卫星充放电效应对典型星载电子设备影响的实验研究

李宏伟，韩建伟，蔡明辉，陶孟泽，寇彬，李超男

（1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学天文与空间科学学院，北京 100049）

0 引言

充放电效应是导致航天器在轨故障与异常的重要原因[1-3]。其引发的电流脉冲和电磁场会通过电路或空间等不同方式传播耦合至航天器的设备中，导致类似空间单粒子效应的“软错误”故障。国内外学者通过在轨探测、地面模拟试验等，从充电环境、充电机理等方面进行了深入研究，为航天器充放电效应防护设计提供支持，使得充放电效应的危害在一定程度上得到缓解[4-12]。研究发现，充放电效应导致航天器异常的主要机理是放电产生的电磁干扰耦合进入电子器件[13-18]。但是关于航天器上发生的放电电磁干扰如何耦合至星上电子设备内部并导致其工作异常的研究还十分欠缺，使得航天器充放电效应的防护设计仍存在缺陷与隐患。近年来，随着导航、通信、气象等中高轨道卫星的增多，恶劣的高能电子环境使得卫星充放电效应导致的故障与异常频发，甚至防不胜防。

本文选取具有代表性的星载电子设备，通过地面模拟实验开展研究，以期获得放电导致设备工作异常的实验数据，并对这些数据进行分析研究，深入了解充放电效应电磁干扰的耦合途径，为中高轨航天器充放电效应防护设计提供支持。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验在中国科学院国家空间科学中心的航天器充放电模拟装置（见图1）上进行。该装置是用于航天介质材料充放电特性研究以及卫星部件和单机设备的充放电风险评估的专用实验装置，主要由90Sr-90Y β放射源和最高能量100 keV 的电子枪、真空系统、温控系统，以及静电电位计、脉冲电场仪、罗氏线圈、弱电流表等测试设备组成。其中，真空系统工作真空度优于6×10-4Pa，电子枪可产生能量10～100 keV、注量0.1～10 nA/cm2、束斑直径30 cm的电子辐照环境，β放射源可产生电子注量为1～10 pA/cm2、能量低于2.28 MeV 的连续谱。装置中电子枪的能量与束流密度满足空间表面充放电实验的要求；β放射源产生的电子能谱与束流强度接近GEO的电子能谱，满足深层充电实验的要求。

图1 航天器充放电模拟装置Fig.1 Facility for simulating spacecraft charging effects

1.2 实验对象

为了研究卫星充放电效应中放电产生的电磁干扰耦合至电子设备中对其工作产生的影响，需要选择合适的电子设备作为实验对象。所选电子设备要包含可能发生充放电效应的单元，且该单元发生放电后产生的电磁干扰具备耦合至电子设备的通道；此外该设备应具备一定的通用性。根据上述分析，本文选用航天器上常用的星敏作为实验对象。首先，星敏的镜头通常为石英玻璃材料，尺寸较大，导电性较差，且一般直接暴露在航天器舱外，容易产生充放电效应；其次，放电产生的电磁干扰可以通过镜头等耦合至设备内部的电路中。

星敏镜头直接暴露在航天器舱外，既可能发生深层充放电也可能发生表面充放电，因此本文分别设计了深层与表面充放电实验方案。

1.3 深层充放电实验设计

深层充放电实验布局如图2所示，将实验中采用的电子设备（星敏）安装在设计好的工装上放置在真空室内，放射源距离镜头约2 cm，对应的电子束流密度约为10 pA/cm2，确保星敏的镜头能够被放射源辐照充电。实验中，电子设备通过穿真空航空插座加电工作；静电电位计与三维平移机构配合，以其电位测量探头对镜头中心的表面充电电位进行测量；脉冲电场仪对放电产生的脉冲电场进行监测；通过调整放射源与镜头间的距离可实现对电子束流密度的调节。

图2 深层充放电实验布局Fig.2 Experimental setup for deep charging and discharging effects

1.4 表面充放电实验设计

表面充放电与深层充放电实验的设计存在一定差异：表面充电电流远高于深层充电，且充电速率更高，充电时间更短，发生放电的概率更高，因此在表面充放电实验中将重点关注充电后发生放电以及放电对星敏的影响。表面充放电实验布局如图3所示：星敏安装于充放电模拟装置内，在满足要求的真空度下，采用电子枪对星敏镜头进行辐照充电。电子束从实验舱的顶部竖直向下辐照至镜头上，辐照直径约为30 cm，可覆盖镜头和放置在镜头附近的法拉第筒。电子束流密度可通过灯丝电流予以调节，并采用法拉第筒对电子枪产生的电子束流进行监测；电位测量探头用于对星敏镜头表面电位进行监测；脉冲电场仪用于对放电脉冲进行监测。

图3 表面充放电实验布局Fig.3 Experiment setup for surface charging and discharging effects

星敏保持加电工作状态，分别在不同的辐照电子束流密度和不同的接地方式下进行实验，通过PC端的软件对星敏信号进行监测记录；不定时地对镜头中心点的表面电位进行抽样测量；若实验期间发生放电，放电产生的电磁干扰会被脉冲电场仪探测到，并被示波器自动采集，实现对放电时间及放电脉冲信号的记录。

