左穎萍，周傳君，朱興鴻，范慶梅

?

衛(wèi)星多層隔熱組件表面等電位控制工藝

左穎萍，周傳君，朱興鴻，范慶梅

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

文章基于電磁監(jiān)測衛(wèi)星的空間等離子體表面帶電環(huán)境和等電位要求，對(duì)衛(wèi)星多層隔熱組件表面等電位的控制方法進(jìn)行分析和優(yōu)化，給出多層隔熱組件制作、安裝、接地、檢測和保護(hù)工藝方法，從而滿足整星表面的電位差在±2V以內(nèi)的控制要求。

電磁監(jiān)測衛(wèi)星；多層隔熱組件；空間等離子體環(huán)境；表面帶電；等電位控制；接地

0 引言

運(yùn)行于低地球軌道的航天器與周圍等離子體和太陽輻射等環(huán)境因素相互作用，其表面產(chǎn)生不等量帶電。某電磁監(jiān)測衛(wèi)星軌道高度為500km，主要用于獲取全球電磁場、等離子體和高能粒子的觀測數(shù)據(jù)，來識(shí)別地震前相關(guān)的電磁、電離層和高能粒子異常信息。500km軌道高度的等離子體為冷稠等離子體，電子和離子的能量約0～1eV，根據(jù)電磁監(jiān)測衛(wèi)星的等離子體分析儀和相關(guān)載荷的探測需求，在通常等離子體條件下，需要將星體表面電位差控制在±2V之內(nèi)。

該電磁監(jiān)測衛(wèi)星體外布有太陽電池陣，外表面主要覆有多層隔熱組件和OSR片，其中多層隔熱組件占據(jù)整星表面的50%以上。因多層表面電阻、光照條件、電搭接方式等不同，表面之間會(huì)產(chǎn)生電位差，對(duì)整星探測影響較大。因此，必須對(duì)多層隔熱組件表面進(jìn)行等電位控制。

本文主要分析計(jì)算該電磁監(jiān)測衛(wèi)星的電位情況，對(duì)衛(wèi)星多層隔熱組件表面等電位的控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以確保多層隔熱組件表面等電位控制的有效性和可行性。

1 衛(wèi)星電位控制

衛(wèi)星絕對(duì)電位指衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)“地”相對(duì)周圍空間等離子體環(huán)境的電位。理想情況下，衛(wèi)星的表面各部位導(dǎo)電性能良好時(shí)，其電位接近衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地電位并處于一個(gè)較小的負(fù)值；但由于周圍等離子體環(huán)境、光照條件、衛(wèi)星表面材料、表面接地導(dǎo)體面積（導(dǎo)電層電阻）和接地點(diǎn)數(shù)量等多種因素決定衛(wèi)星表面存在一定電位差。一般當(dāng)衛(wèi)星處于向陽面時(shí)，由于有光電效應(yīng)，衛(wèi)星一般帶正電荷；而當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到背陽面時(shí)，衛(wèi)星一般帶負(fù)電荷，處于負(fù)電位[1-2]。

根據(jù)電磁監(jiān)測衛(wèi)星等電位控制要求，通常等離子體條件下，衛(wèi)星表面各部分的電位差要在±2V以內(nèi)。多層隔熱組件占據(jù)整星表面絕大部分面積，故本文重點(diǎn)研究控制多層隔熱組件表面相對(duì)空間等離子體的電位在要求范圍內(nèi)。

2 多層的星表接地設(shè)計(jì)

為了減小衛(wèi)星表面靜電積累，星表多層隔熱組件一般通過表面導(dǎo)電處理并導(dǎo)電層接衛(wèi)星“地”控制電位。多個(gè)單元的多層通過風(fēng)琴葉片接地，將鋁箔裁剪為寬20mm的長條狀，折疊成風(fēng)琴式，風(fēng)琴層數(shù)與多層隔熱組件單元層數(shù)一致，折成后的風(fēng)琴片為邊長20mm的正方形。將風(fēng)琴片的每一層鑲嵌在每層雙面鍍鋁聚酯膜之間，用接地鉚釘焊片與風(fēng)琴片鉚接成一體。根據(jù)熱控需求，多層隔熱組件的面膜主要為表面鍍ITO膜和具有良好導(dǎo)電性的黑色滲碳膜，黑膜的實(shí)測方塊電阻0在10～100kΩ。按照工藝要求，星表每隔500mm設(shè)置一個(gè)接地樁，星表多層均勻布置風(fēng)琴葉片接地，參見圖1。從圖中可以看出，只要控制每個(gè)風(fēng)琴葉片單元的面積，即可控制整個(gè)熱控多層的接地特性。

