[发明专利]一种卫星尾区表面带电模拟试验系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星尾区表面带电模拟试验系统及方法，特别是针对模拟低地球轨道等离子体环境及极光电子环境中卫星尾区表面带电效应试验的系统及方法，属于测试领域。

背景技术

当卫星运行在低温度高密度等离子体环境中时，在其尾区形成一明显的“航迹”，这是一个不相等的电子和离子耗尽区，由于卫星轨道速率大于离子热速率而小于电子热速率，因此电子可较容易地进入这个区域从而形成一负电位势垒，这就是所谓的“尾区带电效应”，其对卫星的明显作用是尾区介质表面将充电至一较高的负电位。特别地，当有极区极光电子注入时，卫星的尾区电位可达数千伏。一般地，卫星因“尾区效应”而形成的表面带电是影响低轨道特别是极轨卫星安全运行的重要问题之一。

文献“Wakes and differential charging of large bodies in low earth orbit”研究表明，尾区充电电位与卫星速度（马赫速度）、卫星尺寸等基本呈正比关系。现阶段设计的低轨道侦查卫星的尺寸已达数十米，同时，极区极光沉降电子束流最高可达地球同步轨道的100倍，通量约为30nA/cm²，将会在大型卫星及其部件尾部产生数千伏的电位，而且由于充电电容大，放电能量也大，产生的空间静电放电将严重威胁卫星电子系统的在轨安全。因此，有必要发展一种适合开展卫星尾区带电模拟试验的装置和方法。

但是，目前在卫星尾区带电效应模拟试验中，还存在以下主要困难：

（1）地面难以真实模拟尾区等离子体带电环境；

（2）地面难以开展真实尺寸卫星尾区带电的模拟试验。

因此，建立一种有效的尾区带电模拟试验方法对开展低轨道卫星表面带电研究有重要意义。

发明内容

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种卫星尾区表面带电模拟试验系统，所述系统包括：中低能电子枪、三维传动机构、表面电位计、灯丝、等离子体诊断系统、考夫曼离子源、抽真空系统、真空室、PC机。

其中，在真空室内部，灯丝对称安装在真空室的上下壁面上；卫星部件通过金属丝竖直悬挂在真空室的中心位置；考夫曼离子源和中低能电子枪分别安装在真空室两个相对的侧壁上，其中考夫曼离子源位于卫星部件左侧，中低能电子枪位于卫星部件右侧；考夫曼离子源、卫星部件、中低能电子枪的中心位于一条直线上；等离子体诊断系统和三维传动机构位于真空室内部，在三维传动机构上安装有表面电位计；

在真空室外部，PC机与等离子体诊断系统连接；抽真空系统与真空室连接；

优选所述等离子体诊断系统为Langmuir探针。

优选所述灯丝为钨丝。

优选所述卫星部件与考夫曼离子源之间的距离为30~40cm。

一种卫星尾区表面带电模拟试验方法，所述方法步骤如下：

步骤一、在真空室内放入卫星部件，打开抽真空系统对真空室抽真空，使真空室内的真空度≤10^-3Pa；

步骤二、打开考夫曼等离子体源和中低能电子枪，设定考夫曼离子源栅极加速电压、离子束流、电子束流，以及中低能电子枪的束流密度和能量；利用等离子体诊断系统对产生的等离子体环境进行诊断；

步骤三、通过三维传动机构带动表面电位计在卫星部件右侧移动，测量在卫星部件尾区的表面充电电位；

试验结束后，关闭系统，调换卫星部件结构的尺寸或者考夫曼离子源栅极加速电压，重复步骤一～三，获得卫星部件的结构尺寸和卫星运动速度与尾区充电电位的关系。

优选在步骤二中，考夫曼离子源栅极加速电压为100V、离子束流为32mA、电子束流为35mA；中低能电子枪的能量为1.0~100keV，束流密度为1~10nA/cm²；真空室内的等离子体的密度为10⁹/m³～10¹²/m³。

有益效果

1.本发明提供了一种卫星尾区表面带电模拟试验系统，所述系统能进行卫星尾区环境等离子体环境模拟，可以进行卫星部件尾区充电模拟试验。

2.本发明提供了所述卫星尾区表面带电模拟试验系统的测试方法，能够进行卫星尾区环境等离子体环境模拟，具体为：利用考夫曼离子源产生高密度低能等离子体，同时，为了模拟卫星的相对运动效应，在考夫曼离子源的离子加速栅极对离子流施加加速电压，产生了定向流动的等离子体流，因此，在定向等离子体流的物体的尾部即可产生尾区效应。