衛星表面放電效應模擬器研制

高士峰，向宏文，張計業，蔡震波

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

在中、高軌道運行的衛星，處于地球磁層的等離子體環境之中。等離子體與衛星表面材料相互作用，會在衛星表面產生充放電，出現靜電放電（ESD）效應。

根據國外衛星的在軌測量數據，在某些惡劣空間環境條件下，衛星表面充電負電位可高至上萬伏[1-2]。因此，在衛星的研制過程中，需要進行表面放電效應模擬試驗。

在引起衛星表面充電效應的各種粒子源中，電子起到重要作用。考慮磁層亞暴環境中等離子體電子與質子的能譜特性，并對充電的物理過程進行分析，當航天器處于地影期時，可以近似得到[2]

式中：V為衛星的表面充電電位；TE為空間等離子體中的電子溫度。式(1)表明，衛星表面將被充電至電子溫度量級的負電位。地磁亞暴時，TE可達1～10 keV，因而衛星表面的充電電位可高達-10 kV左右。

為了模擬衛星表面放電效應，國內外航天機構進行了大量的相關試驗研究，其中美國軍用標準MIL-STD-1541中規定放電發生器采用20 kV放電電壓、80 A放電峰值電流進行放電效應模擬試驗[3]。

1 表面放電效應模擬器概述

1.1 模擬器的功能

表面放電效應模擬器的主要功能是模擬由空間等離子體充電引起的衛星外表面放電現象以及由此產生的電磁脈沖輻射環境，以考核衛星電子組件、整星電子系統承受表面放電干擾的綜合能力。模擬器需要產生符合試驗要求的靜電高壓，輸送到具有一定間距的兩個放電電極并產生靜電放電，輻射出電磁脈沖。

表面放電效應模擬器主要用于衛星研制初樣階段電子設備組件級表面放電效應評估試驗，以及初樣電性星整星級表面放電效應評估試驗。

1.2 模擬器的構成

表面放電效應模擬器由放電槍（放電電極）、電源與控制機箱及連接電纜組成（見圖1）。

圖1 表面放電效應模擬器設備組成示意Fig. 1 The surface discharge effect simulator

電源與控制機箱主要功能：模擬器的供電電壓轉換，放電電壓、放電時間、放電頻率的控制及顯示，以及放電參數的標定調整。放電槍內置升壓電路，可將脈沖高壓輸出至放電電極，產生放電電弧。放電間隙可調。

1.3 模擬器的基本原理

表面放電效應模擬器的基本原理如圖2所示，利用升壓電路產生高電壓對儲能電容器充電，并將此高電壓通過放電電阻引至放電電極，產生放電脈沖。利用控制電子電路實現對放電電壓、放電頻率和放電時間的精確控制。

