(zhì)粒子的電離能，部分電子脫離帶正電離子的束縛，即原子或分子發(fā)生電離。2、等離子體的特點(diǎn)氣體電離態(tài)粒子比例需要大于千分之一以上直到完全電離；電離氣體的電子和離子正負(fù)電荷數(shù)量相等，對外宏觀上呈電中性；電離氣體介質(zhì)會受到外加電磁場的支配和約束，在電磁場作用下會出現(xiàn)復(fù)雜的電導(dǎo)率或介電常數(shù)等。不是由電子或離子單獨(dú)存在時所具有的特性的簡單迭加，表現(xiàn)出由“電子氣”和“離子氣”混合、共同存在時所表現(xiàn)出的一種“集體”特性；由此可知，不是任何電離氣體都能被稱為等離子體。3、等離子體的主要參數(shù)與特性（1）等離子體密度

單位體積中的粒子數(shù)。（2）等離子體溫度由分子運(yùn)動論可知，處于熱平衡的氣體，其粒子的速度分布為麥克斯威分布。

（3）德拜半徑等離子體是有足夠多的電荷數(shù)目且電子、離子數(shù)目基本相等的集合體，在宏觀上保持電中性。每個帶電粒子周圍都存在庫侖電場，該電場被周圍粒子的電場完全屏蔽，這種屏蔽被稱作德拜屏蔽，被屏蔽粒子場所占的空間尺度叫德拜半徑

D，以

D為半徑的球空間叫做德拜球。在r

D的德拜球內(nèi)，庫侖力起主要作用，電中性概念無效，出現(xiàn)電中性偏離。在德拜球外，庫侖力迅速消失，德拜勢起主要作用，呈現(xiàn)電中性。（4）等離子體頻率德拜半徑描述了等離子體保持電中性的空間尺度，振蕩頻率則描述了等離子體保持電中性的時間尺度。它表征了等離子體內(nèi)產(chǎn)生不均勻電荷起伏，自身恢復(fù)電中性的能力?；謴?fù)電中性的作用驅(qū)使電荷做集體運(yùn)動，這種運(yùn)動在耗散不大或無耗散時，一般在平衡位置處停不下來，造成在平衡位置處的等離子體振蕩。其物理意義是：在一個振蕩周期內(nèi)看，等離子體出現(xiàn)電中性偏移，在超過振蕩周期的一段時間內(nèi)的宏觀效果看，等離子體呈現(xiàn)電中性。

（5）特征長度L在特征長度的線度范圍內(nèi)，等離子體的物理參數(shù)沒有大的變化，只有緩慢變化。（7）雙極擴(kuò)散當(dāng)?shù)入x子體密度不均勻時，等離子體的粒子會在濃度梯度作用下發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。因?yàn)閙e

mi

，電子擴(kuò)散速度比離子擴(kuò)散速度要快。當(dāng)電子和離子因擴(kuò)散速度不同而分開時，就破壞了電中性條件，必然會等效建立一個空間電場E，這個電場會阻止電子擴(kuò)散而加速離子擴(kuò)散，達(dá)到穩(wěn)定就使電子和離子一起擴(kuò)散，這就是雙極擴(kuò)散。這種共同擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)稱為雙極擴(kuò)散系數(shù)。雙極擴(kuò)散現(xiàn)象就是等離子體“集體”特性的具體表現(xiàn)。雙極擴(kuò)散原理在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)運(yùn)，例如利用雙極擴(kuò)散產(chǎn)生稀薄的等離子體。二、空間等離子體環(huán)境

1、

空間等離子體的形成太陽和恒星都是熱的幾乎全部是電離的，星際空間由于恒星輻射的作用，也是電離的，地球上空從60km開始，殘余大氣也開始電離，這就意味著宇宙空間充滿了等離子體。在太陽系，空間等離子體的形成主要來源于太陽。太陽是影響日地空間的電磁輻射和粒子輻射的來源。太陽的活動性改變了太陽的輻射和粒子輸出，造成日地空間等離子體環(huán)境的相應(yīng)變化。

太陽內(nèi)部分日核、輻射區(qū)、界面層、對流區(qū)4部分，太陽的能量在太陽的日核中產(chǎn)生。在日核中，溫度高達(dá)1.56

107K,密度高達(dá)151g/cm3,因而發(fā)生H聚變?yōu)镠e的核聚變反應(yīng)。生成物比反應(yīng)物的質(zhì)量

小3%，根據(jù)愛因斯坦方程E=mc2,這個質(zhì)量差值轉(zhuǎn)化為能量。產(chǎn)生的能量被帶到太陽表面，在那里以光和熱的形式，連同日冕物質(zhì)拋射的高速粒子和太陽風(fēng)粒子一同釋放出來。太陽大氣由光球?qū)?、色球?qū)?、過渡區(qū)、日冕4部分組成。日冕是太陽最外層大氣，它由溫度為108K的稀薄等離子體組成。日冕輻射覆蓋了從X射線到無線電波的整個電磁波頻段，在真空紫外和X光波段，日冕輻射要強(qiáng)于光球和色球，成為主要發(fā)射源。由此可知，日地空間等離子體產(chǎn)生來源于太陽輻射，太陽輻射主要包括電磁輻射和粒子輻射。太陽輻射與地球磁場、地球高層殘余大氣相互作用，產(chǎn)生了復(fù)雜多變的日地空間等離子體環(huán)境。

2、

空間等離子體的結(jié)構(gòu)日地空間等離子體主要由太陽風(fēng)等離子體、磁層等離子體、電離層等離子體三部分組成。本章主要講磁層等離子體、電離層等離子體。2.2磁層等離子體：一般認(rèn)為在距地球表面1000km以上到磁層邊界，殘余大氣基本是完全電離的，帶電粒子運(yùn)動基本上受地磁場控制，因此稱為磁層。磁層是地球控制的最外層區(qū)域，它直接與太陽風(fēng)、行星際磁場接觸。磁層邊界是太陽風(fēng)與地磁場相互作用形成的。當(dāng)太陽風(fēng)與地磁場相遇時，由于太陽風(fēng)電導(dǎo)率很高，不能穿透地磁場，從地磁場邊界周圍掃過，使地球外層空間的磁場受太陽風(fēng)的壓縮而變形。地磁場與太陽風(fēng)之間的邊界形式由兩者間的壓力平衡決定。

地球白天一側(cè)（向陽面），邊界層通常位于距地球中心6.4

104km的地方，這一距離隨太陽風(fēng)壓力的變化而變化。當(dāng)太陽風(fēng)壓力增大時，白天一側(cè)的磁層頂會被太陽風(fēng)壓縮到離地球更近的地方。在地球的夜晚一側(cè)（背陽面），太陽風(fēng)拉伸地球的磁場，使磁層形成一個很長的柱形拖尾叫做磁尾。磁尾圓柱的半徑約20倍地球半徑，磁尾可延伸到太陽風(fēng)下游106km的地方。由于地磁場對帶電粒子的捕獲，磁層內(nèi)部存在外輻射帶、內(nèi)輻射帶。內(nèi)輻射帶主要由質(zhì)子和電子組成，分布在赤道面上空600km

