多層隔熱組件內(nèi)帶電電流技術(shù)研究

多層隔熱組件內(nèi)帶電電流技術(shù)研究

由于空間平等和高速電子，振動(dòng)源對(duì)模擬器的安全運(yùn)行沒(méi)有影響。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，佛法對(duì)儀器異常的故障率為54%。多層隔熱組件（Multi-LayerInsulation,MLI）包覆于航天器外表面，占據(jù)了60%以上的整星表面，既是重要的熱控組件，同時(shí)也是抑制空間強(qiáng)電磁環(huán)境源的關(guān)鍵載體地球同步軌道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）接近外輻射帶的邊緣，該軌道存在高密度的高能粒子（捕獲電子為主），能量在0.04～5MeV之間的電子占總數(shù)的絕大部分。根據(jù)NASA-HDBK-4002A,100keV電子約能夠穿透100μm等效鋁厚度，大致相當(dāng)于1層面膜和17層10μm反射屏的等效鋁厚度。因此，GEO高能電子能夠輕易穿透MLI面膜，沉積于MLI內(nèi)部介質(zhì)材料，引發(fā)內(nèi)帶電效應(yīng)。MLI屬于不同電學(xué)特性的多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)蓬松，層間有不規(guī)則空隙，10單元MLI厚度約為1～5mm緊扣MLI的特殊復(fù)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提煉了影響充放電的核心因素，建立了具有針對(duì)性的內(nèi)帶電物理模型和計(jì)算模型，實(shí)施了10單元MLI的電子輸運(yùn)和內(nèi)帶電仿真，并對(duì)MLI滌綸網(wǎng)電荷沉積率、劑量率和三維內(nèi)建電場(chǎng)的分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析。本文的研究成果可為航天器多層隔熱組件靜電防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1多段隔熱材料的電線模型從MLI的層狀、蓬松、多材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的角度出發(fā)，分析MLI的內(nèi)帶電機(jī)理，建立相應(yīng)的內(nèi)帶電模型。1.1滌綸網(wǎng)內(nèi)合作帶航天器在軌運(yùn)行階段，表面溫度變化范圍在-200～200℃之間。MLI可有效地將其內(nèi)部溫度場(chǎng)與外熱流、深冷低溫等空間惡劣環(huán)境進(jìn)行隔離，是航天器熱控的一種重要手段。MLI一般由一定數(shù)量的反射層和間隔層以及面膜組成，利用反射層的高反射率阻止隔熱層間的輻射傳熱從而實(shí)現(xiàn)高效隔熱MLI面膜選用低太陽(yáng)吸收比、高紅外發(fā)射率的薄膜，厚度為25～75μm，表面電阻率≤10間隔層一般采用經(jīng)熱定形處理、耐真空輻照的滌綸網(wǎng)，或者是經(jīng)高溫烘烤處理的高硅氧玻璃纖維布。選取間隔層為滌綸網(wǎng)的MLI進(jìn)行內(nèi)帶電效應(yīng)研究。滌綸網(wǎng)無(wú)法直接接地，內(nèi)部沉積電荷只能通過(guò)反射屏接地遷移。同時(shí)，受在軌運(yùn)行過(guò)程中太陽(yáng)輻照熱效應(yīng)的影響，MLI整體為一個(gè)相對(duì)蓬松的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。反射屏與滌綸網(wǎng)之間不是緊密結(jié)構(gòu)，而且縫合的針腳距一般為50mm，則理論上滌綸網(wǎng)非接地尺度可達(dá)厘米級(jí)，因而，滌綸網(wǎng)非接地部位沉積電荷的最短遷移路徑尺寸也可高達(dá)厘米級(jí)。ESA標(biāo)準(zhǔn)ECSS-E-ST-20-06《空間工程-航天器帶電》及NASA指南NASA-HDBK-4002A《空間帶電效應(yīng)減緩指南》均指出航天器內(nèi)帶電效應(yīng)主要發(fā)生于毫米級(jí)厚度介質(zhì)體材料，即最短電荷遷移路徑在毫米量級(jí)就有內(nèi)帶電風(fēng)險(xiǎn)。滌綸網(wǎng)非接地尺度可達(dá)厘米級(jí)，其內(nèi)帶電效應(yīng)引起的放電風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，以滌綸網(wǎng)作為充放電仿真的核心對(duì)象。