圖2 表面放電效應模擬器基本原理框圖Fig. 2 The block diagram of surface discharge effect simulator

2 模擬器技術指標

通過對衛星表面充放電效應特性進行研究，同時調研國內外相關標準規范，結合衛星研制的實踐經驗，提出衛星表面放電效應模擬器的主要技術指標如下[2-4]：

1）空氣放電電壓為2～20 kV可調、實時顯示，且顯示電壓與實際電壓的相對偏差≤5%。

2）發生空氣放電的最小電壓≤2 kV。

3）放電峰值電流I峰值（空氣放電電壓為10 kV時）為80 A≤I峰值≤150 A。

4）放電電流上升時間為5～40 ns。

5）放電脈沖寬度為30～400 ns。

6）放電頻率為1次/s、2次/s、3次/s三檔可調，且連續放電時間為30 s時，放電次數偏差≤1次。

7）單次觸發連續放電時間為 5～60 s連續可調，且偏差≤0.1 s。

8）模擬器放電能量＞2.0×10-3J。

9）放電電極部分的質量＜3.0 kg。

10）放電電極部分的可移動半徑＞15 m。

11）設備供電方式有220 V、50 Hz交流供電和內置充電電池供電2種，采用后一種方式時控制箱可以隨身攜帶。

12）分別在放電槍和控制箱上設置放電觸發按鈕。

13）放電槍與控制箱連接電纜采用良好的屏蔽設計。

14）穩定運行8 h，功能無變化，性能變化小于10%。

15）具備標定后對放電電壓、放電頻率、單次觸發連續放電時間的調整校準功能。

3 模擬器設計

3.1 電源與控制機箱

電源與控制機箱完成表面放電效應模擬器的供電電壓轉換，放電電壓、放電頻率和放電時間的設置及顯示，放電觸發控制脈沖的生成，以及放電脈沖特性的控制。圖3為電源與控制機箱的控制面板，其上設置以下功能：

1）2～20 kV空氣放電電壓調節和顯示；

2）1次/s、2次/s、3次/s三檔放電頻率調節和顯示；

3）單次觸發連續放電時間調節和顯示；

4）電源開關；

5）放電觸發按鈕；

6）電池充電開關、電池欠壓指示；

7）放電電壓、電流特性標定校準。

圖3 表面放電效應模擬器電源與控制機箱的控制面板Fig. 3 Control panel of the power and the control equipment for surface discharge effect simulator

3.2 放電槍

放電槍外形（見圖4）近似為圓柱體，帶有安裝支座。由于放電槍與控制機箱間的連接電纜長度大于 15 m，考慮到安全性和操作方便性，將高壓電路模塊內置于放電槍內，而不是通過高壓線將高電壓傳送到放電槍中。放電槍外殼采用質量輕且絕緣性能好的高壓硅膠作為絕緣材料，以提高操作安全性。放電槍上單獨設置放電觸發按鈕，便于進行放電觸發控制。

圖4 表面放電效應模擬器的放電槍外形Fig. 4 Discharge gun for the surface discharge effect simulator

空氣放電電極（見圖5）用于產生放電電弧輻射場，放電電極材料為不銹鋼，置于有機玻璃罩內，采用整體插裝的方式。在電極頂端設置放電電極間隙調節裝置，同時以刻度顯示間隙大小，并設計放電電極最小間隙限位裝置，防止在調節間隙時發生電極擠壓或磕碰。放電接地回線封閉固定于有機玻璃罩內，以提高操作安全性。

圖5 空氣放電電極示意圖Fig. 5 Schematic diagram of air discharge pole

4 模擬器標定系統設計

表面放電效應模擬器產生的空氣放電脈沖具有高電壓、大電流、窄脈寬的特征，需要研制專用的標定系統，對模擬器的放電電壓、放電峰值電流、放電電流上升時間及放電電流脈沖寬度等技術指標進行測量標定。

通過對表面放電效應模擬器放電特性的研究，并根據 IEC 61000-4-2[5]及其他相關標準[6-8]規定的校準方法，設計的表面放電效應模擬器標定系統包括以下儀表裝置以及數據記錄和分析設備等。

1）高阻高壓表：測量范圍2～20 kV，輸入阻抗≥30 G?，型號為EST105B，用于對模擬器放電電壓的測量標定。

2）脈沖電流傳感器：測量電流≥150 A，帶寬≥1 GHz，型號為ESD-VER1，用于收集轉換放電脈沖電流。

3）20～40 dB衰減器：型號為ESD-VER2，用于將放電脈沖電流衰減后送至示波器。

4）數字存儲示波器：帶寬≥1 GHz，型號為Tektronix公司的DPO7104。

5）靜電屏蔽法拉第箱：前板尺寸為1.5 m×1.5 m，用于放置標定系統設備，能夠屏蔽模擬器放電時產生的電磁干擾。

其中，脈沖電流傳感器（見圖6）根據GB/T 17626.2—2006[6]的要求研制，并進行了改進，以滿足最大測量電流≥150 A、帶寬≥1 GHz的特殊要求。

圖6 脈沖電流傳感器Fig. 6 Sensor of pulse current

5 模擬器測量標定

5.1 放電電壓測量標定

使用高壓電纜將放電槍與標定系統中的高阻高壓表的測量探頭直接連接，模擬器放電參數設置后進行觸發放電；記錄模擬器顯示電壓值和高阻高壓表實測電壓值，并計算相對偏差。測試結果數據如表1所示。