10000km高度范圍，最大密度區(qū)在3600km高度左右。

外輻射帶主要由電子組成，分布在赤道上空104km

6

104km高度范圍，最大密度區(qū)在2

104km

2.5

104km高度左右。在太陽活動期間，太陽風(fēng)和行星際磁場的擾動將會使磁層發(fā)生大的干擾，產(chǎn)生磁暴和磁層亞暴。在磁暴和磁層亞暴期間，被加速的高能帶電粒子會在磁尾電場的作用下，從磁尾注入到磁層深部，被地磁場俘獲。這時，磁層等離子體的粒子能量和密度都會大大提高。正是這些高能粒子使磁層中的航天器充電到很高電位。在磁層頂有兩個中性點(diǎn)，磁力線從這些點(diǎn)連接到地球表面

78

附近。這兩點(diǎn)是唯一從磁層頂連接到地球表面的點(diǎn)，因此它們是人們最感興趣的區(qū)域。太陽風(fēng)粒子可以從這里沿磁力線進(jìn)入磁層，這兩點(diǎn)附近區(qū)域稱做極尖區(qū)。在磁暴和磁層亞暴期間，高能粒子沿磁力線沉降到南北兩極附近上空，產(chǎn)生極光。如果航天器通過這一區(qū)域，表面將會充到很高電位。

2.3電離層等離子體：處于60公里至幾千公里高度之間，也有文獻(xiàn)認(rèn)為沒有明顯的上部邊界。電離層等離子體主要是太陽輻照能量對高層殘余大氣光致電離的結(jié)果。太陽X光和紫外高能光子、宇宙線和沉降粒子作用于高層大氣，使之電離或解離而生成電子、離子和中性粒子，構(gòu)成能量很低的準(zhǔn)中性等離子體區(qū)域，粒子溫度一般在180K

3000K。電離層等離子體也受太陽活動影響很大。發(fā)生太陽耀斑時，日冕輻射出大量X射線、紫外線和高能粒子與高層殘余大氣發(fā)生相互作用，造成電離層電離度增加，電離層結(jié)構(gòu)破壞，使電離層呈混亂狀態(tài)，層次不清，造成短波通信受到嚴(yán)重破壞甚至中斷，這種現(xiàn)象叫做電離層暴。三、航天器帶電帶電是造成航天器在軌故障與失效的重要原因。NASA馬歇爾空間飛行中心對因空間環(huán)境造成的113起航天器在軌故障與異常的統(tǒng)計如表美國宇航公司空間科學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室J.F.Fennell等人的航天器在軌298起故障原因統(tǒng)計給出了更加嚴(yán)峻的帶電效應(yīng)的事實(shí)，帶電引起的航天器在軌故障超過總故障數(shù)的50%。具體統(tǒng)計見表1、表面帶電1.1表面帶電對航天器的影響表面帶電對航天器的影響問題發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。美國發(fā)現(xiàn)在地球同步軌道上的50多顆衛(wèi)星發(fā)生了許多不正?，F(xiàn)象，由于它們嚴(yán)重干擾了衛(wèi)星的正常工作，引起了設(shè)計部門的重視，組織了各方面的人員對四個系列共19顆衛(wèi)星所發(fā)生的事故進(jìn)行了系統(tǒng)分析。這些衛(wèi)星包括國防通信衛(wèi)星2（DSCS2）、國際通信衛(wèi)星3、4（Intersat3、4）和電信衛(wèi)星（Telsat）等，事故大約有以下幾種：電磁干擾、電源和敏感器件損壞以及表面材料性能退化。1.2表面帶電的基礎(chǔ)理論航天器帶電分絕對帶電和不等量帶電兩種類型。絕對帶電是指航天器結(jié)構(gòu)相對于周圍空間等離子體的電位，不等量帶電是指航天器不同表面之間的不等量電位變化。航天器充電的物理過程是電流平衡。航天器表面電位達(dá)到平衡后，航天器表面的電流和為零。平衡狀態(tài)下的航天器電位就是航天器與周圍等離子體的電位差。表達(dá)航天器充電的電流平衡方程為：IT=IE(V)-[II(V)+ISE(V)+ISI(V)+IB(V)+IP(V)+IL(V)]其中：IT（V）------航天器電位為V時，表面總電流，當(dāng)電位V平衡時為0；

IE(V)------航天器電位為V時,入射電子流；

II(V)------航天器電位為V時,入射離子流；

ISE(V)------航天器電位為V時,IE引起的二次電子流；

ISI(V)------航天器電位為V時,II引起的二次電子流；

IB(V)------航天器電位為V時,背散射電子流；

IP(V)------航天器電位為V時,光電子流；IL(V)------航天器電位為V時,相鄰表面間或表面下的泄漏電流。航天器充電的基本問題就是解上述方程，找到一個V，使得IT=0。1.3不等量帶電航天器不同表面間的電位差的形成稱之為不等量帶電，不等量帶電是造成航天器表面放電的主要原因。與表面帶電有關(guān)的電子穿透航天器表面的深度小于1

m，所以表面涂層在決定航天器充電電位時起著很大作用。表面達(dá)到電流平衡的時間很短，通常為毫秒量級。每個表面達(dá)到自身平衡電位的時間則長的多，是電流平衡時間的數(shù)千倍。航天器表面不等量帶電的原因是航天器表面由多種材料覆蓋，不同材料的二次電子發(fā)射系數(shù)和背散射系統(tǒng)不同，因此具有不同的平衡電位，相鄰表面間的電位差導(dǎo)致了航天器表面不等量帶電。航天器表面光照面和背陽面由于光電子發(fā)射也會造成不等量帶電。航天器的“地”電位與航天器表面的平均特性有關(guān)，每個表面對航天器“地”充電的電位不同，表面介質(zhì)材料電位與下面導(dǎo)體電位間的差別是不等量帶電的又一個來源。航天器表面充電電位由等離子體環(huán)境變化而決定。太陽活動平靜期內(nèi)，地球同步軌道的等離子體溫度

1eV，密度1cm-3

102cm-3,所以航天器只能帶幾伏的電位。太陽活動引起的磁暴及磁層亞暴期間，大量能量為1keV

50keV的高溫等離子體從磁尾注入,注入?yún)^(qū)域在磁尾子夜子午面附近很窄的區(qū)域內(nèi)。這些粒子可以進(jìn)入磁層很深的地方被地磁場捕獲。由于粒子的螺旋運(yùn)動及磁場的梯度作用，電子向東漂移，離子向西漂移，形成環(huán)電流。正是這些高能帶電粒子使航天器充電到高電位。由于電子質(zhì)量輕，運(yùn)動速度快。離子質(zhì)量比電子重的多，運(yùn)動速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于航天器的軌道速度，所以航天器大部分表面帶負(fù)電位。研究表明：日照區(qū)航天器表面的光電子流大于等離子體環(huán)境入射的電子流，所以航天器光照面僅能充電到很低的正電位或很低的負(fù)電位。只有航天器的陰影表面才能充電到很高的負(fù)電位。另外、不同材料、不同結(jié)構(gòu)的二次電子發(fā)射系數(shù)、背射電子系數(shù)、光電子發(fā)射系數(shù)、介電系數(shù)不同，在相同的環(huán)境條件下充電電位也不同。1.4表面放電表面帶電對航天器產(chǎn)生的主要效應(yīng)是帶電表面的快速放電，表面放電可以干擾或損壞微電子線路設(shè)備、電源系統(tǒng)或損害航天器表面，使航天器出現(xiàn)異常甚至工作中斷。飛弧放電是由于入射電子激勵解吸形成的中性氣體原子膜，在表面不等量帶電局部電應(yīng)力作用下?lián)舸┊a(chǎn)生的。飛弧放電經(jīng)常發(fā)生在不等量帶電相鄰介質(zhì)的邊緣、暴露于導(dǎo)體下方的介質(zhì)以及太陽陣電池蓋片與導(dǎo)體界面處。發(fā)生飛弧放電所需的典型電場強(qiáng)度為2

