馮娜，季啟政,2,*，張絮潔，唐小金，張宇，楊勇，唐旭

1. 北京東方計量測試研究所，北京 100086

2. 中國人民解放軍陸軍工程大學石家莊校區(qū)，石家莊 050003

3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094

由空間等離子體及高能電子引起的航天器靜電放電效應嚴重威脅著航天器的在軌安全運行，國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明由靜電放電誘發(fā)的故障占航天器異常的54%。多層隔熱組件(Multi-Layer Insulation， MLI)包覆于航天器外表面，占據(jù)了60%以上的整星表面，既是重要的熱控組件，同時也是抑制空間強電磁環(huán)境源的關鍵載體[1-4]。以基于主力軍用衛(wèi)星平臺DFH-4號平臺研制的衛(wèi)星為例，星本體表面包覆的多層隔熱組件超過50片，約26 m2/星[5]。星表多層作為接觸空間輻射環(huán)境的首層關卡，相較于航天器內(nèi)部電子元器件、線路板卡等組件，直接面臨高能粒子的沖擊與作用，導致其在軌靜電放電威脅更為嚴峻。一旦多層組件內(nèi)部發(fā)生充放電效應，可能造成介質(zhì)擊穿損壞、光學表面污染、電子器件燒毀等一系列嚴重后果，威脅到航天器的安全運行[6-8]。

地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)接近外輻射帶的邊緣，該軌道存在高密度的高能粒子(捕獲電子為主)，能量在0.04～5 MeV 之間的電子占總數(shù)的絕大部分。根據(jù)NASA-HDBK-4002A，100 keV電子約能夠穿透100 μm等效鋁厚度，大致相當于1層面膜和17層10 μm反射屏的等效鋁厚度。因此，GEO高能電子能夠輕易穿透MLI面膜，沉積于MLI內(nèi)部介質(zhì)材料，引發(fā)內(nèi)帶電效應。MLI屬于不同電學特性的多材料復合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)蓬松，層間有不規(guī)則空隙，10單元MLI厚度約為1～5 mm[9]。上述結(jié)構(gòu)特點使得沉積電荷泄放通路不暢，電荷累積率高，形成較強的內(nèi)建電場，進而誘發(fā)靜電放電效應[10-13]。

緊扣MLI的特殊復合結(jié)構(gòu)特點，提煉了影響充放電的核心因素，建立了具有針對性的內(nèi)帶電物理模型和計算模型，實施了10單元MLI的電子輸運和內(nèi)帶電仿真，并對MLI滌綸網(wǎng)電荷沉積率、劑量率和三維內(nèi)建電場的分布特點進行了分析。本文的研究成果可為航天器多層隔熱組件靜電防護設計提供參考依據(jù)。

1 多層隔熱組件內(nèi)帶電模型

從MLI的層狀、蓬松、多材料復合的結(jié)構(gòu)特點的角度出發(fā)，分析MLI的內(nèi)帶電機理，建立相應的內(nèi)帶電模型。

1.1 多層隔熱組件結(jié)構(gòu)分析

航天器在軌運行階段，表面溫度變化范圍在-200～200 ℃之間。MLI可有效地將其內(nèi)部溫度場與外熱流、深冷低溫等空間惡劣環(huán)境進行隔離，是航天器熱控的一種重要手段。

MLI一般由一定數(shù)量的反射層和間隔層以及面膜組成，利用反射層的高反射率阻止隔熱層間的輻射傳熱從而實現(xiàn)高效隔熱[14]。n單元MLI由n層間隔層與n+1層反射屏交替間隔，用縫合線縫制而成，如圖1所示。星用MLI一般為n=5～30單元。

圖1 多層隔熱組件(MLI)構(gòu)成Fig.1 Multi-layer insulation components

MLI面膜選用低太陽吸收比、高紅外發(fā)射率的薄膜，厚度為25～75 μm，表面電阻率≤106Ω/□，如黃膜(導電型聚酰亞胺薄膜二次表面鏡)、白膜(導電型F46鍍銀二次表面鏡)、黑膜(黑色聚酰亞胺薄膜和鍍膜型導電黑色聚酰亞胺膜)和鍍鍺聚酰亞胺膜。反射屏為真空絕熱夾層采用的高反射率和低發(fā)射率材料制作的屏障，一般為雙面鍍鋁膜或鎳箔，厚度約為6～50 μm，長度≥60 m。面膜與反射屏一般為鍍金屬膜且良好接地，沉積于介質(zhì)材料的內(nèi)部電荷會通過金屬膜形成泄放通路，不易累積形成內(nèi)電場從而誘發(fā)放電威脅。

