[00143700]空间介质材料带电特性参数测量技术及应用

充放电效应是导致卫星在轨故障的重要因素,统计表明在由空间环境效应诱发的卫星故障中超过50%。我国多型卫星在轨故障频发,如：尼日利亚卫星太阳帆板驱动机构发生严重放电,引起整星失效,某预警卫星主备份测控放大器先后失效,某导航卫星多次发生太阳帆板复位和逆转故障等,充放电效应已成为制约我国卫星在轨安全运行的重要瓶颈问题之一。尤其近些年是我国航天重大工程实施和军用卫星批量装备进入高峰期,导航卫星运行在更恶劣的新环境,大型天线等新载荷,空间电推进和更大功率供配电系统等新技术,这些新变化导致卫星充放电效应问题更加突出。 在国家安全重大基础研究（国防973）等项目支持下,紧密结合我国应用卫星研制需求,突破了多项关键技术,极大提高了我国在该领域的研究水平,部分研究成果达到国际先进水平。 发明点1空间介质材料带电特性参数测量技术 介质材料带电特性参数是航天器设计的材料选用和仿真研究的重要参数,本项目面向空间应用需求,发明了脉冲电子辐照法二次电子发射系数、全光谱辐照法光电子发射系数及介质材料辐射诱导电导率测试方法,国内首次采用电荷衰减法测试材料本征电导率,解决了常规测试方法无法适用空间带电环境的难题,实现了星用材料特性参数的精确测试。建立了6种带电特性参数测试装置,形成了全面的星用材料带电特性参数测试标准。 发明点2整星带电分析软件 影响卫星表面带电的因素众多,包括带电环境因素（等离子体密度和能量等）、材料特性参数（体电导率、表面电导率、二次电子、光电子系数等）、卫星结构（形状、尺寸、布局等）,对卫星表面带电进行数值仿真,必须针对卫星的结构和表面材料组成构建合理的三维模型,并充分考虑充电过程的动态特性。本项目基于并行计算等超算方法,发明了多重贯穿网格划分和自适应控制加速方法,从时间尺度和空间尺度对表面带电仿真分析方法进行优化,将计算效率提升了7000多倍,实现了卫星复杂结构精确建模和高效仿真。突破了多时标粒子推动和多尺度粒子运动仿真技术,解决了多类型、多能态粒子同步计算问题,实现了天然/人为等离子体带电效应、冷稠等离子体/极光电子带电效应仿真分析。研制了高效高精度的整星带电仿真分析软件,仿真结果与地面试验结果相比偏差小于17%,优于国外同类型软件水平。 发明点3充放电效应测试评价技术 由于空间带电环境复杂,不同带电环境下卫星部件的充放电效应呈不同形式,必须针对不同带电环境和卫星部件复杂结构带电评级需求建立不同的测试评价方法。本项目发明了多电子枪模拟宽能谱等离子体环境的带电评价新方法,实现了空间单/双麦克斯韦能谱等离子体特性的等效表征,解决了表面带电试验中环境参数选取问题,提高模拟试验精度;发明了极轨尾区带电缩比试验测试新方法,国内首次地面获得了尾区“离子真空区”特性 ,实现了极轨卫星大尺寸结构尾区带电特性模拟;解决了高能电子试验参数选取和多样品放电测量干扰问题,国际上首次建立了MEO强流高能电子辐照的内带电效应试验评价方法,与传统方法相比,将试验效率提高了300倍以上,缩短了大型试验的周期,节约了试验经费。 发明点4应用技术 本项目基于评价测试新技术和仿真分析技术成果,结合表面工程技术发明了用于空间高压太阳电池二次放电防护的导电复合透明薄膜,可将太阳电池安全工作电压由低轨80V高轨70V提高到200V以上;结合纳米技术发明了基于导电聚合物纳米材料的内带电防护涂层材料,其电阻率在1E11Ωcm~1E15Ωcm范围内可控,可将放电减少90%以上。 该项目技术复杂、难度大、创新性强,拥有多项自主知识产权,出版专著2部,制订航天行业标准6项,授权发明专利16项,获得软件著作权1项,所涉及技术全部自主可控,总体技术水平达到国际先进水平,其中在内带电效应评价技术等方面达到国际领先水平。成果已在空间站及上百颗业务卫星中成功应用,近三年累计经济效益达到5500万元。该项目对于完善我国卫星带电防护技术体系并保障卫星在轨可靠运行具有重大促进作用,军事和经济效益显著,应用前景广阔。