空间微小碎片撞击诱发放电机理研究

当空间微小碎片撞击带高电位的航天器表面时，撞击产生的稠密等离子云很可能建立放电通道，触发静电放电发生并诱发ESD故障。在地球同步轨道、太阳同步轨道等航天器活动密集的区域，不仅容易产生严重的航天器表面充电效应，而且微小碎片的通量较高，这预示着由微小碎片撞击诱发的航天器表面放电很可能成为一个重要的故障诱因。. 本课题针对上述猜想开展空间微小碎片撞击触发高充电的航天器表面材料提前放电的机理研究，以微小碎片加速器为模拟手段结合理论分析，对碎片撞击诱发放电的基本条件、触发阈值、以及放电特征和阈值的表征方法进行深入研究，从而揭示微小碎片撞击诱发放电的机理，阐明碎片撞击导致ESD故障的基本模式和途径，为航天器故障诊断提供新的理论和实验依据。

大量空间和地面实验表明，空间碎片的超高速撞击可导致航天器发生故障。欧空局的Olympus卫星、美国导弹防御系统的MSTI卫星、日本的Jason-1卫星都是遭遇到空间颗粒撞击导致不同程度的卫星故障。对微小空间碎片来说，撞击航天器的概率高，撞击不但可在材料表面直接形成机械损伤，还可通过撞击抛射的等离子体与航天器带电部位的电磁作用干扰或破坏航天器正常工作。微小空间碎片撞击航天器充放电效应研究已经成为美、日、欧等航天大国所重视和研究的前沿问题之一，但是对于空间碎片撞击诱发放电的基本条件、发生过程、诱发故障途径等基本问题还缺乏深入研究，亟待通过系统的探索研究来予以回答。同时限于地面模拟装置的制约，对于微米到毫米尺寸之间的微小碎片撞击诱发放电的定量研究基本属于空白。.本项目主要依托中科院国家空间科学中心自主研制的等离子体驱动微小碎片加速器开展研究，旨在揭示百微米级空间碎片超高速撞击航天器材料产生的等离子体基本特性和微观损伤结构，研究空间碎片撞击诱发航天器材料放电的微观物理过程和基本规律，进而深入理解微小空间碎片撞击诱发航天器故障的基本物理机制，促进微小空间碎片超高速撞击的主动防护设计，保障航天器在轨安全可靠工作。.本项目在国际上首次获得了直径200μm微小碎片超高速撞击产生的等离子体特性，实验结果有效弥补了微米级空间碎片超高速撞击产生等离子体实验数据的空白；初步开展了微小碎片超高速撞击产生的等离子体发光特性，通过选择合适的透镜及光纤对撞击发光信号进行收集，实现了对撞击发光信号的监测，为利用光谱仪实现对微米级碎片撞击等离子体的测量奠定了基础，并根据撞击发光的特点提出和实现了利用撞击发光对微粒速度测量的新方法；通过模拟实验证实了200µm的微小空间碎片超高速撞击能够诱发不等量带电样品的放电，获得了微小碎片超高速撞击诱发航天器放电的基本规律；用三维形貌仪研究了微小碎片撞击对材料表面形成的微小结构形貌，高速相机实验结果验证了撞击微观损伤诱发反向电势梯度放电的物理机制；利用超宽带脉冲电场测量仪对空间碎片超高速撞击诱发放电的电磁脉冲进行测量，测量结果表明空间碎片速度越快，撞击产生的电场脉冲强度越强、持续时间越长，潜在危害也越大；首次提出了利用脉冲激光模拟空间碎片撞击诱发等离子体效应的创新思路，实验结果表明利用激光来模拟空间碎片撞击的技术思路基本可行。