間隔層一般采用經(jīng)熱定形處理、耐真空輻照的滌綸網(wǎng)，或者是經(jīng)高溫烘烤處理的高硅氧玻璃纖維布。選取間隔層為滌綸網(wǎng)的MLI進行內(nèi)帶電效應研究。滌綸網(wǎng)無法直接接地，內(nèi)部沉積電荷只能通過反射屏接地遷移。同時，受在軌運行過程中太陽輻照熱效應的影響，MLI整體為一個相對蓬松的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。反射屏與滌綸網(wǎng)之間不是緊密結(jié)構(gòu)，而且縫合的針腳距一般為50 mm，則理論上滌綸網(wǎng)非接地尺度可達厘米級，因而，滌綸網(wǎng)非接地部位沉積電荷的最短遷移路徑尺寸也可高達厘米級。ESA標準ECSS-E-ST-20-06《空間工程-航天器帶電》及NASA指南NASA-HDBK-4002A《空間帶電效應減緩指南》均指出航天器內(nèi)帶電效應主要發(fā)生于毫米級厚度介質(zhì)體材料，即最短電荷遷移路徑在毫米量級就有內(nèi)帶電風險。滌綸網(wǎng)非接地尺度可達厘米級，其內(nèi)帶電效應引起的放電風險極高。因此，以滌綸網(wǎng)作為充放電仿真的核心對象。

進一步考慮到反射屏為雙面鍍金屬膜材料，由金屬的靜電屏蔽原理可知，反射屏內(nèi)部沉積電荷不影響滌綸網(wǎng)的充放電過程，反之亦然。因此，每個單元滌綸網(wǎng)的充放電過程是獨立的，不同單元滌綸網(wǎng)充放電仿真可單獨進行。

1.2 內(nèi)帶電物理模型

MLI介質(zhì)內(nèi)帶電過程可分為電荷輸運與沉積(即高能電子與靶材料相互作用的微觀物理過程)以及沉積電荷再分布，建立介質(zhì)內(nèi)電位和電場的過程[15-16]。內(nèi)部電荷沉積率Qj是電流源，充電過程滿足電荷守恒定律，得到的控制方程為

(1)

式中：J為介質(zhì)的傳導電流密度和位移電流密度之和，即

(2)

Je為高能電子入射導致的電流密度，滿足

(3)

其中，E為電場強度；ε和σ分別為介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率；電導率σ是本征電導率σ0與輻射誘導電導率σric之和；本征電導率σ0是原位場強和溫度的函數(shù)，輻射誘導電導率σric是輻射劑量率的函數(shù)[17]；Qj為介質(zhì)內(nèi)單位體積電荷沉積率,A·m-3。

利用電場強度E是電位U的負梯度，式(1)變?yōu)殡娢籙的單變量方程：

(4)

對于航天器內(nèi)帶電，通常只考慮絕緣邊界和接地邊界條件，其表達式為

(5)

式中:Sins和Sgrd分別代表絕緣邊界和接地邊界。此處接地代表航天器結(jié)構(gòu)體電位U0。

2 多層隔熱組件電子輸運模擬

基于GEANT4(Geometry and Tracking)數(shù)據(jù)工具包[18]，采用蒙特卡羅算法模擬高能電子與MLI材料的相互作用過程，從而得到MLI材料中的電荷沉積和輻射劑量分布。

2.1 電子輸運模擬建模

結(jié)合內(nèi)帶電理論模型和MLI隔熱材料的結(jié)構(gòu)特點分析，表明電子輸運過程具有整體特性，即任何一個部位的輸運電子理論上可來自整個系統(tǒng)的其他部位，需要建立完整的多層結(jié)構(gòu)才能得到正確的電子沉積和劑量率分布。因此，本文完全按照多層結(jié)構(gòu)三維幾何參數(shù)進行精確建模和模擬，其MLI結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 10單元MLI GEANT4模型Fig.2 10-unit MLI GEANT4 model

