激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法制造方法及图纸

本申请公开了一种激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法，该装置包括位于真空腔外的激光光源、分光镜、能量分析器；位于真空腔内的拍照系统、航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置；位于真空腔上的玻璃窗口、低能带电粒子源和等离子体源；低能带电粒子源和所述等离子体源位于玻璃窗口的两侧，低能带电粒子源发射的低能带电粒子能够被航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收，等离子体源发射的等离子体能够被航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收。根据本申请的实施例能够准确评价航天器表面材料或组件在太空等离子体或低能带电粒子作用下的耐受激光诱发静电放电的能力。用下的耐受激光诱发静电放电的能力。用下的耐受激光诱发静电放电的能力。

【技术实现步骤摘要】
激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法


[0001]本申请涉及航天器空间环境效应试验
，特别涉及激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法。

技术介绍

[0002]航天器在轨运行期间，将处于等离子体或低能带电粒子环境的包围之中，等离子体或低能带电粒子环境将于航天器的表面材料或组件相互作用，使航天器材料或组件表面积累电荷，从而引起航天器表面之间、表面与深层之间、表面与航天器结构地之间产生表面电位差，当这个电位差达到一定的量值后，将会以电晕、击穿等发生放电，导致表面材料或组件的放电损伤，使太阳电池阵损毁及其发电效率下降，表面导电热控材料烧毁击穿等，甚至放电电流耦合到航天器电子系统中，导致航天器发生电路故障。
[0003]激光中的高能光子作用在材料或者物质上之后，由于热效应或激波效应会导致材料局部出现热熔化或出现等离子体喷溅，这些等离子体的喷溅物由于在轨期间的电荷携带而具备导电作用。由于喷溅的等离子体具有的导电作用为不同带电物体之间提供了导电通道，以及材料表面的熔融损伤，导致带有一定电位的材料或者组件更容易引发放电击穿。
[0004]在航天器充放电效应研究方面，目前开展大量的地面模拟试验和在轨飞行试验研究。比如宇航学报《低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验》中提出了低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验，并在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象；航天器环境工程《地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究》中重点分析了高压太阳电池阵表面ESD（Electro
‑
Static discharge，静电放电）和二次放电产生的物理过程,并利用负高压偏置方法开展了GEO（geosynchronous orbit，地球同步轨道）高压太阳电池阵表面ESD和二次放电地面模拟试验，试验验证了反转电位梯度电场是导致GEO高压太阳电池阵表面产生ESD的触发因素之一,同时得到了砷化镓高压太阳电池阵样品表面产生ESD和二次放电的电压阈值；高电压技术《空间环境下航天器材料表面带电性能试验方法》中提出了空间环境下航天器材料表面带电性能试验方法，遥测遥控《等离子体对空间飞行器表面充电效应探测研究》研究了等离子体对空间飞行器表面充电效应探测技术；中国专利申请CN109932607A公开了一种空间辐射环境强电磁场诱发静电放电试验系统，中国专利申请CN104144550A公开了航天器表面充放电效应防护方法，中国专利申请CN102507717B公开了一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法，但这些文章及专利技术专利涉及航天器太阳电池阵的表面充放电效应研究和航天器在轨表面充电电位监测技术研究、表面充放电效应的地面模拟和在轨试验。相关文章及专利均未涉及到空间激光对航天器表面充电和放电相关的研究，更未建立空间激光诱发表面材料或组件的静电放电的测试框架，需要研究者深入研究。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种激光诱发航天器材料或组件
放电的试验装置和测试方法，能够解决至少一种技术问题。
[0006]本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置包括：位于真空腔外的激光光源、分光镜、能量分析器、真空系统和微电流计；位于所述真空腔内的拍照系统、污染成分实时监测系统、污染监测装置、温控装置、航天器表面材料或组件的样品、样品台、物理量监测装置和样品表面电位监测装置；位于所述真空腔上的玻璃窗口、低能带电粒子源和等离子体源；其中，所述玻璃窗口能够使所述激光光源发射的激光入射到所述真空腔内并被所述航天器表面材料或组件的样品接收；所述低能带电粒子源和所述等离子体源位于所述玻璃窗口的两侧，所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收，所述等离子体源发射的等离子体能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收；所述分光镜位于所述激光光源与所述玻璃窗口的中心连接线上，所述分光镜能够使所述激光光源发射的激光按一定比例入射到所述能量分析器内；所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置位于所述温控装置上，所述温控装置位于所述样品台上，所述温控装置能够调节所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置的温度；所述拍照系统能够记录所述激光光源发射的激光入射到所述航天器表面材料或组件的样品表面的溅射过程、拍摄所述航天器表面材料或组件的样品的形貌和拍摄航天器表面材料或组件的样品表面的放电过程；所述真空系统能够使所述密封腔内保持真空环境；所述微电流计能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的放电脉冲信号；所述物理量监测装置能够监测等离子体的密度或低能带电粒子的通量；所述样品表面电位监测装置能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的表面电位。
[0007]可选的，还包括遮挡装置和测试与控制系统；所述遮挡装置设置在所述真空腔内，位于所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置前方，防止所述低能带电粒子源和所述等离子体源分别发射的带电粒子和等离子体损伤所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置；所述测试与控制系统用于控制所述激光光源、所述低能带电粒子源、所述等离子体源、所述能量分析器、真空系统、污染成分实时监测系统、拍照系统、温控装置、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置的工作状态。
[0008]可选的，所述激光光源包括1064nm脉冲光源、532 nm脉冲光源、355 nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种；所述低能带电粒子源包括低能电子源或质子源；所述等离子体源包括微波等离子体源。
[0009]可选的，所述温控装置由高温控制部件和低温控制部件组成，其中高温控制部件使用电加热丝，低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为
‑
80℃～+120℃。
[0010]可选的，所述物理量监测装置包括朗缪尔探针和法拉第杯；其中，所述朗缪尔探针用于监测所述等离子体源发射的等离子体的密度，所述法拉第杯用于监测所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子的通量。
[0011]本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法基于上述的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，所述测试方法包括：
分析航天器表面材料或组件在轨服役环境；确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数；确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制。
[0012]可选的，所述分析航天器表面材料或组件在轨服役环境包括：根据航天器的轨道高度和航天器表面材料或组件分析航天器表面材料或组件面临的充电环境、温度和航天器表面材料或组件表面带电模拟参数。
[0013]可选的，对低地球轨道，充电环境包括等离子体；对中地球轨道和地球同步轨道，充电环境包括低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
中任一项所述的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，所述测试方法包括：分析航天器表面材料或组件在轨服役环境；确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数；确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制。7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述分析航天器表面材料或组件在轨服役环境包括：根据航天器的轨道高度和航天器表面材料或组件分析航天器表面材料或组件面临的充电环境、温度和航天器表面材料或组件表面带电模拟参数。8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，对低地球轨道，充电环境包括等离子体；对中地球轨道和地球同步轨道，充电环境包括低能带电粒子。9.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数包括：确定低能带电粒子或等离子体和航天器表面材料或组件的样品的试验参数，其中，低能带电粒子的能量范围为0.1keV～30keV, 通量为103～10
10
cm
‑2s
‑1；等离子体环境的温度小于5℃，等离子体密度为106～10
12
cm
‑3；航天器表面材料或组件的样品的温度范围为
‑
60℃～+60℃。10.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，并配合使用物理量监测装置监测等离子体或者低能带电粒子的通量，以及使用样...

【专利技术属性】
技术研发人员：王月，欧阳晓平，沈自才，姜丙凯，鲍子臻，曹志强，李子平，
申请(专利权)人：北京天工科仪空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：