106V/m。介質(zhì)擊穿是表面放電的另一種形式。介質(zhì)擊穿的原因是：（1）表面充電電位產(chǎn)生的能量集中超過了組成介質(zhì)分子的結(jié)合能，造成分子鍵斷裂和材料損失。（2）電子發(fā)射增強(qiáng)的電場提供能產(chǎn)生級聯(lián)發(fā)射和加熱介質(zhì)材料使之氣化的電子。介質(zhì)擊穿通常發(fā)生在其缺陷處或薄弱處，例如通過介質(zhì)材料的針孔處擊穿。這些材料內(nèi)部缺陷表現(xiàn)在介質(zhì)表面下存在通道，擊穿放電時，通道貫穿表面并造成表面破壞。典型的介質(zhì)擊穿場強(qiáng)為2

107V/m。吹離（blowoff）是介質(zhì)表面向空間等離子體的放電現(xiàn)象，有時會擴(kuò)展為等離子體空間與介質(zhì)界面的大面積放電。吹離表面放電模型描述的放電機(jī)理是：介質(zhì)表面及放電界面上的增強(qiáng)電場加速了入射離子進(jìn)入表面，加速后的入射離子產(chǎn)生表面二次電子發(fā)射，同時也產(chǎn)生表面原子和離子的濺射。新產(chǎn)生的離子又被表面負(fù)電位吸引并加速入射到介質(zhì)表面，產(chǎn)生更多的二次電子發(fā)射、原子和離子濺射，如此反復(fù)循環(huán)，形成正反饋，最終導(dǎo)致表面大面積吹離放電。1.5高壓太陽陣的表面放電隨著大型通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，地球同步軌道航天器對功率系統(tǒng)的需求日益增加，采用高壓電源系統(tǒng)太陽陣技術(shù)是發(fā)展的趨勢。隨著高壓太陽陣技術(shù)的采用，地球同步軌道表面放電現(xiàn)象變得更加復(fù)雜、嚴(yán)峻。1)正常電勢梯度放電太陽電池蓋片玻璃沒有沉積一層MgF2抗反射膜，或者太陽電池蓋片玻璃表面污染，這時太陽電池蓋片玻璃表面二次電子發(fā)射系數(shù)可能小于1。太陽電池陣在地磁亞暴高能電子充電時，太陽電池蓋片玻璃表面被充上負(fù)電荷，其電位低于航天器結(jié)構(gòu)，這種情況稱作正常電勢梯度帶電。由于太陽電池陣結(jié)構(gòu)接地，正常電勢梯度帶電時，太陽電池蓋片玻璃表面電位低于太陽電池及其互連片。當(dāng)太陽電池蓋片玻璃表面與互連片間充電電位大于放電電壓閾值時，將發(fā)生一次放電?？臻g高能電子儲存的一次放電的能量相對較小，一般對航天器的損傷較輕。2）反向電勢梯度放電目前，大部分太陽電池蓋片玻璃表面沉積一層MgF2抗反射膜，以便提高對太陽光的利用率。MgF2的二次電子發(fā)射系數(shù)非常高，即使在光照不足的情況下，其二次電子發(fā)射系數(shù)仍然大于1。太陽電池陣暴露陽光時，蓋片玻璃表面大量光電子發(fā)射造成其電位升高，蓋片玻璃表面電位高于航天器結(jié)構(gòu)，這種情況稱作反向電勢梯度帶電。由于太陽電池陣結(jié)構(gòu)接地，反向電勢梯度帶電時，太陽電池蓋片玻璃表面電位高于太陽電池及其互連片。當(dāng)太陽電池蓋片玻璃表面與互連片間充電電位大于放電電壓閾值時，將發(fā)生一次放電。3)二次放電二次放電是高壓太陽電池陣特有的放電現(xiàn)象。正常電勢梯度一次放電及反向電勢梯度一次放電都可以誘導(dǎo)高壓太陽電池陣二次放電現(xiàn)象，二次放電分電池串間的二次放電及電池串與太陽電池陣基板間的二次放電兩種。電池串間的二次放電：高壓太陽電池陣相鄰電池串間的電位差較高，發(fā)生一次放電時，放電產(chǎn)生的等離子體可能造成相鄰電池串間短路，誘發(fā)存在不同電位的相鄰電池串之間發(fā)生二次放電。太陽電池陣將為電池串之間二次放電提供持續(xù)的放電功率，我們稱這種放電為電池串內(nèi)部的持續(xù)放電。持續(xù)的放電電流會造成太陽電池陣局部短路或損壞，嚴(yán)重時造成太陽電池陣完全失效。電池串與太陽電池陣基板間的二次放電：如果kapton絕緣層在加工過程或空間環(huán)境作用下出現(xiàn)某些缺陷，一次放電會誘導(dǎo)互連片與基板結(jié)構(gòu)發(fā)生擊穿短路，發(fā)生持續(xù)的二次放電現(xiàn)象，造成太陽電池與基板的短路或損傷，使太陽電池陣產(chǎn)生功率損失，嚴(yán)重時造成太陽電池陣完全失效。電池串間的二次放電及電池串與太陽電池陣基板間的二次放電不是截然分開的。有時，電池串間的二次放電嚴(yán)重，持續(xù)時間長，放電產(chǎn)生的電弧高溫也能使完好無缺kapton絕緣層加熱、氣化、電離，導(dǎo)致絕緣擊穿，使太陽電池串與接地的基板發(fā)生短路。這時，起始為電池串間的二次放電現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成電池串與太陽電池陣基板間的二次放電現(xiàn)象。1.6航天器表面帶電地面模擬試驗(yàn)1）航天器表面帶電地面模擬試驗(yàn)設(shè)備（1）國外模擬設(shè)備國外對航天器表面充放電試驗(yàn)非常重視，美、法、德、英、加拿大、日本等國總共建立了數(shù)十臺大型航天器表面帶電地面模擬試驗(yàn)設(shè)備，主要有：a.美國NASA的劉易斯研究中心的表面帶電地面模擬試驗(yàn)設(shè)備建于1974年，容器尺寸φ1.8m×1.8m長，試件尺寸可達(dá)30cm×30cm，用電子槍進(jìn)行電子輻照，電子能量30keV，束流密度0~5nA/cm2，不均勻性不大于30%。該設(shè)備已用于多項(xiàng)材料與部件的試驗(yàn)。b.美國NASA的劉易斯研究中心的改建表面帶電地面模擬試驗(yàn)設(shè)備，在原用于電推進(jìn)試驗(yàn)的φ4.6m×19m真空室上改建，建立了兩種試驗(yàn)裝置。裝置1建于上世紀(jì)70年代末期，用兩臺電子槍進(jìn)行電子輻照，能量30keV，束流密度1~2nA/cm2，不均勻性不大于30%。兩臺電子槍安裝在模擬室水平軸的上下，距試件10m。裝置2建于上世紀(jì)80年代初期，用四臺電子槍產(chǎn)生電源，四臺電子槍各對著樣品的一角，距試驗(yàn)樣品2m。以上的裝置1用于研究面積為232、1265和5058cm2樣品的帶電比例效應(yīng)，裝置2曾對SCATHA衛(wèi)星的2/3縮比模型進(jìn)行試驗(yàn)。（2）國內(nèi)模擬設(shè)備我國從上世紀(jì)80年代初期就開展了空間地磁亞暴表面充放電地面模擬試驗(yàn)。主要試驗(yàn)設(shè)備分布在中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所及蘭州真空物理研究所，具體如下：a.蘭州真空物理研究所φ450充放電設(shè)備，真空容器尺寸φ450×120mm長（介質(zhì)容器），電子能量為0~50keV，束流密度0~50nA/cm2，輻照面積φ350mm。b.蘭州真空物理研究所φ900中低軌道綜合環(huán)境充放電設(shè)備，真空容器尺寸φ900×1600mm長，地磁亞暴環(huán)境電子能量為0.5~50keV，束流密度0.1~20nA/cm2。c.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所φ800綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備，真空容器φ800×1200mm長，電子能量5~50keV，束流密度0.1~20nA/cm2，輻照面積φ150mm，不均勻性不大于20%。d.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所φ500充放電模擬試驗(yàn)設(shè)備，真空容器尺寸φ500×700mm長，電子輻照能量為5~30keV，輻照面積φ300mm，束流密度1~100nA/cm2，不均勻性不大于25%。e.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所φ1.2m充放電模擬試驗(yàn)設(shè)備，真空容器尺寸φ1200m×1800mm長，電子輻照能量為0~30keV，總束流200mA，束流密度1nA~100nA/cm2，輻照面積φ1m，輻照不均勻性不大于50％。f.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所大型空間地磁亞暴環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，電子能量5~30keV，電子束流密度0.5~100nA/cm2，輻照面積4m×3m，電子輻照總不均勻性不大于50%。2）航天器表面充放電試驗(yàn)方法要進(jìn)行航天器表面充電電位分布分析及放電損傷的風(fēng)險評估，必須進(jìn)行航天器表面材料的充電特性及放電響應(yīng)的試驗(yàn)，這是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性的工作。表面帶電地面模擬試驗(yàn)設(shè)備通常由提供空間真空環(huán)境的真空室、提供電子充電環(huán)境的電子槍、測試表面充電電位的高壓傳感器、測量電子束流的法拉第筒、測量放電電流的電流傳感器、測量放電輻射場的天線以及測量樣品泄漏電流的微電流計等。如果需要進(jìn)行表面光電子發(fā)射效應(yīng)研究，設(shè)備上還應(yīng)該配置紫外輻照源。軌道帶電粒子環(huán)境為多能譜分布，對航天器表面帶電有作用的帶電粒子能量范圍為1keV～100keV。NASA10%環(huán)境設(shè)計指南給出正是這個能譜段的帶電粒子平均能量與電流密度的關(guān)系如圖所示。這個模型的單Maxwellian特征能量為12keV,數(shù)密度為1.1/cm3。通常表面充放電試驗(yàn)采用單能電子槍產(chǎn)生電子束，電子槍能量為20keV～30keV,電子束流密度為幾nA到幾十nA，充電時間20min到30min。試驗(yàn)中主要測量表面充電電位、充電時間、放電強(qiáng)度、放電能譜、放電率、放電時間等，試驗(yàn)結(jié)束后，檢查樣品的損傷情況。為了更好模擬軌道環(huán)境中的帶電條件，國外也有采用幾支能量不同的電子槍同時進(jìn)行試驗(yàn)，以便近似模擬軌道的多能譜帶電粒子環(huán)境。其基本原理是將不同電流密度的等離子體劃分成一些能帶，然后計算每個能帶的束流能量和電流密度，通過組合能基本再現(xiàn)航天器空間帶電的過程?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和可行性，在滿足試驗(yàn)需要的前提下，應(yīng)選擇盡可能少的電子槍數(shù)量。美國宇航研究所N.JohnStevens等人采用雙電子束組合模擬空間帶電粒子的多能譜分布，組合方式是12.5keV和32.5keV、12.5keV和57.5keV、12.5keV和67.5keV三種，電流密度由各自能量的麥克斯韋爾分布計算而得。試驗(yàn)表明12.5keV和32.5keV組合的模擬效果最接近空間的帶電情況。試驗(yàn)同時表明，電子束電流密度決定了航天器表面的充電速率。3）靜電放電試驗(yàn)將航天器暴露在真實(shí)模擬空間等離子體環(huán)境中，是最可信的考核航天器系統(tǒng)級表面充放電性能的地面試驗(yàn)方法，國外采用這種技術(shù)曾進(jìn)行過航天器大部件及整星的表面充放電試驗(yàn)。但是，在地面很難重現(xiàn)航天器在軌道上充放電的空間環(huán)境，而且試驗(yàn)費(fèi)用很高、技術(shù)難度很大。所以，這不是最切合實(shí)際的方法。國外通過對各種充放電試驗(yàn)驗(yàn)證方法的評價，認(rèn)為最實(shí)際的航天器表面帶電試驗(yàn)驗(yàn)證方法是采用靜電放電技術(shù)，進(jìn)行整星放電不敏感性試驗(yàn)（GDI）。

