極軌航天器多層外表面充放電效應試驗研究

趙 宇，顏吟雪，劉業楠

（1.北京空間機電研究所；2.北京衛星環境工程研究所：北京 100094）

極軌航天器多層外表面充放電效應試驗研究

趙 宇1，顏吟雪1，劉業楠2

（1.北京空間機電研究所；2.北京衛星環境工程研究所：北京 100094）

利用空間帶電粒子輻照試驗臺進行了太陽同步軌道航天器多層組件表面充放電試驗，研究了常規與導電型（帶ITO鍍層）兩種Kapton/Al薄膜在受到帶電粒子輻照后的充放電情況和外觀變化情況。試驗結果表明，對于在近極地軌道運行的航天器，帶ITO鍍層的導電型Kapton/Al薄膜能夠有效釋放電荷、降低多層組件外表面對航天器地的電位差，本身不會形成放電損傷，比常規Kapton/Al薄膜更適合作為航天器多層外表面熱控涂層。

多層隔熱組件；充放電效應；Kapton/Al薄膜；試驗研究

0　引言

多層隔熱組件包覆于航天器外表面，可以有效地將其內部溫度場與外熱流、深冷低溫等空間惡劣環境進行隔離，是航天器熱控設計的重要手段［1］。航天器在軌運行時，空間帶電粒子入射到航天器多層組件外側表面后，電荷會不斷累積，使表面具有一定的負電位，電位絕對值最高可達上萬V。當航天器多層組件外側表面與結構地之間電位差達到一定數值時，就會發生放電現象。多層組件放電可能造成

介質擊穿損壞、光學表面污染、電子器件燒毀等嚴重后果，直接威脅到航天器的安全運行。而具有防靜電功能的多層表面介質可極大降低帶電粒子對其表面產生的影響，提高航天器熱控系統的穩定性與可靠性［2-6］。

單面鍍鋁聚酰亞胺（Kapton/Al）薄膜是航天器多層組件常用的表面涂層材料，其在空間環境中會受到帶電粒子輻射作用發生充放電效應［7-10］。本文針對太陽同步軌道航天器多層組件受高能帶電粒子輻照可能產生的影響，利用真空容器和高能電子槍等設備模擬航天器表面受空間帶電粒子輻照環境，通過試驗研究了常規Kapton/Al薄膜及導電型Kapton/Al（ITO）薄膜在軌運行時的表面充放電情況，并對試驗前后的涂層表面屬性進行比對分析。

1　多層表面充放電機理

在低地球軌道運行的遙感航天器，一般運行在太陽同步軌道即極軌區域，常遇到大通量密度的沉降電子環境和少量高能帶電粒子環境。其外表面接受的高能帶電粒子輻射總劑量約為1000 Gy/a，單個粒子能量約為1 MeV。沉降電子環境可能會引發航天器多層組件外表面涂層的充放電效應。

充電現象即為電荷建立并積累的過程。多層外側介質充電是由作用在其表面的空間電荷累積形成的結果。外形特征、表面屬性、結構材料、空間等離子體環境、空間電磁場以及太陽輻射等均能影響航天器表面充電電位水平。在空間帶電粒子輻照環境中，多種電流混合作用于航天器表面（如圖1所示），其表面電位在各種正負電流作用下于一定時間內可達到動態平衡。

圖1　多層表面電流走向圖Fig.1　Electrical currents to and from the multilayer surface

Kapton/Al的聚合物薄膜面是介質面，外側朝向深冷空間，當其與空間帶電粒子碰撞后累積負電荷，其與航天器結構體之間的電位差不斷增大，在電位差達到Kapton的擊穿極限時就會產生放電現象。多層組件（結構如圖2所示）的表面受空間充放電效應影響會形成擊穿點，造成局部破損，甚至改變涂層表面物理屬性，影響航天器溫度場。為防止多層表面充放電效應的產生，通常在其絕緣介質外表面沉積一層透明導電氧化物，用以提升其導電能力。ITO透明鍍層（氧化銦錫）是該類應用的典型代表，帶有0.025 μm厚的ITO鍍層的單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜，其絕緣介質面電阻率最大可降至1×105?/□，導電性能大大增強［11-16］。

