GEO卫星多层隔热组件充放电特性仿真

冯娜，季启政,2,*，张絮洁，唐小金，张宇，杨勇，唐旭

1. 北京东方计量测试研究所，北京 100086

2. 中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003

3. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094

由空间等离子体及高能电子引起的航天器静电放电效应严重威胁着航天器的在轨安全运行，国外统计数据表明由静电放电诱发的故障占航天器异常的54%。多层隔热组件(Multi-Layer Insulation， MLI)包覆于航天器外表面，占据了60%以上的整星表面，既是重要的热控组件，同时也是抑制空间强电磁环境源的关键载体[1-4]。以基于主力军用卫星平台DFH-4号平台研制的卫星为例，星本体表面包覆的多层隔热组件超过50片，约26 m2/星[5]。星表多层作为接触空间辐射环境的首层关卡，相较于航天器内部电子元器件、线路板卡等组件，直接面临高能粒子的冲击与作用，导致其在轨静电放电威胁更为严峻。一旦多层组件内部发生充放电效应，可能造成介质击穿损坏、光学表面污染、电子器件烧毁等一系列严重后果，威胁到航天器的安全运行[6-8]。

地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)接近外辐射带的边缘，该轨道存在高密度的高能粒子(捕获电子为主)，能量在0.04～5 MeV 之间的电子占总数的绝大部分。根据NASA-HDBK-4002A，100 keV电子约能够穿透100 μm等效铝厚度，大致相当于1层面膜和17层10 μm反射屏的等效铝厚度。因此，GEO高能电子能够轻易穿透MLI面膜，沉积于MLI内部介质材料，引发内带电效应。MLI属于不同电学特性的多材料复合结构，整体结构蓬松，层间有不规则空隙，10单元MLI厚度约为1～5 mm[9]。上述结构特点使得沉积电荷泄放通路不畅，电荷累积率高，形成较强的内建电场，进而诱发静电放电效应[10-13]。

紧扣MLI的特殊复合结构特点，提炼了影响充放电的核心因素，建立了具有针对性的内带电物理模型和计算模型，实施了10单元MLI的电子输运和内带电仿真，并对MLI涤纶网电荷沉积率、剂量率和三维内建电场的分布特点进行了分析。本文的研究成果可为航天器多层隔热组件静电防护设计提供参考依据。

1 多层隔热组件内带电模型

从MLI的层状、蓬松、多材料复合的结构特点的角度出发，分析MLI的内带电机理，建立相应的内带电模型。

1.1 多层隔热组件结构分析

航天器在轨运行阶段，表面温度变化范围在-200～200 ℃之间。MLI可有效地将其内部温度场与外热流、深冷低温等空间恶劣环境进行隔离，是航天器热控的一种重要手段。

MLI一般由一定数量的反射层和间隔层以及面膜组成，利用反射层的高反射率阻止隔热层间的辐射传热从而实现高效隔热[14]。n单元MLI由n层间隔层与n+1层反射屏交替间隔，用缝合线缝制而成，如图1所示。星用MLI一般为n=5～30单元。

图1 多层隔热组件(MLI)构成Fig.1 Multi-layer insulation components

MLI面膜选用低太阳吸收比、高红外发射率的薄膜，厚度为25～75 μm，表面电阻率≤106Ω/□，如黄膜(导电型聚酰亚胺薄膜二次表面镜)、白膜(导电型F46镀银二次表面镜)、黑膜(黑色聚酰亚胺薄膜和镀膜型导电黑色聚酰亚胺膜)和镀锗聚酰亚胺膜。反射屏为真空绝热夹层采用的高反射率和低发射率材料制作的屏障，一般为双面镀铝膜或镍箔，厚度约为6～50 μm，长度≥60 m。面膜与反射屏一般为镀金属膜且良好接地，沉积于介质材料的内部电荷会通过金属膜形成泄放通路，不易累积形成内电场从而诱发放电威胁。