GDI試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于它是一個真實(shí)的系統(tǒng)試驗(yàn)，它可在接近危險的水平模擬由放電產(chǎn)生的許多電磁效應(yīng)。GDI試驗(yàn)是用于驗(yàn)證航天器抗帶電及其相關(guān)充放電效應(yīng)的推薦試驗(yàn)技術(shù)。GDI試驗(yàn)是在航天器選定位置上進(jìn)行一系列電流注入，監(jiān)測這些注入的瞬態(tài)脈沖信號對關(guān)鍵系統(tǒng)功能的影響，同時驗(yàn)證其安全余量。選擇的注入位置、耦合方式和注入脈沖數(shù)應(yīng)基于對航天器在軌道上實(shí)際帶電情況的分析。試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置有高壓脈沖電源、電流注入耦合器、測試設(shè)備及航天器地面設(shè)備等組成。試驗(yàn)必須在遠(yuǎn)離導(dǎo)體邊界的開放區(qū)域進(jìn)行，航天器應(yīng)放置在一個試驗(yàn)平臺上，平臺最小高度應(yīng)于航天器主體中心尺寸相當(dāng)。航天器必須處于在軌狀態(tài)，其對地電容應(yīng)不大于其到無窮遠(yuǎn)電容的兩倍。試驗(yàn)中，航天器應(yīng)由其內(nèi)部供電，航天器與地面設(shè)備間應(yīng)良好絕緣。航天器與地面設(shè)備間的遙測信號應(yīng)該通過無線通信信號傳輸，航天器表面電磁場傳感器和關(guān)鍵測點(diǎn)的電流傳感器輸出應(yīng)通過光纖或等效的絕緣數(shù)據(jù)線傳輸。脈沖注入分直接注入和電容注入兩種，實(shí)際試驗(yàn)中兩種方法往往交替使用或混合使用，并通過改變注入脈沖的參數(shù)及注入位置，更好的滿足試驗(yàn)的需要。4）航天器表面電位分析及帶電風(fēng)險評價表面電位分析及帶電風(fēng)險評價對航天器設(shè)計過程是非常重要的。通過分析與評價，了解可能造成飛行任務(wù)失敗的薄弱環(huán)節(jié)，以便為修改設(shè)計提供依據(jù)。國外對航天器內(nèi)外帶電的計算仿真研究始于上世紀(jì)80年代初，最有代表性的是美國的NASCAPGEO/LEO/PEO/2K系列軟件，NASCAP/GEO初版于1984年發(fā)布，上世紀(jì)90年代進(jìn)行過更新。最新的NASCAP-2K計算模型對NASCAPGEO/LEO/PEO進(jìn)行了全面更新，交互性更強(qiáng)，適用于所有空間等離子體環(huán)境帶電分析。一個好的分析軟件應(yīng)包括帶電模型、電位分布計算、放電風(fēng)險評估等部分。4內(nèi)帶電在太陽活動期間，地球中高軌道上將產(chǎn)生大量高能電子。這些電子能夠穿透航天器表面面板，對星內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充電，通常稱作內(nèi)部帶電。內(nèi)部帶電包括兩種，一種是不接地的孤立導(dǎo)體的帶電，另一種是星內(nèi)介質(zhì)的深層帶電。孤立導(dǎo)體的帶電防護(hù)措施比較簡單，采取合適的接地方式即可。所以，對航天器威脅最大的是航天器介質(zhì)內(nèi)部的帶電問題。介質(zhì)內(nèi)部的帶電又叫做介質(zhì)深層帶電或體帶電。目前，已被認(rèn)為是造成地球同步軌道通信衛(wèi)星在軌異常的主要原因。內(nèi)帶電在20世紀(jì)70年代中期已開始被認(rèn)識并進(jìn)行研究，1994年1月ANIK1和ANIK2兩顆衛(wèi)星在軌相繼失效，使航天器內(nèi)帶電問題成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。延伸到地球半徑6.6倍以外的地球外輻射帶內(nèi)存在0.1MeV

