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空间粒子辐射对航天器充放电效应的分析与研究

徐颖  
【摘要】: 空间环境是影响航天产品可靠性的重要因素之一,其中粒子辐射引起的辐射剂量效应和单粒子效应,在我国航天产品的可靠性设计中有一定的考虑,但是充放电效应在我国航天产品的可靠性设计中还缺少足够的重视,多颗卫星因此而出现异常或故障,如2010年4月上旬发生的一次高能电子增强事件,使我国多颗卫星因充放电而出现异常。 导致这一状况的原因是:我国航天器充放电效应研究工作相对薄弱,工程人员缺少充放电基本知识和防护设计分析能力,航天器产品的相关设计分析要求不够明确。为此本文在大量调研的基础上,经过分析、研究,凝练出航天产品充放电效应工作要求,以期系统地给出航天器充放电效应的机理、充放电效应的分析方法、防护设计要求、试验验证和该专项工作的流程等,为航天工程设计人员提供一个简便、可操作的指导文件。 本文第二章论述了航天产品可靠性要求,第三章给出了航天器表面充放电和深层充放电机理以及对航天器的可靠性影响,第四章和第五章重点给出了充放电效应分析方法以及防护设计要求,第六章明确了试验验证方法,最后第七章给出了专项工作流程和效果考核方法。 分析航天器充放电效应、评估其危害是整个充放电效应专项工作的基础,也是防护设计的前提和依据,目前国内外航天器充放电效应大多采用大型的仿真软件,虽有利于精确分析,但专业性强,不利于航天各级产品的设计中广泛应用和推广,对各航天产品的应用缺乏可操作性。第四章先分析了充放电严重等级,然后从航天器表面和深层充放电的机理出发,分别给出了简便的、可操作的表面和深层充放电分析、评估方法,便于普通工程设计人员分析、评估和展开防护设计。其中,首次凝练出的深层充放电分析方法,通过空间电子能谱、屏蔽,估算材料的充电电流,结合材料的击穿电压或放电时间常数,评估材料充放电危害。该方法机理明确,计算过程简便,易于工程应用。该章最后简单介绍了国外广泛采用的几种大型软件情况。 在第五章中,通过大量的调研工作,参考相关航天规范,依据充放电机理,系统地归纳、总结了充放电防护设计要求,包括表面充放电设计准则、材料控制、接地、材料电容等具体要求,和深层充放电设计准则、充电源头控制、沉积特性控制、放电危害传播控制等要求,并给出了航天产品需要重点关注的部件。 本文是我国首次系统地总结归纳了航天产品充放电效应的专项工作。希望为我国航天工程人员在充放电效应的专项工作方面提供帮助,以提高我国航天产品的可靠性。


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