间隔层一般采用经热定形处理、耐真空辐照的涤纶网，或者是经高温烘烤处理的高硅氧玻璃纤维布。选取间隔层为涤纶网的MLI进行内带电效应研究。涤纶网无法直接接地，内部沉积电荷只能通过反射屏接地迁移。同时，受在轨运行过程中太阳辐照热效应的影响，MLI整体为一个相对蓬松的结构状态。反射屏与涤纶网之间不是紧密结构，而且缝合的针脚距一般为50 mm，则理论上涤纶网非接地尺度可达厘米级，因而，涤纶网非接地部位沉积电荷的最短迁移路径尺寸也可高达厘米级。ESA标准ECSS-E-ST-20-06《空间工程-航天器带电》及NASA指南NASA-HDBK-4002A《空间带电效应减缓指南》均指出航天器内带电效应主要发生于毫米级厚度介质体材料，即最短电荷迁移路径在毫米量级就有内带电风险。涤纶网非接地尺度可达厘米级，其内带电效应引起的放电风险极高。因此，以涤纶网作为充放电仿真的核心对象。

进一步考虑到反射屏为双面镀金属膜材料，由金属的静电屏蔽原理可知，反射屏内部沉积电荷不影响涤纶网的充放电过程，反之亦然。因此，每个单元涤纶网的充放电过程是独立的，不同单元涤纶网充放电仿真可单独进行。

1.2 内带电物理模型

MLI介质内带电过程可分为电荷输运与沉积(即高能电子与靶材料相互作用的微观物理过程)以及沉积电荷再分布，建立介质内电位和电场的过程[15-16]。内部电荷沉积率Qj是电流源，充电过程满足电荷守恒定律，得到的控制方程为

(1)

式中：J为介质的传导电流密度和位移电流密度之和，即

(2)

Je为高能电子入射导致的电流密度，满足

(3)

其中，E为电场强度；ε和σ分别为介质的介电常数和电导率；电导率σ是本征电导率σ0与辐射诱导电导率σric之和；本征电导率σ0是原位场强和温度的函数，辐射诱导电导率σric是辐射剂量率的函数[17]；Qj为介质内单位体积电荷沉积率,A·m-3。

利用电场强度E是电位U的负梯度，式(1)变为电位U的单变量方程：

(4)

对于航天器内带电，通常只考虑绝缘边界和接地边界条件，其表达式为

(5)

式中:Sins和Sgrd分别代表绝缘边界和接地边界。此处接地代表航天器结构体电位U0。

2 多层隔热组件电子输运模拟

基于GEANT4(Geometry and Tracking)数据工具包[18]，采用蒙特卡罗算法模拟高能电子与MLI材料的相互作用过程，从而得到MLI材料中的电荷沉积和辐射剂量分布。

2.1 电子输运模拟建模

结合内带电理论模型和MLI隔热材料的结构特点分析，表明电子输运过程具有整体特性，即任何一个部位的输运电子理论上可来自整个系统的其他部位，需要建立完整的多层结构才能得到正确的电子沉积和剂量率分布。因此，本文完全按照多层结构三维几何参数进行精确建模和模拟，其MLI结构如图2所示。

图2 10单元MLI GEANT4模型Fig.2 10-unit MLI GEANT4 model

针对10单元低温MLI，基于GEANT4进行电子输运模拟建模，其中反射屏厚度取最大值10 μm。涤纶网简化成正方形网格，4个网孔km2，网孔边长5 mm(见图2(a))。涤纶网单丝考虑成理想的长方体型，横截面为正方形，边长56 μm。涤纶网单丝与涤纶网整体相比尺度极小，这在蒙特卡罗模拟中属于典型深穿透小尺度问题。为了获得更准确的模拟结果，以一个网孔为一个网格单元，在单丝横截面尺度上未作网格细分。基于上述模型，电子自上而下入射，10单元MLI GEANT4电子输运模拟效果如图2(b)所示。

2.2 GEO同步轨道电子能谱

输运模拟电子能谱采用Flumic3(Flux Model for Internal Charging，Flumic)模型[18]。该能谱模型指出电子积分通量(Integral Electron Flux)随电子能量增大呈指数降低[19]，即

(6)

式中：

(7)

式中：flux(x)代表能量大于x(MeV)的电子通量，m-2·s-1·sr-1。

由于MLI各单元材料厚度均为微米量级，因此，对该模型电子能量下限延伸至0.01 MeV。

2.3 电子输运模拟结果

通过72 h软件计算，完成了1.5亿个电子入射的输运模拟。模拟中电子束最低能量为10 keV，通量为GEO恶劣情况数据flux(E>10 keV)= 4.89×107cm-2·s-1，结果如图3和图4所示。

