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电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中表面充放电性能 柳 青1,秦晓刚1,崔新宇2,史 亮1,王 俊1,魏 佳1(1.兰州空间技术物理研究所,兰州7 3 0 0 0 0;2.中国电子科技集团公司第十八研究所,天津3 0 0 3 8 1)摘 要:针对宇航用电缆可靠性评价问题,分析了卫星用电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中的表面充放电机理,设计了地面模拟试验,并通过试验对电缆的表面充放电性能进行了研究,之后针对电缆在空间中长时间使用有可能出现破损裂痕的现象,通过试验对比对破损电缆进行了表面充放电性能的研究。研究结果表明:在地球同步轨道空间等离子体带电环境中,电缆表面电位可能达数千伏,并伴随峰 峰值数安的静电放电;破损电缆在破损处会产生放电使放电电流注入电路,可对电缆内部电路连接的其他器件产生影响。关键词:地球同步轨道;充放电;模拟试验;电缆中图分类号:O 4 6 1;V 4 4 8文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 6 0 2收稿日期:2 0 2 2 0 6 2 3;修回日期:2 0 2 3 0 2 2 0基金项目:真空技术与物理重点实验室基金资助项目(HT K J 2 0 2 0 K L 5 1 0 0 0 1)作者简介:柳青(1 9 8 0-),男,甘肃兰州人,高级工程师,学士,主要从事航天器充放电效应的研究。E-m a i l:l i u q i n g_1 9 8 01 6 3.c o mS u r f a c e C h a r g e a n d D i s c h a r g e P e r f o r m a n c e o f C a b l e i n G e o s y n c h r o n o u s O r b i t S p a c e P l a s m a E n v i r o n m e n tL I U Q i n g1 Q I N X i a o g a n g1 C U I X i n y u2 S H I L i a n g1 WANG J u n1 WE I J i a1 1 L a n z h o u I n s t i t u t e o f P h y s i c s C A S T L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 C h i n a 2 1 8 t h I n s i t u t e C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n T i a n j i n 3 0 0 3 8 1 C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r s t u d i e s t h e s u r f a c e c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g p e r f o r m a n c e o f c a b l e s i n s p a c e e n v i r o n m e n t a n d e v a l u a t e s t h e r e l i a b i l i t y o f c a b l e a p p l i c a t i o n i n a e r o s p a c e T h e s u r f a c e c h a r g e a n d d i s c h a r g e m e c h a n i s m o f s a t e l l i t e c a b l e s i n t h e g e o s y n c h r o n o u s o r b i t s p a c e p l a s m a e n v i r o n m e n t i s a n a l y z e d t h e g r o u n d s i m u l a t i o n t e s t i s d e s i g n e d a n d t h e s u r f a c e c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g p e r f o r m a n c e s o f t h e c a b l e a r e s t u d i e d t h r o u g h t h e t e s t A f t e r t h a t t h e s u r f a c e c h a r g i n g a n d d i s-c h a r g i n g p e r f o r m a n c e o f t h e d a m a g e d c a b l e w a s s t u d i e d t h r o u g h e x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n a s t h e c a b l e m a y b e d a m a g e d a n d c r a c k