表1 模擬器放電電壓測試結果Table 1 The results of discharge voltage for simulator test

根據表1的測試結果，在2～20 kV放電電壓的調節范圍內，表面放電效應模擬器實測電壓與顯示電壓的相對偏差均不大于5%；相對偏差較大值出現在放電電壓的高低兩端，而中間段的相對偏差較小。衛星進行表面放電效應模擬試驗時，通常選用10 kV放電電壓。通過調節校準，可以進一步提高此區間的放電電壓顯示精度。

5.2 放電電流標定

表面放電效應模擬器的放電脈沖電流采用由脈沖電流傳感器、衰減器、示波器以及靜電屏蔽法拉第箱組成的電流測試系統測量標定，該測試系統的設計帶寬為1 GHz，滿足ns級放電脈沖電流的測量要求。按照圖7所示方式連接測試系統。

圖7 放電電流測試系統Fig. 7 Test system of discharge current

模擬器放電電流測量標定步驟如下：1）連接表面放電效應模擬器；

2）連接電流測試系統；

3）連接接地回線；

4）將放電電極對準脈沖電流傳感器；5）接通電源，初始化設置；6）調節電壓，觸發放電；7）記錄放電電壓值；

8）記錄放電脈沖電流波形參數。

根據測量記錄結果，放電峰值電流、放電電流上升時間、放電電流脈沖寬度這3個參數與放電電壓的關系分別如圖8～圖10所示。

圖8 放電峰值電流與放電電壓的關系Fig. 8 The relation between the discharge voltage and the peak current of discharge

由圖8可知：由于放電電阻不變，放電峰值電流隨著放電電壓的升高而增大，二者近似成線性關系。放電電壓為8 kV時，放電峰值電流達到100 A左右；放電電壓為 10 kV時，放電峰值電流達到125 A左右；放電電壓為15 kV時，放電峰值電流達到180 A左右。

圖9 放電電流上升時間與放電電壓的關系Fig. 9 The relation between the discharge voltage and therise time of discharge current

根據圖9，放電電壓在2～20 kV范圍內調節變化時，由于放電電阻、電容不變，放電電流上升時間的變化較小，平均值約為17 ns。

根據圖10，放電電壓在2～20 kV范圍內調節變化時，由于放電電阻、電容不變，放電電流脈沖寬度基本不變，約為65 ns。

圖10 放電電流脈沖寬度與放電電壓的關系Fig. 10 The relation between discharge voltage and pulse width of discharge current

6 結束語

本文介紹了衛星表面放電效應模擬器的研制情況，并利用標定系統對該模擬器的放電電壓及放電脈沖電流特性進行了測量標定，結果表明表面放電效應模擬器的放電特性符合衛星表面放電效應模擬試驗的要求，可以用于組件級、整星級表面放電效應模擬評價試驗。

（References）

[1]Ryschkewitsch M G. Mitigating in-space charging effects -a guideline, NASA-HDBK-4002A[G], 2011

[2]Purvis C K, Garrett H B, Whilttesey A C. et al. Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects, NASA TP 2361[R], 1984

[3]MIL-STD-1541A Electromagnetic compatibility requirements for space systems[S], 1987

[4]Q/W 1006—2003 衛星表面放電效應試驗方法[S], 2003

[5]IEC 61000-4-2 Electromagnetic compatibility-testing and measurement techniques-electrostatic discharge immunity test[S], 2001

[6]GB/T 17626.2—2006 電磁兼容試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗[S], 2006

[7]GJB/J 5025—2001 靜電放電模擬器檢定規程[S], 2001

[8]吳勇, 劉尚合, 原青云. 固定間隙的空氣式靜電放電[J],高電壓技術, 2009, 35(4): 909-913 Wu Yong, Liu Shanghe, Yuan Qingyun. Air electrostatic discharge at a fixed gap distance[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(4): 909-913