針對10單元低溫MLI，基于GEANT4進行電子輸運模擬建模，其中反射屏厚度取最大值10 μm。滌綸網(wǎng)簡化成正方形網(wǎng)格，4個網(wǎng)孔km2，網(wǎng)孔邊長5 mm(見圖2(a))。滌綸網(wǎng)單絲考慮成理想的長方體型，橫截面為正方形，邊長56 μm。滌綸網(wǎng)單絲與滌綸網(wǎng)整體相比尺度極小，這在蒙特卡羅模擬中屬于典型深穿透小尺度問題。為了獲得更準確的模擬結(jié)果，以一個網(wǎng)孔為一個網(wǎng)格單元，在單絲橫截面尺度上未作網(wǎng)格細分?；谏鲜瞿Ｐ停娮幼陨隙氯肷?，10單元MLI GEANT4電子輸運模擬效果如圖2(b)所示。

2.2 GEO同步軌道電子能譜

輸運模擬電子能譜采用Flumic3(Flux Model for Internal Charging，F(xiàn)lumic)模型[18]。該能譜模型指出電子積分通量(Integral Electron Flux)隨電子能量增大呈指數(shù)降低[19]，即

(6)

式中：

(7)

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

由于MLI各單元材料厚度均為微米量級，因此，對該模型電子能量下限延伸至0.01 MeV。

2.3 電子輸運模擬結(jié)果

通過72 h軟件計算，完成了1.5億個電子入射的輸運模擬。模擬中電子束最低能量為10 keV，通量為GEO惡劣情況數(shù)據(jù)flux(E>10 keV)= 4.89×107cm-2·s-1，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由于反射屏充放電風險小，本文充放電仿真主要考慮層間滌綸網(wǎng)，輸運模擬結(jié)果中已將反射屏的電荷沉積和劑量率數(shù)據(jù)剔除。

圖3和圖4給出了GEO最惡劣軌道環(huán)境10單元MLI內(nèi)部電荷輸運過程中，滌綸網(wǎng)材料內(nèi)部電子沉積率和劑量率，對比可以看出：電子沉積率與劑量率(能量沉積率)隨深度(多層單元離電子入射表面所處深度)衰減，近似呈線性關系。一般情況下，大系統(tǒng)中的小尺度滌綸單絲，極難有可觀的電子沉積和能量沉積，更何況高能電子具有很強的穿透性，大量電子都可直接穿透MLI。但由圖4可知，滌綸網(wǎng)的電子沉積率和劑量率在數(shù)量上依然十分可觀。其主要原因由于MLI作為衛(wèi)星表面組件接收的高能電子輻射總通量大。在總?cè)肷淞Ｗ踊鶖?shù)大的前提下，入射電子依然具有能量廣譜性和輸運隨機性的特點，導致滌綸單絲上依然有一定概率的電荷沉積和能量沉積行為，即發(fā)生可觀量級的充電過程。

圖3 滌綸網(wǎng)電子沉積率隨深度的分布Fig.3 Distribution of electron deposition rate of polyester mesh with depth

圖4 滌綸網(wǎng)電子劑量率隨深度的分布Fig.4 Distribution of electron-irradiated dose rate of polyester mesh with depth

3 多層隔熱組件內(nèi)建電場三維有限元仿真

根據(jù)前文分析，單獨考慮每層滌綸網(wǎng)，以電子沉積率和劑量率模擬數(shù)據(jù)為輸入，根據(jù)1.2節(jié)所述內(nèi)帶電物理模型，采用COMSOL Multiphysics軟件計算充電平衡狀態(tài)下滌綸網(wǎng)的三維內(nèi)建電場分布。

3.1 滌綸網(wǎng)三維結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分

取滌綸網(wǎng)局部建立模型，如圖5所示。COMSOL采用有限元方法進行求解，通過合理的網(wǎng)格剖分既有助于提高計算效率，又是得到可靠結(jié)果的必要條件。對滌綸網(wǎng)進行了細致的網(wǎng)格剖分，在接地邊角等容易出現(xiàn)電場畸變的地方進行了大幅加密處理，最小網(wǎng)格尺度達到0.1 μm，是滌綸單絲直徑的1/560，如圖6所示。