由于反射屏充放电风险小，本文充放电仿真主要考虑层间涤纶网，输运模拟结果中已将反射屏的电荷沉积和剂量率数据剔除。

图3和图4给出了GEO最恶劣轨道环境10单元MLI内部电荷输运过程中，涤纶网材料内部电子沉积率和剂量率，对比可以看出：电子沉积率与剂量率(能量沉积率)随深度(多层单元离电子入射表面所处深度)衰减，近似呈线性关系。一般情况下，大系统中的小尺度涤纶单丝，极难有可观的电子沉积和能量沉积，更何况高能电子具有很强的穿透性，大量电子都可直接穿透MLI。但由图4可知，涤纶网的电子沉积率和剂量率在数量上依然十分可观。其主要原因由于MLI作为卫星表面组件接收的高能电子辐射总通量大。在总入射粒子基数大的前提下，入射电子依然具有能量广谱性和输运随机性的特点，导致涤纶单丝上依然有一定概率的电荷沉积和能量沉积行为，即发生可观量级的充电过程。

图3 涤纶网电子沉积率随深度的分布Fig.3 Distribution of electron deposition rate of polyester mesh with depth

图4 涤纶网电子剂量率随深度的分布Fig.4 Distribution of electron-irradiated dose rate of polyester mesh with depth

3 多层隔热组件内建电场三维有限元仿真

根据前文分析，单独考虑每层涤纶网，以电子沉积率和剂量率模拟数据为输入，根据1.2节所述内带电物理模型，采用COMSOL Multiphysics软件计算充电平衡状态下涤纶网的三维内建电场分布。

3.1 涤纶网三维结构模型及网格划分

取涤纶网局部建立模型，如图5所示。COMSOL采用有限元方法进行求解，通过合理的网格剖分既有助于提高计算效率，又是得到可靠结果的必要条件。对涤纶网进行了细致的网格剖分，在接地边角等容易出现电场畸变的地方进行了大幅加密处理，最小网格尺度达到0.1 μm，是涤纶单丝直径的1/560，如图6所示。

图5 涤纶网内建电场仿真几何建模Fig.5 Geometry modelingfor built-in electric field of polyester mesh

图6 涤纶网内建电场仿真网格剖分Fig.6 Simulation grid for built-in electric field simulation in polyester mesh

3.2 涤纶网材料物性参数

涤纶是一种聚酯材料，通过文献调研[20]，聚酯材料的主要物性参数如密度ρ、本征电导率σ0、相对介电常数ε0、辐射诱导电导率经验系数kp和Δ、激活能EA见表1。按该表中所列参数进行仿真计算，仿真设定温度为300 K。

表1 计算中采用的涤纶网材料物性参数

3.3 仿真结果

3.3.1 一般接地条件下涤纶网内建电场分布特征

仿真采用的一般接地工况如图7所示，图中蓝色部分为仿真区域，该区域与黑色区域上表面边界接地，角未接地。

图7 一般接地工况Fig.7 General grounding conditions

首先，展示了2个典型涤纶网层(第1、10层)的3个典型截面(上表面、28 μm深度截面和下表面)充电平衡时电场强度大小数值分布的高度图(电场仿真过程中不考虑材料击穿)，如图8和图9 所示。不同涤纶网截面最大电场强度见表2。

表2 不同涤纶网截面最大电场强度

图8 第1层涤纶网电场分布高度图Fig.8 Height map of electric field distribution of first polyester mesh

图9 第10层涤纶网电场分布高度图Fig.9 Height map of electric field distribution of 10th polyester mesh

对比不同层的涤纶网的电场分布可知：

1) 首先计算了MLI面膜带电效应。MLI面膜外表面镀金属，并作接地处理。面膜背面充电电位最高为-7.38 V，最大充电电场强度可达6.5×105V/m，发生放电的风险较小，这说明MLI面膜表面镀金属膜可有效抑制表面充放电现象的发生，该结论在地面试验中已证实[21-22]。

2) GEO恶劣电子辐射环境下间隔层涤纶网内充电电场强度最高可达9.7×108V/m，材料深处第10层涤纶网电场的最大畸变量高于2.5×107V/m。NASA-HDBK-4002A指出当材料内部电场强度超过1×107V/m时，静电放电导致的介质材料击穿随时可能发生。因此，GEO辐射环境下涤纶网发生静电放电威胁的风险很高。

