蘇慧雯 強(qiáng)鵬 王乙 余俊豪

摘 要：航天器在軌運(yùn)行時(shí)受到高能帶電粒子的作用而引起深層介質(zhì)充放電。當(dāng)高能粒子進(jìn)入材料深部時(shí)，引起充放電過程，對(duì)器件造成直接的損傷，同時(shí)充放電過程中產(chǎn)生的放電電磁脈沖會(huì)干擾航天器電子系統(tǒng)的正常工作。本文根據(jù)麥克斯韋方程組，通過有限差分法對(duì)放電脈沖進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到由放電脈沖產(chǎn)生的電磁輻射脈沖及放電電場(chǎng)很強(qiáng)，場(chǎng)強(qiáng)最高可達(dá)1.8×104V/m。對(duì)放電脈沖進(jìn)行傅里葉變換后獲得電磁脈沖頻率譜，可以得出放電脈沖頻譜較寬，高頻部分頻率最高可達(dá)2GHz。由于高頻電磁脈沖穿透力很強(qiáng)，且難以抑制，高頻航天器件空間輻射損傷及防護(hù)問題需要進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：深層放電 放電脈沖 分析方法

中圖分類號(hào)：V52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（c）-0012-04

航天器在空間運(yùn)行過程中，會(huì)遭受空間帶電粒子輻射、空間微流星體及碎片碰撞和空間氧原子侵蝕等。而對(duì)航天器影響最嚴(yán)重的則是空間帶電粒子輻射，其會(huì)引起航天器材料損傷、器件性能退化等影響?？臻g帶電粒子輻射會(huì)引起單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、充放電效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)這4種主要效應(yīng)?？臻g等離子體與航天器材料表面或內(nèi)部發(fā)生相互作用，使電荷在材料表面或內(nèi)部不斷積累，直至不同部件間或同一部件不同部位形成的電位差超過擊穿閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，放電過程中會(huì)釋放出電荷、熱量、電磁脈沖以及輝光等，這就是充放電效應(yīng)。

航天器充放電效應(yīng)又可分為表面充放電效應(yīng)和深層充放電效應(yīng)[1]。其中，高能粒子輻射引起的介質(zhì)材料深層充放電效應(yīng)對(duì)于航天器損傷最為嚴(yán)重，其又被稱為衛(wèi)星內(nèi)帶電。深層充電是由高能電子（0.1～10MeV）引起的，主要發(fā)生在材料內(nèi)部。高能帶電粒子入射到材料表面，穿透表面屏蔽層，在材料中沉積，形成深層充電，會(huì)導(dǎo)致材料擊穿，進(jìn)而引起性能的改變；材料中沉積的大量高能粒子后隨即發(fā)生靜電放電現(xiàn)象形成干擾更加強(qiáng)烈的電子系統(tǒng)，同時(shí)充放電過程中產(chǎn)生的放電電磁脈沖也會(huì)干擾衛(wèi)星的電子系統(tǒng)正常工作，對(duì)在軌航天器造成了巨大的傷害。

1 放電電流脈沖

航天器在經(jīng)過深層充電后，介質(zhì)內(nèi)部由于高能電子形成的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)隨充電的持續(xù)不斷升高，當(dāng)其超過介質(zhì)可承受的放電閾值時(shí)，便會(huì)發(fā)生局部放電，而電子在這個(gè)過程中受強(qiáng)電場(chǎng)影響，引起雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生巨大的放電電流，此即為深層介質(zhì)放電過程。

由于靜電放電對(duì)航天器會(huì)造成產(chǎn)生的巨大的影響，國(guó)際上為分析靜電放電干擾實(shí)驗(yàn)提出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2[2]。如圖1所示為放電電流脈沖的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)域圖。

放電脈沖中的快成分在納秒數(shù)量級(jí)，其對(duì)應(yīng)的頻譜則延伸到GHz頻率范圍，如圖2所示。

由此可以歸納出靜電放電產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)主要有以下特性：

（1）脈沖上升很快，并會(huì)形成陡峭的上升沿，根據(jù)靜電放電情況的不同而有所不同，通常在ns級(jí)。

（2）頻帶比較寬，放電脈沖有從直流分量到GHz的所有頻率分量，也正是因?yàn)槎盖偷纳仙兀顾哂泻軐挼念l譜分量。

（3）近場(chǎng)幅值很高，在靜電放電發(fā)生的附近，電場(chǎng)可達(dá)幾千V/m，放電電流可達(dá)10A數(shù)量級(jí)，近場(chǎng)磁場(chǎng)可達(dá)毫特斯拉數(shù)量級(jí)。