圖2　多層組件（MLI）結構示意圖Fig.2　Structural diagram of the MLI

2　試驗研究方案

2.1研究對象和目的

本試驗以太陽同步軌道遙感器多層隔熱組件中常用的常規Kapton/Al薄膜與導電型Kapton/Al（ITO）薄膜為研究對象，模擬了典型太陽同步軌道的空間粒子輻射量，測試這2種薄膜在軌運行時受到極軌沉降電子的帶電影響。試驗的主要目的是：1）對比2種多層隔熱組件外側涂層在軌工作時受到的粒子輻射影響，主要是薄膜表面電荷積累及負電位升高情況，并對多層組件充放電過程進行監測。2）為低軌道、長壽命遙感器的熱控設計提供選材的依據，為高可靠性、高控溫精度遙感器的熱控設計提供材料熱性能參考數據。

2.2試驗原理

Kapton/Al介質材料在電子輻照環境下，由于電荷積累在材料表面產生相對于航天器結構地的電位差，同時在材料的背面產生對地的漏電流；當電位差值超過材料的擊穿閾值或真空中的放電電壓時，就會產生靜電放電。可通過監測放電電流獲得放電參數。本試驗利用充放電試驗設備（CFD-E）的電子槍產生的電子束輻射試樣，模擬極區沉降電子輻射環境的表面充電情況，測量充電電位及其隨時間的變化，確認是否發生放電。

試驗系統如圖3所示，利用電子槍產生電子輻照環境，采用TREK341表面電位測量儀、電流探頭、示波器、高阻計4種測量儀器測量充電相關參數。表面電位探頭安裝于三維平移機構上，用于在試樣表面移動掃描測量表面電位分布；電流探頭和示波器用于監測放電脈沖信號；高阻計用于測量泄漏電流，并從另一角度監測放電脈沖信號；等效接地電路用于模擬衛星地。試樣導電部位與試驗容器及試樣工裝之間須作隔離絕緣處理。

圖3　試驗系統示意圖Fig.3　Schematic diagram of the experiment system

2.3試驗方法

試驗開始前將面積為300mm×300mm的試樣正對電子束方向放置，調節好試樣表面與電位計探頭距離后，連接各類測試儀器電源并啟動真空抽氣系統。試驗開始后調整電子槍電子束流密度達到1～5 nA/cm2后，輻射試樣。每隔2 min關閉電子槍，并移動表面電位探頭對電子入射面的電位分布進行一次掃描測量，直至相鄰幾次電位分布基本穩定為止。同時監測電流探頭信號與漏電流信號，根據信號突變判斷是否發生放電。

3　試驗結果

3.1Kapton/Al試樣表面電位積累

模擬太陽同步軌道帶電粒子輻照熱控涂層表面后，常規Kapton/Al薄膜（厚25 μm）表面會積累大量電荷形成電位差，隨著時間的推移，中心電位值最大可增至-1500 V。圖4顯示了不同時間點薄膜表面電位積累情況。圖5顯示了薄膜表面電位值隨輻照時間變化情況。

圖4　Kapton/Al表面電位分布Fig.4　 Surface potential distribution of Kapton/Al

圖5　Kapton/Al表面電位隨時間變化Fig.5　Surface potential of Kapton/Al vs.time

由于電量不斷累積，在帶電粒子持續輻照117 min時，薄膜發生了放電現象。示波器觀察到了多層表面的放電信號，波形如圖6所示，其中橫坐標為時間，100 ns/div；藍色曲線為放電電壓信號，縱坐標100 mV/div；紅色曲線為放電電流信號，縱坐標200 mA/div。

圖6　監測到的放電脈沖Fig.6　The monitored discharge impulse

3.2Kapton/Al（ITO）試樣表面電位積累

導電型Kapton/Al（ITO）薄膜表面在接收電子輻照后也會聚集一定量電荷，但隨著時間的推移，中心電位值一直穩定在-40～-60 V之間。圖7顯示了不同時間點薄膜表面電位積累情況。圖8顯示了薄膜表面電位值隨輻照時間變化情況。由試驗結果可知，ITO導電鍍層能夠有效釋放電荷從而減少薄膜表面的電荷積累，避免薄膜在太陽同步軌道帶電粒子輻照影響下產生放電現象。

