低气压环境下材料静电带电及防护地面模拟研究

摘 要：本文介绍了低气压环境下航天器材料静电带电的危害，阐述了地面模拟试验研究的必要性，搭建了低气压环境材料静电带电及防护地面模拟试验系统。该装置可用以模拟航天材料静电带电，研究带电规律。本文提出了电场主动防护静电带电方法，设计了三种防护模型，并以其中一种模型为例，通过防护效果试验，证明了该防护措施对于材料静电防护具有良好效果。该研究为我国航天器空间静电防护技术体系的建设提供重要技术基础。

Abstract：The harm which caused by the spacecraft material electrostatic charge under low air pressure was presented in the paper. The necessity of ground simulation test study was expatiated. The ground simulation test system on electrostatic charge and protection of material under low air pressure was set up. The system can be used to simulate spacecraft material electrostatic charge and research the laws. Furthermore， electric field initiative protection was presented， and three protection models were designed. One model was taken as example to be test. The result showed that： the protection technology can achieve good effect； the electrostatic potential of the material with protection is far less than that of the one without protection. Study on electrostatic charge and protection of material under low air pressure can support technology basic to the electrostatic protection system construction of spacecraft engineering.

关键词：低气压；静电；地面模拟试验系统

Keywords：low air pressure；electrostatic；ground simulation experimental system

中图法分类号：V19； 文献标志码：A

一、引言

地球的大气层环境是一个极端复杂的环境，存在着各种宇宙射线、高能粒子，同时，地球本身存在磁场。在这种复杂多样的环境里，绕地球运行的航天器上必然会在低气压，大温差，强辐射的作用下在表面及内部产生大量带电电荷的积聚。随着电荷的积聚，静电场积累增强到一定程度时，就会在航天器表面或内部产生静电放电现象，对航天器内部电子系统的正常工作运行产生强烈干扰，甚至出现介质击穿。这严重危害了航天器的可靠性及安全性。

众所周知，相比于地面大气环境，大气层空间环境的一个重要特征就是气压随着高度的升高而下降。当前，对地面大气环境条件下各类物质材料的静电带电放电效应及其规律的分析和研究已经有了广泛的开展，并且对于静电防护有了深入的研究。但随着周围环境气压的变化，物质材料的性能特点很可能会发生变化，而这些变化的出现会严重影响到静电带电放电的发生。目前，对高空低气压环境条件下各类航天器材料的相关研究较为薄弱，为了确保我国航天器的安全性，深入研究低气压环境下材料静电带电及防护迫在眉睫[1-7]。

空间飞行试验受到航天器发射计划和轨道条件等限制，并且花费昂贵，相比之下，建立地面模拟试验系统，进行地面模拟试验是经济方便的途径，其成本低、参数易于测量和控制，并可以进行加速试验，有其独到优势，可对低气压环境下材料静电带电及防护的研究提供技术支撑。目前，美国和俄罗斯都建立了航天器地面试验验证中心和大量的航天器地面模拟试验设备，并进行了大量的地面模拟试验。综上所述，开展低气压环境下材料静电带电及防护研究将对完善航空、航天工程的静电防护体系建设，提高我国航空、航天领域的静电防护能力具有重要意义[8-12]。

二、低气压环境材料静电带电地面模拟系统的建立

低气压环境的模拟试验与其他环境模拟试验一样， 与真实环境的相似度越高越能达到模拟试验的目的。同时有些空间极端条件在地球无法模拟或者很难模拟，而且评估认为其对探测器的影响有限， 可以考虑采用等效试验的方法来模拟， 而无需花费巨额资金来建造试验设备[13]。

本文搭建了低气压环境材料静电带电地面模拟试验系统，该装置用以模拟低气压环境下材料静电带电，主要由抽真空系统构成。

抽真空系统：真空罐内直径0.6米，高0.6米，由一台抽速为30立升/分钟的机械泵、一台抽速为1200立升/分钟的溅射离子泵联合实现真空的获得，依次启动各级中控泵后，真空罐空载压强可以达到10-3Pa，真空罐室内放入调速电机、金属筛盘、导电刷、绝缘联轴器、绝缘支架、工作台、被测试件及导线等物体后，真空罐极限压强可以达到10-2 Pa。罐内真空度由真空计进行实时监测。

