[科普中国]-航天器内部充电

航天器内部充电又称深层充电、体内充电或浸入充电。由于大量具有足够能量的带电粒子透过航天器表面进入内部，在电介质中积累而形成层间电荷结构的过程。它是由空间环境中几百千电子伏特以上的高能电子辐引起的一种航天器效应。航天器内部充电一般是一个缓慢的积累过程。

简介航天器内部充电又称深层充电、体内充电或浸入充电。由于大量具有足够能量的带电粒子透过航天器表面进入内部，在电介质中积累而形成层间电荷结构的过程。它是由空间环境中几百千电子伏特以上的高能电子辐引起的一种航天器效应。航天器内部充电一般是一个缓慢的积累过程。电荷积累速率主要与介质电导率、单位时间人射粒子通量以及电场强度有关。如果大量带电粒子在介质内部沉积，则可形成强大的静电场，一旦电场强度超过介质的击穿值就会引发击穿放电，产生电磁脉冲，对航天器构成威胁，甚至造成航天器失效1。

对航天器充电现象主动控制装置的一般要求所谓主动控制，就是航天器通过发射人造带电粒子的方法对空间带电粒子环境作出主动响应， 以期对航天器表面入射和出射的带电粒子间的平衡进行自动调节，使航天器与空间等离子体等电位。

一个理想的主动控制装置必须具备:

1)有感测与空间等离子体间电位差的能力；

2)有钳制航天器电位使之接近于零或是不超过设定值的能力；

3)它运转时对航天器上的各种控制和观测装置的影响不超过允许值；

4)不会对航天器的“飞行动力学系统产生超过允许值的干扰；

5)它还必须在重量、能源消耗及运转可靠性方面有良好的性能。

航天器充电现象的主动控制装置众所周知，位在等离子体环境中的物体，由于等离子体与物体表面间的相互作用，表面将达到它的平衡电位。此平衡电位的高低与物体的结构，与表面材料的性质以及空间带电粒子环境的参数有关。当航天器位在光照区且磁层处于宁静期时，由于航天器表面的光电发射电流略大于入射的环境电子流，航天器表面处于轻微的正电位。当航天器位于光照区而遇到磁层亚暴时，由于环境高能电子的注入，航天器表面被充电到相当的负电位，最为严重的是当航天器处在星食期而又值发生磁层亚暴时，航天器表面会达到上万伏的负电位。由此，航天器充电现象的主动控制是要解央表面很高的负电位以及严重的不等量带电问题。适于此种应用的装置，主要有电子释放装置及等离子体电荷中和和释放装置。

无偏置电位的低能电子释放装置的空间试验已经证明，此类装置有较大的局限性。由于航天器表面不等量带电在航天器周围空间形成了静电阻挡层，该装置释放的低能电子如不能超越静电阻挡层便返回航天器表面而失去控制表面充电的能力。通常这类装置释放的电子仅具有几个ev的能量，因此，它只在表面充电不严重时有较明显的控制作用，而在表面充电到较高的负值时该装置释放电子的能力便受到抑制，或说不能使航天器表面电荷充分释放。提高此类装置性能的方法是采用自动电位偏置。与电子释放装置相比，等离子体装置在控制航天器充电方面具有更为优越的性能，它兼有电荷中和以及释放电子电荷的能力。而且环绕航天器的等离子体云本身亦具有相当的电导，它可使航天器表面的不等量充电变得平缓，从而有利于航天器电位的进一步下降2。

内部充放电的一般特征内部充电诱发的异常与高能电子通量水平相关联、高能电子主要分布在外辐射带区域，对于外辐射带两个航天器密集分布的区域MEO和GEO。因为包含了外辐射带中高能电子的峰值区域(3- 5Re)，前者面临的内部充电危险性更高。

内部充电异常通常是在高能电子增强条件下发生的，典型的高能电子增强事件通常由大的地磁暴触发的，电子通量水平比平时高出1-2个量级甚至更高，又称高能电子暴，长期观测显示，高能电子增强事件与太阳活动周期大致呈反相位关系。因此，在太阳活动低年恰恰是内部充电及放电的危险期和相关异常的高发期。

内部充电是个累积过程，充电达到平衡的时间主要取决于高能电子通量水平及介质的电导率；而放电是个瞬发过程，除取决于充电水平的高低外，还取决于外界触发条件。内部充电过程包括充电和电荷泄露两个过程，电子通量决定着充电时间的长短，而介质电导率决定着电荷泄漏的快慢。在空间辐照环境下，介质的电导率除固有电导率外又增加了随辐射环境改变的辐射诱发电导率。根据CRESS卫星的试验结果，在材料经过数月的充分辐照后开始观测到放电脉冲，另外，不同材料在辐照环境下放电特性大不相同，例如FR4(电路板材料)在经过充分的辐照后放电脉冲频次增加，意味着其辐射诱发电导率可能随着辐照剂量的增加而减小，所以存储电荷的能力增强，从而可以充到较高电位而产生放电；而聚四氟乙烯(PTFE)的放电特征则相反，在卫星发射后很快就观测到放电脉冲，但随后却很少出现。一个可能的解释是材料在经过充分的真空暴露后电导率降低，对于FR4材料，辐射诱发电导率的增加小于充分放气后其固有电导率的减小量，总的电导率降低，使之容易充到高电位而发生放电;而PTFE材料的固有电导率减小量大于辐射诱发电导率的增量，总电导率增加，因而不容易发生放电。

介质材料的放电十分复杂，当充电产生的电场超过材料的耐受阈值时发生自然击穿放电，通常认为充电达到10⁷V/m很容易发生放电，具体放电阈值因材料不同而有所变化。充电导致的自然击穿放电外，一些外部的环境扰动也可能导致放电提前发生，空间碎片撞击、材料出气等因素都可能成为诱发因素C0.11 ，这使得对卫星内部放电诱发异常的分析和诊断更加困难、实验已经证实，空间碎片撞击高充电部位可以诱发放电，碎片的超高速撞击会抛射等离子云团，在已经形成高电位差或电场的部位建立放电通道，从而引发高充电部位提前发生放电。对介质材料内部放电的触发机理尚待深入研究，这可以为ESD异常诊断提供新的线索3。

本词条内容贡献者为:

任毅如 - 副教授 - 湖南大学