e d a f t e r l o n g-t e r m u s e i n s p a c e I n t h e c h a r g e d e n v i r o n m e n t o f G E O o r b i t a l s p a c e p l a s m a t h e s u r f a c e p o t e n t i a l o f t h e c a b l e w i l l r e a c h t h o u s a n d s o f V o l t s a c c o m-p a n i e d b y p e a k t o p e a k e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e o f s e v e r a l a m p e r e s D a m a g e d c a b l e w i l l p r o d u c e d i s c h a r g e a t t h e d a m a g e d a r e a i n j e c t i n g d i s c h a r g e c u r r e n t i n t o t h e c i r c u i t w h i c h c a n h a v e a n i m-1-206020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3p a c t o n o t h e r d e v i c e s c o n n e c t e d t o t h e i n t e r n a l c i r c u i t o f t h e c a b l e K e y w o r d s g e o s y n c h r o n o u s o r b i t c h a r g e d i s c h a r g e s i m u l a t i o n t e s t c a b l e 卫星在地球同步轨道(g e o s y n c h r o n o u s o r b i t,G E O)运行期间,空间等离子体及高能电子将与卫星介质材料作用产生电荷积累与泄放的作用过程,即卫星充放电效应12。研究表明,由材料表面充放电效应引起的静电击穿是造成卫星部件性能退化及失效的主要原因,而分析空间等离子体环境中材料的充放电效应,掌握其规律,可为开展空间环境充放电效应防护方法研究提供理论基础,为卫星抗静电击穿防护设计工程应用提供依据35。空间等离子体环境下材料充放电效应的研究,需根据材料形状及使用条件等因素作针对性的研究。作为卫星中最常用的材料,电缆的抗静电击穿性能好坏直接影响卫星的正常运行,需对此进行研究3。本文主要针对G E O空间等离子体带电环境特征,结合电缆在卫星中使用方式,开展空间等离子体带电环境下电缆表面静电放电的性能研究6。1 G E O环境及电缆充放电机理分析探测卫星数据表明,太阳风与地球磁场相互作用,使地球磁场及其俘获的带电离子带发生畸变。受地磁亚暴环境的影响,G E O上的卫星处于高能和低密度等离子体环境中,易发生不等量充电,并诱发静电放电事件78。等离子体是完全电离或部分电离的气体,包含的正电荷和负电荷的数目完全相等。G E O上组成等离子体的物质主要是质子和电子。电子和质子以不同的速度(能量不同)作自由运动。电子与质子的质量差别很大,质子质量约为电子的1 8 3 6倍,处于平衡状态的等离子体中,能量相同时,电子的运动速度约是质子的4 3倍。因此,当等离子体与航天器相互作用时,主要是电子对航天器表面充电9。空间等离子体中带电粒子(主要为电子)碰撞并沉积在介质材料表面,在介质材料表面附近形成电荷积累层,卫星表面带电通常分为相对带电和绝对带电2种。绝对带电是将卫星与空间等离子体环境相比较,相对带电是指因卫星表面材料结构和特性的不同而产生的卫星材料之间的相对电位差。电子沉积在卫星表面,由于卫星表面材料结构和特性不同,充放电性能不同,卫星表面材料之间存在电位差,在材料之间存在电场。电子能量范围通常为05 0 k e V9,随着沉积电荷数目的不断增加,相对带电电位差最大可达上万伏,积累电荷产生的强电场不断增大,可能在材料表面产生局部放电。介质材料局部放电电场强度阈值与材料本征特性和材料形状有关,局部放电会加速材料的击穿老化。2电缆充放电模拟试验方法理论分析表明,电缆的充放电效应是由介质材料局部放电引起的。地面模拟电缆的充放电试验,可利用电子枪模拟G E O空间环境,根据G E O空间电子最恶劣环境,选择电子能量1 4 k e V,束流密度为2.0 n Ac m-2的电子束,通过电子枪产生电子束辐照电缆样品表面,使电缆表面介质材料充电,当其表 面 电 位 达 到 一 定 阈 值 时,会 产 生 介 质 局 部放电1 01 1。试验采用外层材料为聚四氟乙烯的电缆束,将电缆束样品固定在铝蜂窝基板上,底座通过补偿电路(电容C1和电阻R1)接地,模拟卫星结构地电位,电缆通过电源D C及电阻R2组成一回路,电缆内通电流,并通过补偿电容C2模拟工作中的电缆1 21 4。图1为试验电路示意图。试验中测试电缆在表面充放电过程中的放电频率及表面充电电位。图1试验电路示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t e s t c i r c u i t在此基础上进行电缆的表面充放电试验。