圖5 滌綸網(wǎng)內(nèi)建電場仿真幾何建模Fig.5 Geometry modelingfor built-in electric field of polyester mesh

圖6 滌綸網(wǎng)內(nèi)建電場仿真網(wǎng)格剖分Fig.6 Simulation grid for built-in electric field simulation in polyester mesh

3.2 滌綸網(wǎng)材料物性參數(shù)

滌綸是一種聚酯材料，通過文獻調(diào)研[20]，聚酯材料的主要物性參數(shù)如密度ρ、本征電導率σ0、相對介電常數(shù)ε0、輻射誘導電導率經(jīng)驗系數(shù)kp和Δ、激活能EA見表1。按該表中所列參數(shù)進行仿真計算，仿真設定溫度為300 K。

表1 計算中采用的滌綸網(wǎng)材料物性參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 一般接地條件下滌綸網(wǎng)內(nèi)建電場分布特征

仿真采用的一般接地工況如圖7所示，圖中藍色部分為仿真區(qū)域，該區(qū)域與黑色區(qū)域上表面邊界接地，角未接地。

圖7 一般接地工況Fig.7 General grounding conditions

首先，展示了2個典型滌綸網(wǎng)層(第1、10層)的3個典型截面(上表面、28 μm深度截面和下表面)充電平衡時電場強度大小數(shù)值分布的高度圖(電場仿真過程中不考慮材料擊穿)，如圖8和圖9 所示。不同滌綸網(wǎng)截面最大電場強度見表2。

表2 不同滌綸網(wǎng)截面最大電場強度

圖8 第1層滌綸網(wǎng)電場分布高度圖Fig.8 Height map of electric field distribution of first polyester mesh

圖9 第10層滌綸網(wǎng)電場分布高度圖Fig.9 Height map of electric field distribution of 10th polyester mesh

對比不同層的滌綸網(wǎng)的電場分布可知：

1) 首先計算了MLI面膜帶電效應。MLI面膜外表面鍍金屬，并作接地處理。面膜背面充電電位最高為-7.38 V，最大充電電場強度可達6.5×105V/m，發(fā)生放電的風險較小，這說明MLI面膜表面鍍金屬膜可有效抑制表面充放電現(xiàn)象的發(fā)生，該結(jié)論在地面試驗中已證實[21-22]。

2) GEO惡劣電子輻射環(huán)境下間隔層滌綸網(wǎng)內(nèi)充電電場強度最高可達9.7×108V/m，材料深處第10層滌綸網(wǎng)電場的最大畸變量高于2.5×107V/m。NASA-HDBK-4002A指出當材料內(nèi)部電場強度超過1×107V/m時，靜電放電導致的介質(zhì)材料擊穿隨時可能發(fā)生。因此，GEO輻射環(huán)境下滌綸網(wǎng)發(fā)生靜電放電威脅的風險很高。

3) 縱向?qū)Ρ韧粶炀]網(wǎng)不同深度的電場分布可以看出，材料靜電場在邊、角處的畸變巨大，畸變程度隨著與接地邊界、材料上表面距離的增加而減緩。同時，不同層滌綸網(wǎng)電場強度的極大值或電場主要畸變區(qū)域均位于滌綸網(wǎng)結(jié)節(jié)接地邊界處，這表明靜電放電最大概率發(fā)生于滌綸網(wǎng)的結(jié)節(jié)處，該結(jié)果與地球同步軌道MLI地面輻照試驗中電場分布趨勢一致[21]。