进行模拟试验时，先将设备连接好，将一定量的试验粉尘置于金属筛盘上，对真空罐进行抽真空操作，在通过真空计对罐内真空度进行实时监测。达到试验要求后，打开高压静电发生器，使得金属筛盘及粉尘带上电，启动真空罐内的可调速电机，可调速电机通过绝缘联轴器及导电刷对金属筛盘内的粉尘进行旋转搅拌，金属筛盘与导电刷保持接触，同时金属筛盘与真空罐外部高压静电发生器通过航空插头保持电气连接，以保证在对粉尘搅拌过程中使其充电，粉尘带电后通过金属筛盘网孔落下，其正下方真空罐底部为工作台，台子上固定放置航天器材料，航天器材料与真空罐外部动态电位测试仪通过绝缘导线及航空插头保持电气连接，可以实时监测航天器材料在带电粉尘的作用下起电电位的情况。试验过程中通过真空罐侧壁的窗口观察真空罐内粉尘及航天器材料的情况，航天材料静电起电电位随直流高压电源电压变化的情况如表1所示。

试验结果表明，在外加高压的作用下，粉尘可带上电，并在附着于航天器材料上后，可以使航天器材料带上电。通过该套装置能够进行低气压环境下带电粉尘对金属导体材料表面电位影响实验，从而建立低气压环境下金属导体表面电位关系表达式，研究总结低气压环境下带电粉尘对航天器材料表面电位影响规律。

三、低气压环境下材料静电防护

通过上述分析及地面模拟试验表明，在空间低气压环境下，由于粉尘等外界环境作用，航天器材料极易产生静电起电。所以，对于低气压环境下航天器材料的静电防护是极为必要的。空间环境中，高能带电粒子对航天器材料的充放电效应主要取决于两个方面：粒子的能量和辐射剂量。因此对于低气压环境下材料的静电防护可以从两个方面进行考虑：一、降低入射到材料上带电粒子的能量，可通过对带电粒子做负功实现；二、减少入射到材料上带电粒子的数目，即减少材料遭受的辐射剂量，可通过外加电场使得飞向航天器材料的粒子发生偏转，从而飞向其他空间[14-17]。

在此分析基础上，本文提出了利用尖端导体强电场的主动防护技术，即利用强电场改变带电粒子飞行方向。在航天材料表面上装载尖端导体，并加以偏转电压，即可在材料表面附近形成偏转电场。利用尖端导体实现主动防护有其独到的优势：尖端导体尖端处由于曲率半径的原因，其附近电场很强，可使得附近的带电粒子及粉尘等发生偏转或者被吸引捕获。由于单个尖端导体防护范围有限，效果不够明显，可以考虑对尖端导体进行组阵，以便达到对材料大范围高效率的防护。

以（a）组阵为例，本文进行了防护效果试验，对防护材料两边尖端导体进行加压，所加电压为70V。试验时，将加此防护措施和不加防护措施的同一材料置于上述系统中，利用带电粉尘使材料带电。试验过程中，随着带电粉尘的吸附，材料带电电位均逐渐升高，并最终趋于稳定，但是有无防护措施条件下材料带电电位升高速度及最终稳定值不同，如表2所示。

从图中可以看出，在上述环境下，不加防护措施时，材料最终带电电位约为314V，而采取了防护措施的材料最终电位约为101V，采取防护措施后的航天器材料静电带电电位明显低于没有采取防护措施情况，说明这种防护技术具有很好的防护效果。

四、总结

1）低气压环境下航天器材料静电带电问题对于航天器的安全性，可靠性有重大影响，当前，对地面大气环境条件下各类物质材料的静电带电及防护有了深入的研究，但对高空低气压环境条件下各类航天器材料的相关研究较为薄弱，

2）在空间飞行试验受条件限制的前提下，进行地面模拟试验是经济方便的途径。本文建立了低气压环境下材料静电带电及防护模拟试验系统，验证了该模拟方法的可行性，通过该系统可以在地面模拟试验研究空间低气压环境下航天器材料带电情况。

3）利用尖端导体强电场的主动防护技术对航天器材料进行防护可取得良好的防护效果。下一步工作中，可对不同模型的尖端导体组阵防护效果进行试验研究， 并对防护效果进行分析比较，为低气压环境下材料静电防护研究提供技术支撑。

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