10MeV的高能電子，這些電子的通量密度隨時間有很大的變化。這些高能電子穿透航天器表面面板入射到內(nèi)部的介質(zhì)材料中而沉積。當(dāng)電荷累積速率大于電荷的泄漏速率時，不同能量的電子將沉積于介質(zhì)材料的不同深度并建立電場。如果建立的電場超過介質(zhì)材料的擊穿閾值，將會發(fā)生靜電放電（ESD）。靜電放電會干擾或損壞附近的敏感器件及微電子線路板，使航天器發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)故障。由于介質(zhì)內(nèi)部放電區(qū)離敏感器件及微電子線路板更近，其對航天器的威脅比表面帶電更嚴(yán)重。2航天器內(nèi)帶電的機(jī)理電子的穿透與沉積研究內(nèi)帶電，應(yīng)該了解高能電子在介質(zhì)內(nèi)部的沉積位置及電荷沉積速度，也就是確定高能入射電子對介質(zhì)材料的充電電流。介質(zhì)材料的內(nèi)部充電與入射電子的通量密度、能譜及航天器結(jié)構(gòu)、介質(zhì)材料性質(zhì)都有關(guān)。首先應(yīng)該建立電子穿透屏蔽層進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部深度的模型。電子在固體材料中的最大射程如式所示：式中：R------電子最大射程，g/cm2;x------電子在材料中穿透距離，cm;

------材料密度，g/cm3;E------電子能量，MeV。實(shí)際情況中，不是所有的入射電子都沉積在最大射程的位置。在到達(dá)最大射程的這段距離內(nèi)，入射電子沉積在不同深度并有一個入射電荷的分布。充電電流與內(nèi)部電場對于垂直入射的電子，入射電子電流等于電子通量密度乘以電子電量。沉積在介質(zhì)層內(nèi)的電流為流入該層的電流減去流出該層的電流。對于靜止電荷的電場可以用高斯定律計算。一個體積內(nèi)總電場等于該體積封閉面內(nèi)的凈電荷除以介電常數(shù)。但是空間環(huán)境下航天器內(nèi)帶電是一個電荷不斷流入和流出的動態(tài)過程，可以用歐姆定律進(jìn)行簡化的計算。輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率在沒有輻射的情況下，介質(zhì)材料的電導(dǎo)率叫做暗電導(dǎo)率。通常，暗電導(dǎo)率很低，其機(jī)理為介質(zhì)內(nèi)部熱運(yùn)動激勵產(chǎn)生的空穴-電子對，使介質(zhì)具有一定的導(dǎo)電性。介質(zhì)材料受到高能電子輻射后，產(chǎn)生的電離效應(yīng)、軔致輻射效應(yīng)、位移效應(yīng)等能激勵出次級電子，使介質(zhì)材料電導(dǎo)率有明顯增加。輻射誘導(dǎo)引起電導(dǎo)率增加的部分叫做輻射電導(dǎo)率，輻射電導(dǎo)率與入射電子在介質(zhì)材料中的能量損耗率成正比，用輻射劑量率表示可以得出式12.4-6,介質(zhì)電導(dǎo)率由式12.4-7表示。介質(zhì)內(nèi)部不同深度的輻射劑量率高能電子入射到介質(zhì)內(nèi)部到達(dá)最大射程之前的行程中將不斷損失能量。入射電子能量

200keV時，能量損失隨射程增加變化為近似線性關(guān)系，即單位射程長度上的能量損失近似為常數(shù)。擊穿放電傳統(tǒng)的擊穿放電與介質(zhì)內(nèi)部擊穿放電的區(qū)別是：傳統(tǒng)擊穿放電為介質(zhì)外部兩個電極產(chǎn)生的電場造成介質(zhì)電擊穿。介質(zhì)內(nèi)部擊穿放電是高能電子穿透沉積在介質(zhì)內(nèi)部，沉積在介質(zhì)內(nèi)部的電子形成的內(nèi)部電場導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部擊穿放電。介質(zhì)材料的擊穿放電會造成材料局部熔化、蒸發(fā)及碳化，導(dǎo)致材料性能永久性損傷。擊穿放電一般發(fā)生在電場大于材料的介電強(qiáng)度耐受值時，電擊穿需要的電場強(qiáng)度至少是106V/cm,。電擊穿是由雪崩效應(yīng)造成的，介質(zhì)內(nèi)的載流子在電場作用下獲得足夠高的動能與靜止分子撞擊，使分子電離，產(chǎn)生更多的載流子。這些載流子又加入到新的撞擊電離過程中造成電流倍增效應(yīng)，最終產(chǎn)生雪崩放電。高能電子入射到介質(zhì)內(nèi)部受到阻滯時，會在介質(zhì)內(nèi)誘導(dǎo)電離效應(yīng)，產(chǎn)生大量次級電子及載流子，為介質(zhì)的內(nèi)部擊穿放電提供了條件。介質(zhì)內(nèi)部放電沒有一個外部能源維持放電電流，一般不會使介質(zhì)材料完全擊穿，只能造成介質(zhì)內(nèi)部局部熔化、蒸發(fā)及碳化。所以，內(nèi)部放電對介質(zhì)本身產(chǎn)生損傷是有限的。介質(zhì)內(nèi)部放電對航天器的影響主要表現(xiàn)在放電時的傳導(dǎo)電流、電磁脈沖對放電區(qū)附近敏感器件的損傷失效。通常，對介質(zhì)內(nèi)部放電擊穿閾值作如下分級：內(nèi)部電場E

