一种用于卫星结构电位控制的防护装置与方法与流程

[0001]
本发明涉及一种用于卫星结构电位控制的防护装置与方法，适用于空间带电环境下的卫星结构电位控制，属于卫星充放电效应防护领域。


背景技术：

[0002]
空间环境中包含大量的等离子体和高能辐射电子，带电粒子会与卫星相互作用，从而产生充放电效应。由于卫星悬浮于太空，而空间等离子体中电子的充电速度远大于离子的充电速度，因此卫星的结构将被充电至数千的负电位(相对空间等离子体电位)。同时在光照作用下，由于光电子发射卫星表面绝缘材料充电电位幅值较低，此时卫星结构地将与表面绝缘材料形成反转电位梯度。
[0003]
国内外研究表明：反转电位梯度是造成高压太阳电池阵静电击穿的主要原因，由此诱发的二次放电严重影响着卫星在轨安全。目前，降低卫星结构电位幅值的方法只有采用电位主动控制装置，其主要原理为通过电离气体产生等离子体，将其中的电子加速发射至太空，而剩余的离子用于中和卫星结构电位。然而，电位主动控制装置不仅需要消耗星上能源、携带工质，如国际空间站上搭载的电位主动控制装置(plasma contactor unit,pcu)总重超过20公斤，功耗超过100w，而且还需要与电位监测装置搭配工作，系统非常复杂，无法得到有效空间推广应用。因此需要开发一种低功耗、轻质量、系统简单的卫星结构电位控制方法。


