[发明专利]激光驱动飞片诱发放电效应试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了一种激光驱动飞片诱发放电效应试验系统，包括激光器系统、飞片靶速度测试系统和真空室系统，所述飞片靶速度测试系统包括用于接收第一分光镜的折射激光的第一光电探头、用于发出测束激光的第二光电探头以及与第一光电探头和第二光电探头通信连接的数字示波器。此外，本发明还公开了一种激光驱动飞片诱发放电效应试验方法。本发明利用激光驱动飞片诱发放电效应装置有效模拟空间微小碎片撞击诱发的放电效应，并实现对航天器外露材料或部组件在充电状态下经受微小碎片撞击发生的效应或现象的有效评估。

技术领域

本发明涉及一种激光驱动飞片诱发放电效应试验系统，属于空间环境效应试验技术领域。

背景技术

卫星带电效应又称充放电效应，是指卫星与空间等离子体和高能电子等环境相互作用而发生的静电电荷积累及泄放过程，分为表面充放电效应和内带电效应。表面充放电效应是指卫星与空间环境相互作用下，电荷在卫星表面材料中积累和泄放的过程。航天器在轨运行期间，将处于低能等离子体环境的包围之中，其主要成分为低能电子和质子，主要来源于日冕物质抛射的太阳风。等离子体的粒子通量、能量等于太阳活动、光照、地球磁场、轨道空间位置等相关。等离子体环境将于航天器的表面材料相互作用，使航天器表面积累电荷。由于卫星的表面材料的介电性能、几何形状等不同，从而引起卫星表面之间、表面与深层之间、表面与卫星地之间产生表面电位差，当这个电位差达到一定的量值后，将会以电晕、击穿等发生放电，或者通过卫星结构、接地系统将放电电流耦合到卫星电子系统中，导致发生电路故障，威胁卫星安全。空间碎片撞击太阳电池同样会产生等离子体，同样会造成机械损伤。当撞击产生的等离子体密度较大时，在太阳电池自身电压作用下，等离子体和电池之间形成一个较强的电场，将直接导致电池电压下降，影响电池的输出功率。同样，等离子体放电可能会诱发卫星组件发生介质击穿，对于太阳电池阵而言，可能出现作为太阳电池片和碳纤维蜂窝板之间绝缘介质的Kapton膜被击穿的情况。激光驱动飞片方法是二十世纪八十年代末迅速发展起来的一种新型动高压加载技术。激光驱动飞片方法的原理如图1所示，在透明约束基底材料1上粘接或淀积一层金属或非金属薄膜2，制备成飞片靶，一束高强度脉冲激光3通过凸透镜4汇聚，透过基底材料入射到薄膜表面，使薄膜内表面瞬间蒸发、气化和电离，产生高温高压的等离子体5。等离子体产生的高压冲击波作用在入射区前面的薄膜上，将剩余薄膜剪切下来，并以高速驱动出去，形成超高速飞片6。激光驱动飞片是一项发射速度高且可以发射微小飞片的方法，可很好的应用于空间微小碎片的模拟，而且既可用于单次撞击效应分析，同时也可以进行累积撞击效应研究。国外已经将这一技术的发射速度提高到23km/s，国内的最高速度是中国空间技术研究院发射的13km/s。与其它技术相比，其特点是结构简单、成本较低、容易与试验容器接口、容易与其它环境因素一起组成综合环境模拟设备、没有化学污染和电磁干扰、便于试验过程的参数测量和试验结果的分析评价。然而，目前还没有一套完整的激光驱动飞片诱发放电效应试验的系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种激光驱动飞片诱发放电效应试验系统及其试验方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的。

激光驱动飞片诱发放电效应试验系统，包括激光器系统、飞片靶速度测试系统和真空室系统，所述激光器系统包括激光器、第一分光镜、第二分光镜、接收第二分光镜的折射激光的激光能量计、扩束镜和聚焦透镜；所述飞片靶速度测试系统包括用于接收第一分光镜的折射激光的第一光电探头、用于发出测束激光的第二光电探头以及与第一光电探头和第二光电探头通信连接的数字示波器；所述真空室系统包括其前部下方的用于为航天器充电样品充电的电子枪、其前部上方的撞击过程摄像系统、其上部的撞击成分实时分析系统和放电脉冲检测系统、后部上方的真空抽气系统、后部下方的温度控制系统、以及腔室内的飞片靶和样品台，其特征在于飞片靶与样品台平行且中心线在同一直线上。

其中，飞片靶包括单膜结构和多膜结构，所述单膜结构将金属薄膜直接与玻璃基底材料粘接在一起，而所述多膜结构还包括用于吸收激光的特定的烧蚀涂层和保护飞片材料的隔热材料。