106V/m,不會發(fā)生放電擊穿損傷；內(nèi)部電場106V/m

E

107V/m,存在放電擊穿損傷的可能；內(nèi)部電場E

107V/m,肯定會發(fā)生放電擊穿損傷。內(nèi)帶電損傷的風(fēng)險評價高能電子造成的航天器內(nèi)部充電及放電現(xiàn)象是一個非常復(fù)雜的物理過程。空間高能電子是一個多能譜分布。航天器內(nèi)帶電不僅與介質(zhì)材料的性能參數(shù)及厚度有關(guān)，也與航天器結(jié)構(gòu)及介質(zhì)材料在航天器內(nèi)的具體位置相關(guān)。所以，在地面很難真實(shí)模擬高能電子造成的航天器內(nèi)帶電的試驗(yàn)環(huán)境。沒有數(shù)值仿真預(yù)示的幫助，也無法確定地面模擬試驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)。因此，完全采用地面模擬試驗(yàn)對航天器整星內(nèi)帶電風(fēng)險進(jìn)行評價是不現(xiàn)實(shí)的。目前，國外主要采用數(shù)值仿真的方法來評價航天器整星內(nèi)帶電風(fēng)險。國外航天器整星內(nèi)帶電風(fēng)險評價軟件研究情況（1）DICTAT是歐空局開發(fā)的進(jìn)行衛(wèi)星介質(zhì)內(nèi)部充電的放電風(fēng)險分析和評估的軟件，使用經(jīng)驗(yàn)公式來編寫計算。它根據(jù)衛(wèi)星所處的空間高能電子環(huán)境以及介質(zhì)構(gòu)件的參數(shù)計算出介質(zhì)中深層充電所致的最大電場，并與該材料的擊穿電場閉值Eth進(jìn)行比較，最后給出是否發(fā)生放電的判斷。航天器內(nèi)帶電風(fēng)險評價的數(shù)值仿真研究流程航天器內(nèi)帶電風(fēng)險評估軟件有不同版本，雖然采用的計算方法不同，功能有差異，但是物理模型、研究流程基本一樣，主要由三部分組成。輸入?yún)?shù)的確定（1）軌道環(huán)境參數(shù)輸入不能采用AE8輻射環(huán)境模型這樣的平均環(huán)境條件。應(yīng)采用最惡劣環(huán)境下高能電子通量密度模型。（2）介質(zhì)材料的輸入?yún)?shù)主要包括材料密度、介電常數(shù)、暗電導(dǎo)率、輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)、溫度誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)、場誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)等。這些參數(shù)可以通過試驗(yàn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，其中輻射、溫度、電場對電導(dǎo)率的影響是決定數(shù)值預(yù)示精度的重要環(huán)節(jié)。所以，應(yīng)該設(shè)計更加合理的試驗(yàn)方法，對經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮竭M(jìn)行修正。建立電子的穿透及沉積模型高能電子在介質(zhì)中的穿透及沉積模型通常有兩種研究方法。一種是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行數(shù)值模擬，計算出電子沉積量和最大電場值，進(jìn)行放電風(fēng)險評估。另一種是利用蒙特卡羅軟件模擬高能電子在介質(zhì)中的穿透及沉積情況，利用相關(guān)公式計算出介質(zhì)內(nèi)最大電場，與材料介電強(qiáng)度進(jìn)行比較，進(jìn)行放電風(fēng)險評估。介質(zhì)內(nèi)部放電風(fēng)險評價最惡劣環(huán)境條件下高能電子能譜作為輸入?yún)?shù)，計算出的介質(zhì)內(nèi)最大電場與介質(zhì)擊穿閾值比較，對其是否發(fā)生內(nèi)部放電進(jìn)行風(fēng)險評價。如果存在放電風(fēng)險，應(yīng)改變屏蔽、介質(zhì)厚度或更換介質(zhì)材料，重新進(jìn)行介質(zhì)內(nèi)電子沉積與最大電場計算，反復(fù)迭代，直至介質(zhì)內(nèi)電場小于介質(zhì)擊穿閾值，不會發(fā)生內(nèi)放電為止。介質(zhì)擊穿閾值由試驗(yàn)獲得，不同介質(zhì)擊穿閾值不同。介質(zhì)內(nèi)帶電地面試驗(yàn)驗(yàn)證介質(zhì)內(nèi)帶電地面試驗(yàn)技術(shù)非常復(fù)雜，而且具有很大局限性。目前，航天器內(nèi)帶電評價通常采用數(shù)值仿真方法。地面模擬試驗(yàn)主要用來驗(yàn)證數(shù)值仿真結(jié)果，修正物理模型及經(jīng)驗(yàn)公式的系數(shù)。地面模擬試驗(yàn)的等效性與局限性地面模擬試驗(yàn)無法獲得與數(shù)值仿真完全相同的參數(shù)。數(shù)值仿真獲得的參數(shù)為介質(zhì)內(nèi)電場E(x,t)、傳導(dǎo)電流I(x,t)、到達(dá)介質(zhì)擊穿閾值的充電時間tc。地面模擬試驗(yàn)可以獲得的數(shù)據(jù)為表面電壓VS(t)、介質(zhì)樣品座到地的電流Ih(t)、介質(zhì)第一次放電的時間tb。地面模擬試驗(yàn)除了無法直接測量介質(zhì)內(nèi)部電荷分布及內(nèi)部電場值外，環(huán)境參數(shù)的模擬方面也有一定局限性?？臻g高能電子環(huán)境是一個多能譜分布，對航天器內(nèi)帶電有影響的帶電粒子能量主要在100keV～3MeV范圍。地面模擬試驗(yàn)無法真實(shí)再現(xiàn)空間高能電子的環(huán)境，通常采用近似的多能譜電子或用典型單能譜電子進(jìn)行試驗(yàn)。地面模擬試驗(yàn)方法目前，能夠進(jìn)行的航天器內(nèi)帶電地面試驗(yàn)為組件級試驗(yàn)，試驗(yàn)對象主要為介質(zhì)板、電纜等，試驗(yàn)分有屏蔽和無屏蔽兩種。（1）有屏蔽內(nèi)帶電試驗(yàn)一般采用高能電子加速器進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)環(huán)境為多能譜電子及單能譜電子兩種。多能譜電子環(huán)境模擬采用高能電子束通過一層或多層散射膜，形成一定能譜范圍的多能譜電子環(huán)境。單能譜電子環(huán)境模擬是選擇對內(nèi)帶電影響最顯著的典型能量的電子環(huán)境，或者選擇研究最感興趣的典型能量的電子環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中對材料種類、材料厚度、屏蔽材料種類、屏蔽厚度等參數(shù)進(jìn)行矩陣組合，了解不同參數(shù)對介質(zhì)內(nèi)帶電的影響，研究不同參數(shù)組合條件下的介質(zhì)內(nèi)部帶電規(guī)律。地面模擬試驗(yàn)需要測量的參數(shù)主要有：介質(zhì)表面電位VS(t)測量，通過無接觸式高壓電位計測量。傳感器可以通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維運(yùn)動，對不同高度介質(zhì)表面進(jìn)行掃描；介質(zhì)樣品座到地的電流Ih(t)測量，通過在介質(zhì)樣品座與地之間串聯(lián)一個微電流計進(jìn)行測量；介質(zhì)第一次放電的時間Ih(t)測量，通過放電脈沖傳感器或電流回路串聯(lián)一個電流傳感器可以探測到從試驗(yàn)開始到發(fā)生第一次放電的時間。歐空局多能譜電子內(nèi)帶電試驗(yàn)設(shè)備示意圖。電子源采用一臺2.7MeVVanDeGraaff