3.3.2 滌綸網(wǎng)內(nèi)建電場的深度分布特征

航天器多層隔熱組件相關工藝標準要求接地點均勻分布，且一般設置在距離邊緣10～25 mm處。但由于MLI面積大，僅靠棉線縫合的滌綸網(wǎng)與反射屏是否良好接觸具有不確定性，則滌綸網(wǎng)部分區(qū)域處于孤立狀態(tài)，良好接地不能完全保證。3.3.1節(jié)仿真分析表明，電場畸變主要發(fā)生于滌綸網(wǎng)結(jié)節(jié)接地邊界處，因此，將接地邊界設計在結(jié)節(jié)附近可以進一步模擬分析最壞接地情況。根據(jù)最壞情況仿真原則，設計了4種典型接地工況，分布在同一滌綸網(wǎng)孔的4個結(jié)節(jié)上，如圖10所示。

圖10 4種接地工況所處位置及局部放大圖Fig.10 Location and locally enlarged drawings of four grounding conditions

首先，根據(jù)接地工況1的電場分布(見圖11)可知，接地邊界g2的電場強度遠大于接地邊界g1的電場。這是由于g1為接地邊，g2為接地角，相比于接地邊，接地角的電荷最短輸運路徑少，沉積電荷遷移難度大，遷移電流密度會集中于接地角，根據(jù)電流密度J與電場E之間關系的式(2) 可知，電流密度越大，電場強度越大。

圖11 工況1第1層滌綸網(wǎng)上表面局部電場分布高度圖Fig.11 Height map of local surface electric field distribution for first layer polyester mesh under Condition 1

進一步分析發(fā)現(xiàn)，g1、g2接地邊界對應的電荷遷移源具有不對稱性，g2對應電荷源體積更大，相應的電流密度更大，電場強度更大。

其次，分析4種典型接地工況的極大值點的電場強度隨滌綸網(wǎng)層數(shù)的分布曲線，如圖12所示。4種工況的極大值點分別為g2右端點，g3右端點，g4頂端點和g5頂端點，如圖10所示。由圖可知，電場強度隨滌綸網(wǎng)層數(shù)的增加而減少，這與電荷沉積和劑量率隨滌綸網(wǎng)層數(shù)增加而減少的趨勢相一致。Gnd1-g2、Gnd2-g3、Gnd4-g5均有角接地，而Gnd3-g4同時有邊接地和角接地，內(nèi)部沉積電荷具備更好的泄放通路，Gnd3-g4的電場值比其他3種情況的電場強度小。

圖12 4種典型接地電場極值點的電場強度隨滌綸網(wǎng)層數(shù)的分布曲線Fig.12 Distribution curves of electric fields of four typical grounding electric field extreme points with polyester mesh layers

在此基礎上，圖13和圖14分別表示第1、10

圖13 第1層滌綸網(wǎng)4種典型接地電場強度極值點的電場隨深度的分布曲線Fig.13 Distribution curves of electric fields with depth of four typical grounding electric field extreme points for first polyester mesh

圖14 第10層滌綸網(wǎng)4種典型接地電場極值點的電場隨深度的分布曲線Fig.14 Distribution curves of electric fields with depth of four typical grounding electric field extreme points for 10th polyester mesh

層滌綸網(wǎng)4種典型接地工況極大值點的電場隨單個滌綸網(wǎng)電子入射深度的分布曲線，由圖14可知，電場強度值先隨深度衰減迅速，而后緩慢衰減。這進一步說明電場畸變程度與相對接地邊(角)的距離有關，距離越近，畸變越明顯，同時說明僅接地角的電場極值比接地邊更大，畸變程度更高。

綜上所述，為降低MLI內(nèi)部充電電場，應保證滌綸網(wǎng)接地良好，通過加密棉線縫合間距可有效提升滌綸網(wǎng)與反射屏的接觸效果。

4 結(jié) 論

針對MLI開展了物理建模和仿真分析研究，獲得了MLI電荷沉積率、劑量率和電場分布特性。結(jié)果表明，MLI內(nèi)部電子沉積率與劑量率隨深度衰減；MLI間隔層滌綸網(wǎng)在GEO惡劣電子輻射環(huán)境下充電電場強度可高達9.7×108V/m，具有放電風險；滌綸網(wǎng)接地邊、角處的電場強度最大且電場畸變巨大；MLI充放電風險主要源于滌綸網(wǎng)與反射屏之間的非緊密接觸而引起的不良接地情況，建議通過加密棉線縫合間距以提升滌綸網(wǎng)與反射屏的接觸效果，從而降低MLI的充放電風險。