2 实验结果与分析

2.1 深层充电实验结果

星敏镜头深层充电实验过程中，样品表面电位随时间变化曲线（充电曲线）如图4所示。可以看到，充电持续时间约3000 min，样品的最高负电位达到-8925 V，充电电位已经饱和，在此期间未发生放电。虽然实验过程中未监测到放电，但是镜头的带电电位较高，已经具有较高的放电风险；在轨期间若受到外部因素的影响，例如空间碎片撞击诱发的等离子体干扰以及光照条件等引起的不等量带电等，则可能会诱发放电，对设备的正常运行构成潜在威胁。

图4 星敏镜头深层充电实验曲线Fig.4 Deep charging curve obtained by the simulation experiment

2.2 表面充放电实验结果

为考察不同接地方式的影响，分别对直接接地与远端接地方式下的表面充放电效应进行实验研究：直接接地方式中电子设备的地与仪器外壳和卫星结构之间就近直接连接；远端接地则将电子设备的接地点通过导线与特定的接地点进行连接。

2.2.1 直接接地方式

实验中，星敏加电正常工作，机壳通过接地导线在实验舱内直接接地；设定辐照电子束的能量为30 keV，束流密度为160 pA/cm2，实验测量获得的星敏镜头表面的充电曲线如图5所示。可以看到，在此条件下，经过13 min，星敏镜头的表面电位已经接近饱和，最高充电电位达到-7025 V。

图5 星敏镜头表面充电实验曲线Fig.5 Surface charging curve obtained by the simulation experiment

将辐照电子束流密度增大到400 pA/cm2，再对设备进行充放电效应实验，示波器记录到脉冲电场仪监测到的多个放电信号。如图6所示，图6(a)为典型放电脉冲信号截图，图6(b)为数据处理后脉冲电场干扰信号的相对幅度与脉冲宽度等特征。

图6 表面充放电实验中典型放电产生的电磁干扰信号Fig.6 Typical electromagnetic interference signal in surface discharging experiment

实验过程中共监测到超过100个放电脉冲信号，但星敏一直工作正常。这表明，当星敏机壳通过接地导线在实验舱内直接接地时，虽然石英玻璃镜头无法对电磁波进行屏蔽，但镜头表面放电产生的电磁干扰以电磁波的形式通过空间耦合并不会影响星敏的正常工作。

2.2.2 远端接地方式

改变星敏机壳的接地方式，将其接地导线通过穿舱导线引到舱外进行远端接地，接地导线长度约为4 m，同时在接地线上采用罗氏线圈对放电电流进行监测。采用电子束辐照星敏镜头进行表面充放电效应实验，实验中观测到放电的脉冲电场信号，部分放电过程中能监测到放电电流，监测到放电电流的这些放电事件则会触发仪器工作异常。通过配套的监测设备对仪器工作状态进行监测发现，仪器异常主要包括通信模块异常以及SRAM 器件的单错和双错。实验过程中监测到约100次放电事件，其中导致仪器通信异常超过10次，SRAM 单错出现5次、双错出现3次；仪器发生双错后进行断电复位可恢复到正常工作状态。图7所示为实验中通过罗氏线圈监测到的典型放电电流。该电流为单脉冲信号，其幅值可达到0.5 A，脉冲宽度约为0.5μs。

图7 表面充放电实验中的典型放电电流信号Fig.7 Typical signal of discharging current in surface charging and discharging experiment

注意到此电流是仪器接地点及外壳与实验室地之间的电流，表明表面放电瞬间有电流经仪器的接地点或外壳通过长导线流到实验室的接地点。而远端接地导线的使用使得仪器的接地点或机壳与实验室地之间存在一定的阻抗，尤其是频率较高的情况下，长导线的使用将产生一定的感性阻抗，进而导致放电瞬间电流不能直接导入至实验室的接地点，有部分电荷会通过仪器的接地点或者机壳耦合进入到正在工作中的器件内部，产生额外的电流与电荷，影响器件的正常工作。

3 结束语

针对中高轨卫星运行所处的空间充电环境，选用星敏作为实验对象开展了充放电效应及其影响的实验研究。实验发现，星敏镜头是深层和表面充放电的敏感单元，深层充电实验中虽未监测到放电事件，但镜头的最高充电电位可达-8925 V，已经具有较高的放电风险；表面充放电实验中观测到镜头的充电电位约为-7025 V，并监测到大量放电事件。若星敏的接地端直接在真空室内就近接地，放电形成的电磁干扰以电磁波的形式通过空间耦合，不会对星敏的正常工作产生影响；但当星敏的接地端通过穿舱电缆远端接地时，放电释放的电荷通过电路的接地点耦合传导至仪器内部，会影响器件的正常工作，仪器异常主要为通信模块异常以及SRAM 器件的单错和双错。

综上，与放电产生的电磁干扰以电磁波的形式通过空间耦合相比，放电产生的脉冲电流通过接地点耦合可对电子设备产生更严重的干扰。因此，在航天器电子设备的充放电防护设计中，应该对电子设备的接地方式进行充分评估，尤其需要考虑具有放电风险的元件发生充放电事件时，放电电流通过接地点耦合至设备内部对设备工作产生的影响。