電子加速器，連接到一個直徑470mm的靶室上。采用雙層散射膜技術(shù)可以獲得0.2MeV

1MeV范圍的多能譜電子環(huán)境，能譜形狀與空間環(huán)境中對應(yīng)能量范圍的能譜相似，三、電離層等離子體對航天器的影響

1、

對通信系統(tǒng)影響法拉第效應(yīng)使天線偏振失調(diào)，電離層閃爍造成經(jīng)電離層傳播的電波幅度、相位、到達(dá)角和偏振特性發(fā)生不規(guī)則起伏，使電波發(fā)生時延、信號衰落、通信質(zhì)量下降。2、對定軌系統(tǒng)的影響在用電波的多普勒效應(yīng)測量來確定航天器的軌道時，必須根據(jù)實(shí)時的電離層信息來進(jìn)行軌道修正，電離層的擾動會影響定軌精度。3、對軌道和姿態(tài)的影響航天器上的充電電位與等離子體帶電粒子產(chǎn)生的電磁力會對航天器的軌道和姿態(tài)產(chǎn)生影響。4、對航天器充放電的影響通常電離層等離子體中的帶電粒子能量不高，為零點(diǎn)幾個電子伏到幾個電子伏，一般使航天器帶很低的電位。這種低電位充電不會對航天器帶來影響。近年來，隨著高壓太陽電池陣的出現(xiàn)，太陽陣與等離子體間的高電位差，將可能產(chǎn)生低電壓、大電流放電。四、電離層等離子體與航天器高壓太陽陣的相互作用

1、空間活動發(fā)展對高壓太陽陣的需求隨著人類空間活動規(guī)模和范圍的不斷增加，對空間飛行器功率供給能力的需求也隨之增加。太陽功率系統(tǒng)的能力已由最初的幾百瓦、幾千瓦增加到幾十千瓦，甚至幾百千瓦。由此帶來的電纜重量的增加、大電流傳輸?shù)墓β蕮p失、大電流傳輸與地磁場作用對航天器姿態(tài)的影響等問題將變得很突出，原來28V電壓供電的模式已不適應(yīng)大功率太陽電池陣系統(tǒng)的需要，采用高壓供電模式是解決上述困難的有效途徑。圖1為NASA目前及將來對空間太陽功率系統(tǒng)的需求。然而，隨著太陽陣電壓的提高，電離層等離子體環(huán)境與高壓太陽陣的相互作用造成的表面放電、電流泄漏、離子濺射、污染等效應(yīng)將變得突出。而且，太陽陣電壓越高，電離層等離子體效應(yīng)對其影響也越嚴(yán)重。因此，電離層等離子體環(huán)境與高壓太陽陣的相互作用制約了航天器設(shè)計師對高壓太陽陣的使用。研究電離層等離子體環(huán)境與高壓太陽陣的相互作用，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，被認(rèn)為是大型空間活動必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。下圖是NASA目前及將來對空間太陽功率系統(tǒng)的需求

其中：ve

------電子速度；

vi------離子速度；

k------波爾茲曼常數(shù)，1.38

10-23J/K；

Te------電子溫度；

Ti------離子溫度；

me------電子質(zhì)量；

mi------離子質(zhì)量；

Je------電子攜帶的電流；

Ji------離子攜帶的電流；

ne------電子密度；

ni------離子密度；

Ae------航天器對電子的有效截面；

Ai------航天器對離子的有效截面；

e------電子電荷。然而，隨著高壓太陽陣的使用，航天器的帶電問題將變得復(fù)雜。下圖是不同接地方式的太陽陣在電離層等離子體環(huán)境中的帶電情況。浮動接地：通常航天器結(jié)構(gòu)部分是接地的，如果太陽陣與航天器結(jié)構(gòu)間電絕緣，太陽陣與航天器結(jié)構(gòu)的浮動電位相互獨(dú)立，相互間沒有影響，這種結(jié)構(gòu)稱作浮動接地。圖中可以看出，航天器象通常一樣帶負(fù)電位。太陽陣本身有電位差，情況則要復(fù)雜一些。

太陽電池陣電位高于等離子體電勢的的部分吸引電子，低于等離子體電勢的部分吸引離子。達(dá)到平衡后，吸引電子和離子的數(shù)量應(yīng)該一樣多，吸引到太陽陣的凈電荷量為零。由于電子質(zhì)量輕，容易運(yùn)動。離子質(zhì)量重，運(yùn)動速度滿，所以電子流密度遠(yuǎn)大于離子流密度。為了保持凈電荷量為零，太陽陣浮動電位高于等離子體電勢的面積小于低于等離子體電勢的面積，太陽陣大部分帶負(fù)電。這種接地方式，太陽陣和航天器間沒有一個公共接地點(diǎn)，兩者間的電勢差處于浮動狀況，這會嚴(yán)重干擾航天器上儀器的工作，航天器設(shè)計中應(yīng)該避免這種接法。

負(fù)端接地：如果太陽陣的負(fù)端接地（即負(fù)端與航天器連接），如圖所示，航天器的電位與太陽陣負(fù)端電位一樣。對于使用高壓太陽陣的航天器，其與等離子體環(huán)境的電位差足以造成航天器表面放電現(xiàn)象。正端接地：太陽陣的正端接地時（即正端與航天器連接），航天器的面積與太陽陣面積的一部分一起來收集電子，使太陽陣帶正電的面積變小。這時，航天器電位與等離子體環(huán)境的電位差最小。3、電離層等離子體效應(yīng)對高壓太陽陣的影響及其作用機(jī)理（1）電弧放電由上可知，不管采用何種接地方式，太陽陣大部分面積帶負(fù)電。高壓太陽電池陣的負(fù)電勢吸引正離子，使電池蓋片上正離子的逐步積累，電場不斷增強(qiáng)，最后在電池蓋片邊緣與電池片連線間發(fā)生擊穿放電。一般認(rèn)為放電機(jī)理是電池片間的連接線暴露大氣或加工中產(chǎn)生一層絕緣的氧化層、污染層、氣體分子膜層，帶負(fù)電的連接線吸引收集正離子，隨著離子積累，電場不斷加強(qiáng)，最終將絕緣層擊穿，發(fā)生電弧放電。這種放電是一種低電壓、大電流放電。（2）附加電流損失太陽電池陣帶正電的部分會從等離子體中吸引電子，對于高壓太陽陣，吸引的電子撞擊到太陽陣表面會造成二次電子發(fā)射，會進(jìn)一步增加太陽電池陣表面的電子密度，導(dǎo)致電池陣表面整個被電子云覆蓋，形成表面導(dǎo)電層。太陽陣裸露在等離子體中的帶不同電位的部分，將會通過表面電子云鞘形成電流回路，產(chǎn)生電流泄漏，造成太陽電池陣功率下降。一般認(rèn)為功率損失為百分之幾，嚴(yán)重時可達(dá)20%左右。電子云分布及表面電流泄漏情況如圖3所示。（3）電磁干擾航天器放電會導(dǎo)致太陽電池陣電源振蕩或電源功率系統(tǒng)部分短路，對航天器敏感電子電路造成干擾，隨著微電子線路的集成度不斷提高，這種干擾會日趨嚴(yán)重。另外，等離子體擾動時，也會對航天器造成電磁干擾。（4）離子濺射帶負(fù)電位的航天器表面會吸引等離子體中的正離子，并對其加速。被加速的離子撞擊到太陽陣表面，造成材料表面濺射、出氣，使表面性能退化。濺射、出氣會對表面造成污染，造成光電轉(zhuǎn)化效率降低，并可能誘發(fā)電弧放電。（5）污染的再吸附太陽陣表面充電，會吸附周圍的污染粒子，使太陽電池蓋片透射性能變壞，光電轉(zhuǎn)換效率下降。五、電離層等離子體環(huán)境對航天器高壓太陽陣的環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