進(jìn)一步考慮到反射屏為雙面鍍金屬膜材料，由金屬的靜電屏蔽原理可知，反射屏內(nèi)部沉積電荷不影響滌綸網(wǎng)的充放電過(guò)程，反之亦然。因此，每個(gè)單元滌綸網(wǎng)的充放電過(guò)程是獨(dú)立的，不同單元滌綸網(wǎng)充放電仿真可單獨(dú)進(jìn)行。1.2電導(dǎo)率的分布MLI介質(zhì)內(nèi)帶電過(guò)程可分為電荷輸運(yùn)與沉積（即高能電子與靶材料相互作用的微觀物理過(guò)程）以及沉積電荷再分布，建立介質(zhì)內(nèi)電位和電場(chǎng)的過(guò)程式中：J為介質(zhì)的傳導(dǎo)電流密度和位移電流密度之和，即其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε和σ分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率；電導(dǎo)率σ是本征電導(dǎo)率σ利用電場(chǎng)強(qiáng)度E是電位U的負(fù)梯度，式（1）變?yōu)殡娢籙的單變量方程：對(duì)于航天器內(nèi)帶電，通常只考慮絕緣邊界和接地邊界條件，其表達(dá)式為式中：S2多段隔熱組件的電子運(yùn)輸模式基于GEANT4(GeometryandTracking）數(shù)據(jù)工具包2.1多層結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)合內(nèi)帶電理論模型和MLI隔熱材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，表明電子輸運(yùn)過(guò)程具有整體特性，即任何一個(gè)部位的輸運(yùn)電子理論上可來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的其他部位，需要建立完整的多層結(jié)構(gòu)才能得到正確的電子沉積和劑量率分布。因此，本文完全按照多層結(jié)構(gòu)三維幾何參數(shù)進(jìn)行精確建模和模擬，其MLI結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對(duì)10單元低溫MLI，基于GEANT4進(jìn)行電子輸運(yùn)模擬建模，其中反射屏厚度取最大值10μm。滌綸網(wǎng)簡(jiǎn)化成正方形網(wǎng)格，4個(gè)網(wǎng)孔km2.2電子能量下限輸運(yùn)模擬電子能譜采用Flumic3(FluxModelforInternalCharging,Flumic）模型式中：式中：flux(x）代表能量大于x(MeV）的電子通量，m由于MLI各單元材料厚度均為微米量級(jí)，因此，對(duì)該模型電子能量下限延伸至0.01MeV。2.3電子沉積率和劑量率通過(guò)72h軟件計(jì)算，完成了1.5億個(gè)電子入射的輸運(yùn)模擬。模擬中電子束最低能量為10keV，通量為GEO惡劣情況數(shù)據(jù)flux(E>10keV)=4.89×10由于反射屏充放電風(fēng)險(xiǎn)小，本文充放電仿真主要考慮層間滌綸網(wǎng)，輸運(yùn)模擬結(jié)果中已將反射屏的電荷沉積和劑量率數(shù)據(jù)剔除。圖3和圖4給出了GEO最?lèi)毫榆壍拉h(huán)境10單元MLI內(nèi)部電荷輸運(yùn)過(guò)程中，滌綸網(wǎng)材料內(nèi)部電子沉積率和劑量率，對(duì)比可以看出：電子沉積率與劑量率（能量沉積率）隨深度（多層單元離電子入射表面所處深度）衰減，近似呈線性關(guān)系。一般情況下，大系統(tǒng)中的小尺度滌綸單絲，極難有可觀的電子沉積和能量沉積，更何況高能電子具有很強(qiáng)的穿透性，大量電子都可直接穿透MLI。但由圖4可知，滌綸網(wǎng)的電子沉積率和劑量率在數(shù)量上依然十分可觀。其主要原因由于MLI作為衛(wèi)星表面組件接收的高能電子輻射總通量大。在總?cè)肷淞Ｗ踊鶖?shù)大的前提下，入射電子依然具有能量廣譜性和輸運(yùn)隨機(jī)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致滌綸單絲上依然有一定概率的電荷沉積和能量沉積行為，即發(fā)生可觀量級(jí)的充電過(guò)程。3充電平衡狀態(tài)下滌綸網(wǎng)內(nèi)建電場(chǎng)分布根據(jù)前文分析，單獨(dú)考慮每層滌綸網(wǎng)，以電子沉積率和劑量率模擬數(shù)據(jù)為輸入，根據(jù)1.2節(jié)所述內(nèi)帶電物理模型，采用COMSOLMultiphysics軟件計(jì)算充電平衡狀態(tài)下滌綸網(wǎng)的三維內(nèi)建電場(chǎng)分布。