首先,对电缆的表面充放电性能进行研究;其次,针对电缆在空间中长时间使用有可能出现破损裂痕的现2-206020第1 4卷现 代 应 用 物 理象,对破损电缆与正常电缆在相同环境条件下的表面充放电性能的进行比较研究。2组进行比较的电缆样品结构如表1所列。电位测试位置都为2束电缆连接处,此处结构电缆较多,破损电缆破损点在其附近,充放电现象较突出。表1试验样品T a b.1 T e s t s a m p l eS a m p l e N o.D e s c r i p t i o n1R i g i d a l u m i n u m h o n e y c o m b b a s e,2 b u n d l e s,n o d a m a g e o n t h e s u r f a c e2R i g i d a l u m i n u m h o n e y c o m b b a s e,2 b u n d l e s,s u r f a c e d a m a g e d图2和图3为电缆样品实物图。图2电缆样品1(正常电缆)实物图F i g.2 P h o t o o f t h e c a b l e s a m p l e 1(n o r m a l c a b l e)图3电缆样品2(破损电缆)实物图F i g.3 P h o t o o f c a b l e s a m p l e 2(d a m a g e d c a b l e)3试验过程3.1正常电缆表面充放电试验试验在真空室中进行,将试验样品放入真空室中,电路通过电缆引出真空室。根据G E O环境参数选择能量为1 4 k e V,束流密度为2.0 n Ac m-2的电子束进行辐照,使基板电缆束试验样品表面充电。利用3维导轨定位系统将非接触式电位计探头分别移至基板电缆束试验样品碳纤维和电缆上方测量电位。采用电流探头监测并记录样品表面放电现象。在此电子枪模拟源参数条件下,正常电缆样品表面电位如表2所列。表2正常电缆样品表面电位T a b.2 S a m p l e s u r f a c e p o t e n t i a lP a r a m e t e r s o f e l e c t r o ng u n a n a l o g s o u r c e1 4 k e V,2.0 n Ac m-2M e a s u r i n g p o s i t i o nc a b l ec a r b o n f i b r eA v e r a g e p o t e n t i a l o f s a m p l e s u r f a c e/V-5 6 0 0-4 7 3 0样品串间工作电压从5 0 V开始,每隔1 0 m i n增加1 0 V。最高串间工作电压为2 0 0 V。在一定的串间工作电压下,正常电缆样品表面每1 0 m i n发生的放电次数如表3所列。表3正常电缆样品表面放电次数T a b.3 D i s c h a r g e t i m e s o f s a m p l e s u r f a c eW o r k i n g v o l t a g e/VD i s c h a r g e t i m e sW o r k i n g v o l t a g e/VD i s c h a r g e t i m e s5 001 3 006 001 4 007 001 5 018 011 6 019 001 7 001 0 001 8 001 1 001 9 001 2 002 0 01试验过程中,电流探头记录的正常电缆束试验样品典型放电波形如图4所示。由图4可见,电缆束试验样品在充电时产生了较高电位,与周围碳纤维产生放电,放电频率为0.51 h-1,放电峰值最大达到数安。图4正常电缆电缆束试验样品典型放电波形(峰 峰值波形3.1 6 A)F i g.4 T y p i c a l d i s c h a r g e w a v e f o r m o f c a b l e b u n d l e t e s t s a m p l e(p e a k-p e a k w a v e f o r m 3.1 6 A)3-206020 柳 青 等:电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中表面充放电性能第2期3.2破损电缆表面充放电试验破损电缆表面充放电试验条件与第3.1节相同,在此电子枪模拟源参数条件下,破损电缆样品表面电位如表4所列。表4破损电缆样品表面电位T a b.4 S a m p l e s u r f a c e p o t e n t i a lP a r a m e t e r s o f e l e c t r o n g u n a n a l o g s o u r c e1 4 k e V,2.0 n Ac m-2M e a s u r i n g p o s i t i o nc a b l ec a r b o n f i b r eA v e r a g e p o t e n t i a l o f s a m p l e s u r f a c e/V-5 5 4 0-4 7 1 0样品串间工作电压从5 0 V开始,每隔1 0 m i n增加1 0 V。最高串间工作电压为2 0 0 V。在一定的串 间 工 作 电 压 条 件 下,破 损 电 缆 样 品 表 面 每1 0 m i n发生的放电次数如表5所列。