1、空間飛行實(shí)驗(yàn)研究目前，NASA、ESA、俄羅斯、日本等都開展了多次等離子層效應(yīng)飛行實(shí)驗(yàn)研究工作,例如：SAMPIE、PIX1、PIX2、SFU、IPRE、PDP等太陽陣與等離子體效應(yīng)飛行實(shí)驗(yàn)。下面簡單介紹NASA太陽陣模塊等離子體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)（SAMPIE）的情況，以便對這方面的研究有一個初步的了解。SAMPIE模塊做為航天飛機(jī)的有效載荷于1994年送入軌道，以便研究高壓太陽陣與電離層等離子體的相互作用。

其主要研究內(nèi)容有：（1）測量三種太陽電池片的放電電壓閾值、電弧率、放電電流，比較三種電池片的性能。（2）測量三種太陽電池片泄漏電流與電池陣偏壓的關(guān)系。（3）驗(yàn)證減緩電弧放電的技術(shù)，通過改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計提高放電閾值。（4）利用簡化的金屬/絕緣體模型，研究泄漏電流與暴露面積的關(guān)系。（5）研究不同金屬連線與放電電壓閾值、電弧率、放電強(qiáng)度的關(guān)系。（6）研究與放電有關(guān)的基本現(xiàn)象和效應(yīng)，例如：用于空間大型結(jié)構(gòu)的陽極化鋁的放電；覆蓋導(dǎo)體的ITO膜針孔缺陷處的放電；帶高壓負(fù)偏壓的金屬的離子濺射和退化等。（7）測量診斷軌道等離子體參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括：1）空間站用電池片等離子體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。2）先進(jìn)的光電池片等離子體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。3）傳統(tǒng)的硅電池片等離子體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。4）修改的空間站用電池片等離子體效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。5）多次擊穿實(shí)驗(yàn)。6）單次擊穿實(shí)驗(yàn)。7）漏電流收集與突增實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)獲得了多種電池片的等離子體放電和漏電流損失的基本數(shù)據(jù)，為空間站太陽電池片的選擇和改進(jìn)提供了依據(jù)。2、地面模擬試驗(yàn)研究空間飛行實(shí)驗(yàn)受發(fā)射計劃、在軌時間、軌道參數(shù)、實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)等限制，有很大的局限性，而且技術(shù)復(fù)雜，花費(fèi)昂貴。所以，地面模擬試驗(yàn)是一種方便可行的方法。（1）地面產(chǎn)生等離子體的方法目前，人工地面模擬等離子體的方法主要是氣體放電，氣體放電產(chǎn)生等離子體的主要方法有：（a）熱陰極直流放電：其原理是熱陰極發(fā)射的電子撞擊氣體分子，使其電離產(chǎn)生等離子體。考夫曼等離子源就是典型的例子。（b)冷陰極放電：在陰極與陽極間加直流高壓電場，自由電子在電場作用下加速撞擊氣體分子，使氣體電離，電離的離子在高壓電場下加速，撞擊陰極，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這些電子又加入到撞擊氣體分子，使其電離的過程中。最終導(dǎo)致氣體放電，產(chǎn)生等離子體。空心陰極等離子源就是典型的例子。（c)電弧放電：在兩個放電電極間加上直流或交流電壓，產(chǎn)生電弧放電。放電氣體在電弧的高溫條件下電離，產(chǎn)生等離子體。這種方法可以產(chǎn)生稠密等離子體，一般再入等離子體鞘套的模擬中使用這種技術(shù)。(d)高頻放電：在兩電容極板或電感線圈上加上高頻電壓，在一定空間內(nèi)產(chǎn)生高頻電場。放電氣體的自由電子在高頻電場作用下加速，撞擊氣體分子，使其電離，產(chǎn)生等離子體。(e)微波放電：利用同軸電纜或波導(dǎo)在放電腔內(nèi)饋入微波電場，放電氣體中的自由電子在微波電場作用下加速，撞擊氣體分子，使其電離，產(chǎn)生等離子體。

(2)等離子體參數(shù)測量通常，探測等離子體參數(shù)主要是密度、溫度兩個參數(shù)。電離層、空間和試驗(yàn)室低溫等離子體參數(shù)探測常用朗繆探針法。在等離子體中插入一支探針，在探針上加一相對于參考電極K的電壓Vp,測量探針上所收集的探針電流Ip。通過改變探針上的電壓，可以獲得探針上電壓與收集電流的伏安曲線。如圖所示：

Ieo為飽和電子流，其物理意義是這一點(diǎn)的探針電位Vs等于等離子體電位Vp，電子不受電場力作用，探針接受的都是靠熱運(yùn)動到達(dá)探針的電子流。由于電子密度與離子密度相等，ne0=ni0則利用下列公式，即可算出離子速度及溫度：(3)空間等離子體地面模擬試驗(yàn)技術(shù)從20世紀(jì)60年代開始，人們就利用探空火箭和衛(wèi)星進(jìn)行等離子體環(huán)境及其效應(yīng)的研究。由于飛行探測實(shí)驗(yàn)有很大局限性，而且花費(fèi)昂貴，地面模擬試驗(yàn)是一條經(jīng)濟(jì)可行的途徑。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界已建立數(shù)十臺等離子體模擬設(shè)備。等離子體設(shè)備的基本組成部分：等離子體源真空試驗(yàn)容器真空系統(tǒng)等離子體參數(shù)診斷系統(tǒng)試驗(yàn)測量系統(tǒng)地磁場模擬線圈（根據(jù)需要配置）

國內(nèi)情況國內(nèi)中國科學(xué)院空間中心利用921工程項(xiàng)目，建造了一臺空間等離子體模擬設(shè)備。設(shè)備尺寸為直徑1m，長2.4m，等離子體密度107/cm3.這臺設(shè)備已承擔(dān)921工程的一些試驗(yàn)任務(wù)。五院總裝與環(huán)境工程部利用高新工程項(xiàng)目建造了一臺透波式空間等離子體試驗(yàn)設(shè)備。設(shè)備直徑1.5m，長3m，容器一端有一段1m長的玻璃鋼透波窗口，等離子體密度105/cm3

107/cm7，不僅可以承擔(dān)航天器外露部件等離子體效應(yīng)試驗(yàn)，還能承擔(dān)航天器天線功率加載時的等離子體效應(yīng)試驗(yàn)。目前，地面模擬試驗(yàn)的方法很多，歸納起來分以下三類：（a)真實(shí)偏壓太陽電池陣等離子體效應(yīng)試驗(yàn)在等離子體環(huán)境試驗(yàn)容器中安裝太陽模擬光源，太陽電池陣偏壓由太陽電池陣自己提供。對其在等離子體環(huán)境中，泄漏電流、放電電壓閾值、放電次數(shù)、放電頻譜、放電強(qiáng)度與等離子體密度、偏壓大小、太陽電池陣結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)。圖4是1995年在NASALewis研究中心進(jìn)行的光電池等離子體效應(yīng)試驗(yàn)（PVPIT2）的示意圖。