技术实现要素：

[0004]
本发明解决的技术问题是：提供一种用于卫星结构电位控制的防护装置与方法，适用于空间带电环境下的卫星结构电位防护与控制。
[0005]
一种用于卫星结构电位控制的防护装置，包括金属层和附着于金属层上的介质材料层，介质材料层上通过刻蚀形成若干镂空区域，镂空区域暴露出裸露金属层，裸露金属层、介质材料层和太空中真空环境三者结合处形成三电极结构；得到所述防护装置。
[0006]
所述的用于卫星结构电位控制的防护装置，所述金属层和介质材料层的厚度均为微米量级，既确保金属层和介质材料层两层材料间有较大的电场强度，同时便于后续三电极结构的加工。
[0007]
所述的用于卫星结构电位控制的防护装置，所述介质材料层应选用具有较大二次电子发射系数的材料，以确保介质层材料表面充电电位大于卫星结构电位。
[0008]
所述的用于卫星结构电位控制的防护装置，具体的一个结构为：以3um厚度的kapton为介质材料层，1um厚的cu材料为金属层，获得cu+kapton复合层材料；在kapton材料上通过刻蚀手段加工出矩形或正方形阵列结构，矩形刻蚀深度为3um，刻蚀槽宽度即裸露金属层宽度约为10um，单边长度约为500um；此时，暴露出来的cu层及周边的kapton层、太空中的真空形成三电极结构。
[0009]
一种卫星结构电位的控制方法，将任一所述用于卫星结构电位控制的防护装置置
于卫星表面，采用导电胶等方法将金属层与卫星结构连接，金属层上的电位即为卫星结构电位；将介质材料层背向卫星面向电子辐照方向，当空间中带电粒子对其表面充电时，由于所选用介质材料具有较高的二次电子发射系数，因此介质层充电电位大于金属层电位，此时将在三电极结构位置形成由介质层指向金属层的电场，介质层与金属层的电位差诱发三电极区域中的金属材料发射场致电子，场致发射电子将与介质层材料作用产生二次发射电子，由于介质层材料二次电子发射系数大，导致介质层表面电位继续增加，电场强度进一步增强，更多的场致电子被发射，最终将卫星结构积累负电荷以场致发射电子的形式泄放出来，实现卫星结构电位的控制。
[0010]
所述的卫星结构电位的控制方法，金属层和介质材料层的厚度均为微米量级，介质材料层与金属层的电位差能够产生106v/m以上的电场强度。
[0011]
所述的卫星结构电位的控制方法，具体方法为：以3um厚度的kapton为介质层，1um厚的cu材料为金属层，获得cu+kapton复合层材料；在kapton材料上通过刻蚀手段加工出矩形或正方形阵列结构，矩形刻蚀深度为3um，刻蚀槽宽度即裸露金属层宽度约为10um，单边长度约为500um；此时，暴露出来的cu层及周边的kapton层、太空中的真空形成三电极结构。
[0012]
本发明的发明点为：
[0013]
本发明提出一种可用于卫星结构电位控制的三电极复合层防护材料和方法，具有结构简单、质量轻等优点，同时无需消耗任何卫星能源，并具有较好的结构电位控制效果，为从根本上解决卫星高压太阳电池阵静电放电问题提供了一条低成本、高效率的途径。
附图说明
[0014]
图1为“三电极”复合层材料结构示意图；
[0015]
图2为复合层材料中“三电极”结构示意图；
[0016]
图3为“三电极”复合层材料卫星结构电位控制原理图；
[0017]
图4为卫星结构电位控制过程模拟试验装置示意图；
[0018]
1-裸露金属层，2-介质材料层，3-金属层，4-卫星结构，5
-“
三电极”结构，6-强电场，7-场致发射电子，8-二次发射电子，9-样品台，10-绝缘垫片，11-电缆，12-电容，13-直流电压源，14-真空系统，15-三维驱动机构，16-非接触式表面电位测量仪。17-电子枪
具体实施方式
[0019]
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0020]
如图1所示，一种用于卫星结构电位控制的防护装置：包括金属层3和附着于金属层3上的介质材料层2，介质材料层2上通过刻蚀形成若干镂空区域，镂空区域暴露出裸露金属层1，裸露金属层1、介质材料层2和太空中真空环境三者结合处形成“三电极”结构(如图2所示)。
[0021]
所述金属层3和介质材料层2的厚度均应在微米量级，既确保金属层1和介质材料层2两层材料间有较大的电场强度，同时便于后续三电极结构的加工。
[0022]
所述介质材料层应选用具有较大二次电子发射系数的材料，以确保介质层材料表面充电电位大于卫星结构电位。
[0023]
本发明还提供一种卫星结构电位的控制方法：将上述可用于卫星结构电位控制的
防护装置置于卫星表面，采用导电胶等方法将金属层与卫星结构连接，此时金属层上的电位即为卫星结构电位；将介质材料层背向卫星面向电子辐照方向，当空间中带电粒子对其表面充电时，由于所选用介质材料具有较高的二次电子发射系数(大于2.5)，因此介质层充电电位大于金属层电位(卫星结构电位)，此时将在三电极结构位置形成由介质层指向金属层的电场，如图3所示。
[0024]
由于金属层3和介质材料层2的厚度为微米量级，介质层与金属层的电位差可产生106v/m以上的电场强度，从而诱发三电极区域中的金属材料发射场致电子，场致发射电子将与介质层材料作用产生二次发射电子，由于介质层材料二次电子发射系数大，导致介质层表面电位继续增加，电场强度进一步增强，更多的场致电子被发射，最终将卫星结构积累负电荷以场致发射电子的形式泄放出来，实现卫星结构电位的控制。
[0025]
以3um厚度的kapton为介质层，1um厚的cu材料为金属层，获得cu+kapton复合层材料。在kapton材料上通过刻蚀手段加工出矩形或正方形阵列结构，矩形刻蚀深度为3um，刻蚀槽宽度即裸露金属层宽度约为10um，单边长度约为500um。此时，暴露出来的cu层及周边的kapton层、太空中的真空形成三电极结构。
[0026]
采用电子辐照的方法模拟“三电极”复合层材料对卫星结构电位控制过程，其装置示意图如图4所示，其控制过程如下：
[0027]
将“三电极”复合层材料放置于样品台9，使介质材料层2面向电子辐照方向，使用绝缘垫片10将金属层3与样品台9隔离，并用电缆11将金属层3与电容12、直流电压源13连接，其中电容12(300pf)用于模拟卫星电容，直流电压源13模拟卫星的结构电位，则相当于将“三电极”结构复合层材料置于卫星表面，并将金属层2与卫星结构连接。
[0028]
利用真空系统14将所述样品台9抽成真空状态，将直流电压源13调节-5000v，移动三维驱动机构15将采用非接触式表面电位测量仪16移至“三电极”复合层材料上方，测试获得此时的卫星结构电位，测试结果约为-4900v。
[0029]
将表表面电位测量仪16移开，开启电子枪17模拟空间电子环境，调节辐照电子能量为5.2kev，束流密度为2na/cm2，并开始辐照复合层材料，辐照5分钟后后关闭电子枪17，再次移动表面电位测量仪16移至三电极复合层材料上方，测试卫星结构电位为-3850v，并与未辐照前的测试结果进行比较，发现卫星结构电位幅值下降了1000v左右，由此可以看出“三电极”复合层材料具有较好的卫星结构电位控制效果。
[0030]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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