3) 纵向对比同一涤纶网不同深度的电场分布可以看出，材料静电场在边、角处的畸变巨大，畸变程度随着与接地边界、材料上表面距离的增加而减缓。同时，不同层涤纶网电场强度的极大值或电场主要畸变区域均位于涤纶网结节接地边界处，这表明静电放电最大概率发生于涤纶网的结节处，该结果与地球同步轨道MLI地面辐照试验中电场分布趋势一致[21]。

3.3.2 涤纶网内建电场的深度分布特征

航天器多层隔热组件相关工艺标准要求接地点均匀分布，且一般设置在距离边缘10～25 mm处。但由于MLI面积大，仅靠棉线缝合的涤纶网与反射屏是否良好接触具有不确定性，则涤纶网部分区域处于孤立状态，良好接地不能完全保证。3.3.1节仿真分析表明，电场畸变主要发生于涤纶网结节接地边界处，因此，将接地边界设计在结节附近可以进一步模拟分析最坏接地情况。根据最坏情况仿真原则，设计了4种典型接地工况，分布在同一涤纶网孔的4个结节上，如图10所示。

图10 4种接地工况所处位置及局部放大图Fig.10 Location and locally enlarged drawings of four grounding conditions

首先，根据接地工况1的电场分布(见图11)可知，接地边界g2的电场强度远大于接地边界g1的电场。这是由于g1为接地边，g2为接地角，相比于接地边，接地角的电荷最短输运路径少，沉积电荷迁移难度大，迁移电流密度会集中于接地角，根据电流密度J与电场E之间关系的式(2) 可知，电流密度越大，电场强度越大。

图11 工况1第1层涤纶网上表面局部电场分布高度图Fig.11 Height map of local surface electric field distribution for first layer polyester mesh under Condition 1

进一步分析发现，g1、g2接地边界对应的电荷迁移源具有不对称性，g2对应电荷源体积更大，相应的电流密度更大，电场强度更大。

其次，分析4种典型接地工况的极大值点的电场强度随涤纶网层数的分布曲线，如图12所示。4种工况的极大值点分别为g2右端点，g3右端点，g4顶端点和g5顶端点，如图10所示。由图可知，电场强度随涤纶网层数的增加而减少，这与电荷沉积和剂量率随涤纶网层数增加而减少的趋势相一致。Gnd1-g2、Gnd2-g3、Gnd4-g5均有角接地，而Gnd3-g4同时有边接地和角接地，内部沉积电荷具备更好的泄放通路，Gnd3-g4的电场值比其他3种情况的电场强度小。

图12 4种典型接地电场极值点的电场强度随涤纶网层数的分布曲线Fig.12 Distribution curves of electric fields of four typical grounding electric field extreme points with polyester mesh layers

在此基础上，图13和图14分别表示第1、10

图13 第1层涤纶网4种典型接地电场强度极值点的电场随深度的分布曲线Fig.13 Distribution curves of electric fields with depth of four typical grounding electric field extreme points for first polyester mesh

图14 第10层涤纶网4种典型接地电场极值点的电场随深度的分布曲线Fig.14 Distribution curves of electric fields with depth of four typical grounding electric field extreme points for 10th polyester mesh

层涤纶网4种典型接地工况极大值点的电场随单个涤纶网电子入射深度的分布曲线，由图14可知，电场强度值先随深度衰减迅速，而后缓慢衰减。这进一步说明电场畸变程度与相对接地边(角)的距离有关，距离越近，畸变越明显，同时说明仅接地角的电场极值比接地边更大，畸变程度更高。

综上所述，为降低MLI内部充电电场，应保证涤纶网接地良好，通过加密棉线缝合间距可有效提升涤纶网与反射屏的接触效果。

4 结 论

针对MLI开展了物理建模和仿真分析研究，获得了MLI电荷沉积率、剂量率和电场分布特性。结果表明，MLI内部电子沉积率与剂量率随深度衰减；MLI间隔层涤纶网在GEO恶劣电子辐射环境下充电电场强度可高达9.7×108V/m，具有放电风险；涤纶网接地边、角处的电场强度最大且电场畸变巨大；MLI充放电风险主要源于涤纶网与反射屏之间的非紧密接触而引起的不良接地情况，建议通过加密棉线缝合间距以提升涤纶网与反射屏的接触效果，从而降低MLI的充放电风险。