（4）脈沖波形具有較長(zhǎng)的衰減尾沿，說明放電頻譜中存在極低頻率的成分，脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電子器件的充電時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電子器件帶來的損傷會(huì)增大。

2 放電電磁脈沖數(shù)值的計(jì)算

在充電過程中，電子在介質(zhì)中積累并在其中形成特殊的空間分布，在這種空間電荷分布下會(huì)形成特定的電場(chǎng)分布。當(dāng)入射電子通量不變時(shí)，充電形成的電場(chǎng)、空間電荷分布最終會(huì)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，即達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)存在擾動(dòng)或材料缺陷等因素時(shí)，充電形成的穩(wěn)態(tài)會(huì)被打破，進(jìn)而發(fā)生放電過程，形成放電電流。在電荷分布，電流的共同作用下，形成電磁脈沖。

對(duì)電流脈沖產(chǎn)生電磁脈沖的可根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論進(jìn)行求解。在電荷分布、電流分布及介質(zhì)參數(shù)和邊界條件確定的情況下，就能夠準(zhǔn)確獲得放電產(chǎn)生的電磁脈沖。

麥克斯韋方程組的積分形式和微分形式如式（1）和式（2）所示。

（1）

（2）

麥克斯韋方程的數(shù)值求解有多種方法，常用方法有矩量法、有限元法和時(shí)域有限差分法。本文采用時(shí)域有限差分法對(duì)的麥克斯韋方程進(jìn)行差分離散化，利用蛙跳算法對(duì)空間領(lǐng)域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，進(jìn)而迭代求解出電磁場(chǎng)見圖3。

利用時(shí)域有限差分法推導(dǎo)出直角坐標(biāo)系中麥克斯韋方程組的的差分方程[3]如式（3）所示。

（3）

其中Δx，Δy，Δz為空間步長(zhǎng)，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

平板介質(zhì)模型如圖4所示，介質(zhì)版厚度1.5mm。高能電子垂直入射進(jìn)入介質(zhì)平板時(shí)，將入射背面接地。空間步長(zhǎng)取0.15mm。

經(jīng)過一段時(shí)間的充電后，介質(zhì)深層充電電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)充電電場(chǎng)強(qiáng)度超過放電閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生快電流激勵(lì)，電流激勵(lì)方程如式（4）所示。

（4）

放電時(shí)域波形如圖5所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)放電開始發(fā)生時(shí)，介質(zhì)電導(dǎo)率快速變大；當(dāng)放電電流達(dá)到峰值后，可近似認(rèn)為電導(dǎo)率不再改變。由時(shí)域有效差分可以求得電磁脈沖分布：

該放電脈沖是包含多種頻率的電磁脈沖，脈沖上升時(shí)間在10ns之間，脈沖衰減時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)。通過數(shù)值分析，可以得到深層充電引發(fā)的放電過程包含多種頻率的電磁輻射，其高頻成分可以到達(dá)GHz頻率范圍。

對(duì)放電脈沖進(jìn)行傅里葉變換后得到放電電磁脈沖頻譜如圖7所示。

從圖7中可以看出，放電過程中釋放出來的電磁脈沖包含多種成分，空間電子器件在電磁脈沖的作用下會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)、軟錯(cuò)誤及損傷，特別是近場(chǎng)區(qū)域的電子器件影響更大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以Maxwell方程為基礎(chǔ)，利用有限元差分方法編程計(jì)算放電過程產(chǎn)生的電磁脈沖，通過差分計(jì)算獲得了放電產(chǎn)生的電磁脈沖波形，在此基礎(chǔ)上通過傅里葉變換得出放電電磁脈沖的頻譜，分析了電磁脈沖的頻譜特征。分析得出：傅里葉變換后得到的放電電磁脈沖頻譜中，高頻部分頻率很高，最高可達(dá)2GHz；放電過程中形成的電場(chǎng)強(qiáng)度極強(qiáng)，最高可達(dá)1.8×104V/m。由于高頻成份穿透力極強(qiáng)，且難以抑制，所以隨著航天技術(shù)的發(fā)展，許多航天器件工作的頻率向高頻方向延伸，開展充放電過程中電磁脈沖的分析研究很有意義。

參考文獻(xiàn)

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