圖7　導電型Kapton/Al（ITO）表面電位分布Fig.7　Surface potential distribution of Kapton/Al with ITO

圖8　導電型Kapton/Al（ITO）表面電位隨時間變化Fig.8　Surface potential of Kapton/Al with ITO vs.time

3.3試樣表面形態變化

試驗前，2種Kapton/Al薄膜樣品均呈亮黃色，且表面光滑。在帶電粒子輻照試驗后通過顯微鏡觀察，常規Kapton/Al薄膜表面顏色變深，表面粗糙度增加，局部出現放電后形成的斑點和紋路；而導電型Kapton/Al（ITO）薄膜僅表面顏色變深，并無明顯放電損傷，見圖9所示。帶電粒子輻照后Kapton/Al表面粗糙度的增加會引起薄膜表面的漫散射增加，導致涂層表面的光學屬性也隨之變化。可見，多層表面涂層發生放電會加快引起材料的剝蝕老化，而帶有防靜電鍍層的導電型熱控涂層可以有效抑制材料的表面放電損傷。

圖9　試驗后2種Kapton/Al表面變化情況Fig.9　Surface morphology of two kinds of Kapton/Al samples after the charged particle irradiation

4　結論

本文通過模擬試驗研究了航天器在太陽同步軌道運行時，空間帶電粒子作用于Kapton/Al薄膜表面的充放電效應。重點記錄了參試品在試驗過程中表面電荷積累的情況及充放電現象，對比試驗結果進行綜合分析，得出以下結論：

1）當航天器在LEO運行時，其艙外多層組件Kapton/Al外側介質面會有不同程度的電荷積累，最高負電位可達到-103V；而帶有ITO鍍層的導電型Kapton/Al可以有效減少90%左右的表面電荷累積量。

2）當常規 Kapton/Al薄膜表面負電荷積累至一定程度時（試驗中表面對航天器結構地的最大電位差達到-1500 V）會發生放電現象；導電型Kapton/Al（ITO）薄膜表面的對地電位差低，不會發生放電現象。

3）Kapton/Al薄膜在接受帶電粒子輻照后參試件表面顏色會變深，經顯微鏡觀測可見其表面在發生放電后產生明顯的放電斑點和花紋，表面粗糙度增加。這說明放電效應會引起材料本身的物理損傷。

綜上所述，太陽同步軌道等航天器的多層外表面Kapton/Al薄膜會受到空間帶電粒子輻照而產生對地電位差，負電位可高達上千V，并產生充放電效應，放電后對材料本身會造成物理損傷，影響航天器熱控系統穩定運行。采用導電型 Kapton/Al（ITO）薄膜可有效抑制表面充放電現象的發生。

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（編輯：閆德葵）

Test of charging & discharging effects of multilayer insulation for spacecraft in sun-synchronous orbit

Zhao Yu1， Yan Yinxue1， Liu Yenan2
（1.Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity；2.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering： Beijing 100094， China）

On the space charged particle irradiation test-bed， an irradiation experiment on the external surface of MLI used for remote-sensing spacecraft in sun-synchronous orbit is carried out， to investigate the charging & discharging effects and the change of morphology of the general Kapton/Al film in contrast to its conductive counterpart with ITO after the charged particle irradiation.It is shown that the conductive Kapton/Al surface with ITO exhibits little surface potential difference， and there is no discharge damage observed.Thus， the conductive Kapton/Al film is more appropriate to be used as the thermal control coating of spacecraft than the general Kapton/Al film.

multilayer insulation； charging & discharging effect； Kapton/Al film； experimental study

V416.5

B

1673-1379（2015）06-0616-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.009

趙 宇（1981—），男，碩士學位，主要從事光學遙感器熱設計工作。E-mail： bestzhaoyu@163.com。

2015-03-25；

2015-12-15

某衛星可見光相機項目