表5破损电缆样品表面放电次数T a b.5 D i s c h a r g e t i m e s o f s a m p l e s u r f a c eW o r k i n g v o l t a g e/VD i s c h a r g e t i m e sW o r k i n g v o l t a g e/VD i s c h a r g e t i m e s5 001 3 006 011 4 017 001 5 018 011 6 009 011 7 001 0 001 8 011 1 011 9 001 2 002 0 00试验过程中,电流探头记录的典型放电波形大多数与第3.1节相似,出现3次放电波形与其他波形不同。破损电缆束试验样品典型放电波形如图5所示。图5破损电缆束试验样品典型放电波形(峰 峰值波形1.6 4 A)F i g.5 T y p i c a l d i s c h a r g e w a v e f o r m o f c a b l e b u n d l e t e s t s a m p l e(p e a k-p e a k w a v e f o r m 1.6 4 A)由图5可见,电缆束试验样品在充电时也产生了较高电位,与周围碳纤维产生放电,放电频率约为0.5 h-1,放电峰值最大达到数安。4结果分析根据以上结果对放电波形通过理论分析可知,在真空中,电子碰撞并沉积在电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面,在聚四氟乙烯绝缘层表面附近形成电荷积累层。随着沉积电荷数的不断增加,电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面带高电压,周围碳纤维基板电位较低,因此,积累电荷产生的强电场可能在聚四氟乙烯绝缘层表面与周围碳纤维基板之间产生放电。破损电缆与正常电缆表面放电波形有部分相同,都是在电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面与基板之间的局部沿面放电,通过耦合进入电缆束内部导线形成三角波,如图4所示。破损电缆有部分波形与之不同,在电缆破损处发生放电,是破损处内部电缆芯线裸露,电缆芯线裸露电位较低,在电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面与内部电缆芯线局部之间产生强电场,当电场强度达到放电阈值时,在电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面与内部电缆芯线之间产生放电,放电电流进入电缆产生的波形如图5所示。局部放电产生的根本原因是绝缘结构中电场分布不均匀,局部电场强度过高,引起小范围内的介质击穿或放电。局部放电发生的同时,常常会伴随着复杂的物理过程,会发生电荷转移和电能损耗。5总结本文根据电缆在G E O轨道空间等离子体带电环境下的机理分析,结合电缆在卫星中的使用方式,模拟空间等离子体带电环境试验,获得了电缆表面充电电位,并监测到了电缆表面放电脉冲信号。结果表明:在G E O轨道空间等离子体带电环境下,电缆表面电位会达到数千伏,并伴随峰 峰值数安的静电放电;破损电缆在破损处会产生放电使放电电流注入电路,对电缆内部电路连接的其他器件产生影响。电缆外部聚四氟乙烯绝缘层表面在空间中受辐射环境及本身应力影响,会出现破损,导致内部电缆芯线裸露。发生局部放电时,所产生的各种形式的能量很小,短时存在并不足以引起绝缘崩溃,但由于累积效应的作用,会导致局部缺陷扩大,引起绝缘击穿。因此,需在设计中考虑防护电缆在破损处的放4-206020第1 4卷现 代 应 用 物 理电,减少放电注入电路对其他器件的影响。可在电缆外部包覆聚酰亚胺胶带,阻止因绝缘层破损而产生的放电电流注入内部电路1 51 7。参考文献 1 林璠 空间环境太阳电池阵的一次静电放电的机理与防护 J 科 技 视 界 2 0 1 8 2 5 1 2 9 1 4 91 5 1 L I N F a n M e c h a n i s m a n d p r o t e c t i o n o f t h e p r i m a r y a r c o f s o l a r a r r a y i n s p a c e e n v i r o n m e n t J S c i e n c e&T e c h n o l o g y V i s i o n 2 0 1 8 2 5 1 2 9 1 4 9 1 5 1 2 黄建国 刘国青 姜利祥 等 高压太阳电池阵诱发的航天器充电及放电机理 J 中国科学 地球科学 2 0 1 5 4 5 1 4 35 1 HUAN G J i a n-g u o L I U G u o-q i n g J I ANG L i-x i a n g e t a l M e c h a n i s m s o f s p a c e c r a f t c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g i n d u c e d b y h i g h v o l t a g e s o l a r a r r a y s J S c i e n c e C h i n a E a r t h S c i e n c e s 2 0 1 5 4 5 1 4 3 5 1 3 F E I N G MUO S s a t e l l i t e s u f