3.1過(guò)合理的網(wǎng)格剖分取滌綸網(wǎng)局部建立模型，如圖5所示。COMSOL采用有限元方法進(jìn)行求解，通過(guò)合理的網(wǎng)格剖分既有助于提高計(jì)算效率，又是得到可靠結(jié)果的必要條件。對(duì)滌綸網(wǎng)進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格剖分，在接地邊角等容易出現(xiàn)電場(chǎng)畸變的地方進(jìn)行了大幅加密處理，最小網(wǎng)格尺度達(dá)到0.1μm，是滌綸單絲直徑的1/560，如圖6所示。3.2絲綢材料的物理參數(shù)滌綸是一種聚酯材料，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研3.3模擬結(jié)果3.3.1電子輻射密度仿真仿真采用的一般接地工況如圖7所示，圖中藍(lán)色部分為仿真區(qū)域，該區(qū)域與黑色區(qū)域上表面邊界接地，角未接地。首先，展示了2個(gè)典型滌綸網(wǎng)層（第1、10層）的3個(gè)典型截面（上表面、28μm深度截面和下表面）充電平衡時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度大小數(shù)值分布的高度圖（電場(chǎng)仿真過(guò)程中不考慮材料擊穿），如圖8和圖9所示。不同滌綸網(wǎng)截面最大電場(chǎng)強(qiáng)度見(jiàn)表2。對(duì)比不同層的滌綸網(wǎng)的電場(chǎng)分布可知：1）首先計(jì)算了MLI面膜帶電效應(yīng)。MLI面膜外表面鍍金屬，并作接地處理。面膜背面充電電位最高為-7.38V，最大充電電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)6.5×102)GEO惡劣電子輻射環(huán)境下間隔層滌綸網(wǎng)內(nèi)充電電場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)9.7×103）縱向?qū)Ρ韧粶炀]網(wǎng)不同深度的電場(chǎng)分布可以看出，材料靜電場(chǎng)在邊、角處的畸變巨大，畸變程度隨著與接地邊界、材料上表面距離的增加而減緩。同時(shí)，不同層滌綸網(wǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度的極大值或電場(chǎng)主要畸變區(qū)域均位于滌綸網(wǎng)結(jié)節(jié)接地邊界處，這表明靜電放電最大概率發(fā)生于滌綸網(wǎng)的結(jié)節(jié)處，該結(jié)果與地球同步軌道MLI地面輻照試驗(yàn)中電場(chǎng)分布趨勢(shì)一致3.3.2典型接地工況分析航天器多層隔熱組件相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求接地點(diǎn)均勻分布，且一般設(shè)置在距離邊緣10～25mm處。但由于MLI面積大，僅靠棉線縫合的滌綸網(wǎng)與反射屏是否良好接觸具有不確定性，則滌綸網(wǎng)部分區(qū)域處于孤立狀態(tài)，良好接地不能完全保證。3.3.1節(jié)仿真分析表明，電場(chǎng)畸變主要發(fā)生于滌綸網(wǎng)結(jié)節(jié)接地邊界處，因此，將接地邊界設(shè)計(jì)在結(jié)節(jié)附近可以進(jìn)一步模擬分析最壞接地情況。根據(jù)最壞情況仿真原則，設(shè)計(jì)了4種典型接地工況，分布在同一滌綸網(wǎng)孔的4個(gè)結(jié)節(jié)上，如圖10所示。首先，根據(jù)接地工況1的電場(chǎng)分布（見(jiàn)圖11）可知，接地邊界g進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，g其次，分析4種典型接地工況的極大值點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨滌綸網(wǎng)層數(shù)的分布曲線，如圖12所示。4種工況的極大值點(diǎn)分別為g在此基礎(chǔ)上，圖13和圖14分別表示第1、10層滌綸網(wǎng)4種典型接地工況極大值點(diǎn)的電場(chǎng)隨單個(gè)滌綸網(wǎng)電子入射深度的分布曲線，由圖14可知，電場(chǎng)強(qiáng)度值先隨深度衰減迅速，而后緩慢衰減。這進(jìn)一步說(shuō)明電場(chǎng)畸變程度與相對(duì)接地邊（角）的距離有關(guān)，距離越近，畸變?cè)矫黠@，同時(shí)說(shuō)明僅接地角的電場(chǎng)極值比接地邊更大，畸變