基于空间充放电效应的航天器功率传输结构电场特性研究

作     者：谢鹏敏 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈琪

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：空间充放电效应 深层充电 辐射诱导电导率 功率传输 

摘      要：航天器运行于空间环境中,将遭遇多种空间环境因素的影响,其中具有重要影响的是空间带电粒子,由此产生的空间充放电效应是造成卫星故障的重要原因之一。功率传输结构作为卫星能源系统重要部件,极易成为充放电效应侵害的对象,其一旦故障,则整星失效。近年来,随着高电压大功率航天器能源系统的广泛应用,对能源系统的设计、制造及防护要求也日益提高。本文针对功率传输结构的充放电效应问题,采用数值模拟及实验研究相结合的方法,从材料级和结构件级两个方面展开研究,并在设计制造及防护方面提出优化措施。空间充放电效应的本质是空间带电粒子与航天器材料之间的相互作用。本文基于带电粒子衰减机理及蒙特卡罗统计方法,针对功率传输结构常用材料-铝和聚酰亚胺,采用GEANT4等粒子输运模拟软件,对带电粒子在材料中的输运特性、沉积特性及能量衰减情况等进行了模拟分析,并基于深层充电模型及辐射诱导电导率模型等经验公式,对材料内辐射诱导电导率特性及电场分布特性进行了理论分析。航天器功率传输结构复杂,包括高功率导电环组件及绝缘介质材料,存在较大充放电效应风险。本文针对功率传输通道简化结构,采用基于GEANT4的二次开发软件,模拟了电子束辐射下结构内电场特性分布,并分析了入射粒子能量、结构件自身几何参数等因素对充电结果的影响；后搭建深层充电实验平台,采用电子束辐射功率传输结构表面,在接地、接高压及悬浮等三种不同工况下对绝缘材料表面充电电位进行测量,分析表面充电电位随辐射时间的变化规律,并验证几何参数对充电结果的影响。研究结果表明,绝缘材料电导率是决定材料是否发生放电的重要因素；空间粒子能量大小、结构件自身几何参数等因素对于功率传输结构充电结果影响明显；功率传输结构自身工作电压对充电电位起到抵销作用;尽量使功率传输结构内绝缘材料接地,这有助于减小充放电效应风险。