f e r s p r o p u l s i o n s y s t e m f a i l u r e J J a n e s D e f e n c e W e e k l y 2 0 1 6 5 3 3 2 1 3 4 F E R GU S ON D C HO F FMANN R C C OO P E R R J e t a l 1 9 9 7-2 0 0 2 s o l a r a r r a y s t r i n g f a i l u r e s r e v i s i t e d J J o u r n a l o f S p a c e c r a f t&R o c k e t s 2 0 1 7 5 4 3 5 4 2 5 5 3 5 文森特 L 皮塞卡 空间环境及其对航天器的影响 M 北京 中 国 宇 航 出 版 社 2 0 1 1 P I S E KA V L S p a c e E n v i r o n m e n t a n d I t s I m p a c t o n S p a c e c r a f t M B e i j i n g C h i n a A s t r o n a u t i c P u b l i s h i n g H o u s e 2 0 1 1 6 朱文明 卫星在轨带电研究 C 全国抗辐射电子学与电磁脉冲 学 术 交 流 会 2 0 0 5 Z HU W e n-m i n g R e s e a r c h o n s a t e l l i t e e l e c t r i f i c a t i o n i n o r b i t C N a t i o n a l S y m p o s i u m o n A n t i R a d i a t i o n E l e c t r o n i c s a n d E l e c t r o m a g n e t i c P u l s e 2 0 0 5 7 王宏群 G E O卫星高压太阳电池阵技术应用研究 D 长沙 国防科学技术大学 2 0 1 5 WAN G H o n g-q u n R e s e a r c h o n a p p l i c a t i o n o f G E O s a t e l l i t e h i g h v o l t a g e s o l a r a r r a y t e c h n o l o g y D C h a n g s h a N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y 2 0 1 5 8 李凯 王立 秦晓刚 等 地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究 J 航天器环境工程 2 0 0 8 2 5 2 1 2 5 1 2 8 L I K a i WAN G L i Q I N X i a o-g a n g e t a l S t u d y o n c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g e f f e c t o f h i g h v o l t a g e s o l a r a r r a y i n g e o s y n c h r o n o u s o r b i t J S p a c e c r a f t E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g 2 0 0 8 2 5 2 1 2 5 1 2 8 9 张永泰 聂翔宇 刘业楠 等 太阳电池阵静电放电试验的一次放电脉冲调控 J 航天器环境工程 2 0 1 8 3 5 0 z 1 7 47 9 Z HAN G Y o n g-t a i N I E X i a n g-y u L I U Y e-n a n e t a l P r i m a r y d i s c h a r g e p u l s e r e g u l a t i o n o f e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e t e s t o f s o l a r a r r a y J S p a c e c r a f t E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g 2 0 1 8 3 5 0 z 1 7 4 7 9 1 0 李凯 秦晓刚 王立 等 高压太阳阵静电击穿效应地面模拟试验的方法 C N 1 0 1 2 7 5 9 8 9 A P 2 0 0 8 L I K a i Q I N X i a o-g a n g WAN G L i e t a l S i m u l a t i o n t e s t m e t h o d o f e l e c t r o s t a t i c b r e a k d o w n e f f e c t o f h i g h v o l t a g e s o l a r a r r a y C N 1 0 1 2 7 5 9 8 9 A P 2 0 0 8 1 1 王俊 陈益峰 李得天 等 一种在高能电子辐照下高压电缆静电放 电 试 验 的 系 统 和 方 法 C N 1 0 3 0 1 8 5 8 7 A P 2 0 