[发明专利]一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器介质材料电导率测量方面的内容，具体涉及一种测量航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法。

背景技术

在太阳活动期间，地球中高轨道的高能电子通量将显著增强，这些高能电子可穿透航天器蒙皮，在其内部的绝缘介质或孤立导体上沉积并建立电场，如果充电导致介质内建电场强度达到击穿阈值，或相邻结构间出现较高的电位差，便会产生静电放电，对航天器的电子系统造成干扰、伪指令，甚至烧毁。美国对298起航天器在轨故障原因的统计数据表明，深层充电导致的故障占总数的1/4以上。其中，不乏像航天器失效这样的严重事例，例如ANIK-E1、ANIK-E2、Galaxy-4，以及较近发生的Galaxy-15等。包含同步轨道在内的地球中高轨道，是导航、通信、气象等众多卫星的必选轨道，深层充电效应时时威胁着这些卫星的安全运行，同时，为了实现应用目标，这些卫星通常对可靠性有着非常严格的要求，在这种形势下，做好深层充电效应的评估和防护就至关重要。

在对航天器深层充电风险进行评估的过程中，航天器上所使用绝缘介质材料的电导率是非常关键的输入参数。尽管被称为“绝缘”材料，实际上这些材料仍然存在导电能力，只是其电导率的值非常小，在绝大多数应用情况下可以忽略，从而近似认为材料是绝缘的，但对于深层充电效应来说，介质材料的电导率是不能忽略的，并且是对充电过程起支配作用的物理量。深层充电现象可简单理解成“电荷积累”和“电荷泄露”这两个动态物理过程的竞争，即空间辐射电子在材料内逐渐沉积的同时，由于电导率的存在，这些电荷也在通过接地点向外缓慢泄露。起初，由于沉积在介质材料内的电荷较少，由这些电荷产生的电场E较小，因此，泄漏电流J_C也较小；随着沉积电荷的积累，E逐渐增强，导致J_C逐渐增大；若不发生放电，这一过程将最终达到平衡，此时，泄漏电流J_C与沉积电流J_T相等。电荷泄漏的过程满足欧姆定律J_C=σE，其中，E为电场强度，J_C为传导电流，σ为介质材料的电导率，它决定着充电平衡时间以及达到平衡时的状态。

在空间应用情况下，介质材料的电导率并不是一个常数，而是受多种因素的影响而发生着显著地变化。通常将介质材料的电导率描述为暗电导率和辐射诱发电导率两项之和，即其中，暗电导率σ₀是温度和场强的函数，辐射诱发电导率σ_ric是剂量率的函数。国内外已开展的试验证实，对于航天器常用的介质材料，例如，聚酰亚胺、环氧树脂等，在空间辐射环境下，其辐射诱发电导率有可能高出暗电导率几个量级，成为总电导率大小的决定项。辐射诱发电导率可描述为其中，k_p和Δ是材料相关的参数。

为了准确评估深层充电效应，需要在实验室准确测量材料的σ₀、k_p和Δ等电导率相关参数。工业测量方法（ASTMD-257-9）的测量结果不能准确反映空间应用的情况；与美国航空航天局NASA-DHBK-4002A手册中提出的电荷贮存衰减法相比，本文方法不仅测得暗电导率，而且还能得到辐射诱发电导率参数，为深层充电评估提供更准确的输入条件。

在已有的专利申请中，没有涉及航天器介质材料深层充电特征参数的装置及方法的专利申请。

1.现有技术方案（主流的技术方案）

（1）工业测量方法(ASTM D257-93)，如图1所示。

如图1所示，常用的工业测量电导率的方法是在地面大气环境中给介质前后加偏压V，用皮安表测量漏电流I，由欧姆定律计算得到介质电阻：

R＝V/I

若介质厚度为d，面积为A，则介质电导率为：

σ=dR*A.]]>

（2）电荷贮存衰减法