1 3 WAN G J u n C HE N Y i-f e n g L I D e-t i a n e t a l A s y s t e m a n d m e t h o d f o r e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e t e s t o f h i g h v o l t a g e c a b l e u n d e r h i g h e n e r g y e l e c t r o n i r r a d i a t i o n C N 1 0 3 0 1 8 5 8 7 A P 2 0 1 3 1 2 杨垂柏 梁金宝 王世金 地球同步轨道航天器太阳电池阵静电放电监测方法初探 J 太阳能学报 2 0 0 8 2 9 2 1 3 51 3 8 YAN G C h u i-b a i L I AN G J i n-b a o WAN G S h i-j i n M o n i t o r i n g m e t h o d f o r s o l a r P V a r r a y E S D o f G E O s p a c e c r a f t J A c t a E n e r g i a e S o l a r i s S i n i c a 2 0 0 8 2 9 2 1 3 5 1 3 8 1 3 李存惠 柳青 杨生胜 等 高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究 J 航天器环境工程 2 0 1 7 3 4 2 1 9 01 9 4 L I C u n-h u i L I U Q i n g YAN G S h e n g-s h e n g e t a l C h a r a c t e r i s t i c s o f e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e s i g n a l o n t h e h i g h v o l t a g e s o l a r a r r a y J S p a c e c r a f t E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g 2 0 1 7 3 4 2 1 9 0 1 9 4 1 4 郝建红 黄赛 赵强 等 G E O航天器表面充电效应及电流分布特性分析 J 河北师范大学学报 自然科学版 2 0 2 0 4 4 6 3 94 5 HAO J i a n-h o n g HUAN G S a i Z HAO Q i a n g e t a l A n a l y s i s o n s u r f a c e c h a r g i n g e f f e c t a n d c u r r e n t d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f G E O s p a c e c r a f t J J o u r n a l o f H e b e i N o r m a l U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n 2 0 2 0 4 4 6 3 9 4 5 1 5 S H I N G H K I M D G KWON S J e t a l S i m u l a t i o n a n d g r o u n d t e s t f o r t h e s o l a r a r r a y u s i n g G a I n P G a A s G e c e l l s f o r s p a c e v e r i f i c a t i o n J T h e J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y 2 0 1 9 7 4 1 1 1 0 7 9 1 0 8 4 1 6 F E R GU S ON D C P L I S E A HO F FMANN R e t a l A p r o v e n m e t h o d t o p r e v e n t s o l a r a r r a y a r c i n g i n G E O-b u l k-c o n d u c t i v e c o v e r g l a s s e s C A I AA S c i t e c h 2 0 2 0 F o r u m 2 0 2 0 1 7 张帆 葛圣胤 刘智 空间高轨高压太阳电池阵静电防护技术研究 J 装备环境工程 2 0 1 8 1 5 7 5 5 6 0 Z HAN G F a n G E S h e n g-y i n L I U Z h i E S D p r o t e c t i o n o f G E O ME O o r b i t h i g h-v o l t a g e s o l a r c e l l a r r a y s J E q u i p m e n t E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 2 0 1 8 1 5 7 5 5 6 0 5-206020 柳 青 等:电缆在地球同步轨道空间等离子体环境中表面充放电性能第2期