圖1 星表熱控多層接地示意

假設(shè)風(fēng)琴葉片接地孔的半徑為0，相鄰2個(gè)接地點(diǎn)的距離為，薄膜方塊電阻為0，圖2為單個(gè)風(fēng)琴葉片接地示意圖。

圖2 單個(gè)風(fēng)琴葉片接地示意

距離風(fēng)琴葉片接地孔中心處的圓環(huán)到結(jié)構(gòu)地的電阻為

接地電阻最大值按方塊的外接圓來計(jì)算：

風(fēng)琴葉片中間的鉚接接地通孔半徑為2mm，即0=0.002m。0=100kΩ，=0.5m，經(jīng)計(jì)算max=82.4kΩ，即對(duì)于阻值為100kΩ的多層面膜，通過面積為0.25m2的接地單元接地的電阻應(yīng)不大于82.4kΩ。

3 衛(wèi)星電位控制計(jì)算

3.1 初步計(jì)算

等離子體在衛(wèi)星周圍產(chǎn)生的鞘層厚度一般為數(shù)個(gè)德拜半徑[3-4]。在低地球軌道高度，德拜半徑為數(shù)mm。因此，鞘層厚度遠(yuǎn)小于衛(wèi)星的尺度，故采用無限大平板模型計(jì)算衛(wèi)星對(duì)電子與離子電流的吸收。電子和離子密度分別為

式中：eo、io分別為電子和離子飽和電流，eo=1/4e·eo，io=1/4iio，e、i分別為電子和離子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度；eo、io分別為電子和離子密度；e、i分別為電子和離子溫度。

根據(jù)電流平衡關(guān)系有：

式中：ir為離子撞擊電流密度；n為接地單元的面積；n為單元表面電阻，V為衛(wèi)星各單元表面相對(duì)等離子體的電位，0為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的絕對(duì)電位。在已經(jīng)針對(duì)衛(wèi)星表面進(jìn)行了接地等多方面電位控制考慮的基礎(chǔ)上，如果衛(wèi)星處于強(qiáng)等離子體環(huán)境下，其各表面相對(duì)結(jié)構(gòu)地的電位計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，計(jì)算結(jié)果無法完全滿足相對(duì)結(jié)構(gòu)地的電位在±2V以內(nèi)的指標(biāo)要求[5]，需要進(jìn)一步優(yōu)化衛(wèi)星的表面接地。

表1 強(qiáng)等離子體環(huán)境中衛(wèi)星表面電位計(jì)算結(jié)果

3.2 電位控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星部分表面電位過大的主要原因是多層接地電阻過大，阻礙等離子體撞擊電流，從而影響其平衡電位。在進(jìn)行多層表面優(yōu)化時(shí)，首先考慮增加表面的接地點(diǎn)數(shù)量，其次考慮熱控多層的面膜阻值的控制。

黑色滲碳膜的方塊電阻指標(biāo)為10～100kΩ，表1是按100kΩ進(jìn)行計(jì)算的。為優(yōu)化整星的導(dǎo)電性能，須減小方塊電阻，故選擇方塊阻值10kΩ左右的黑膜，并將原來每0.25m2的面積內(nèi)設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)更改為每0.05m2的面積內(nèi)設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的計(jì)算結(jié)果見表2，衛(wèi)星表面各部位相對(duì)結(jié)構(gòu)地的電位滿足要求。

表2 強(qiáng)等離子體環(huán)境中增加接地點(diǎn)數(shù)量后計(jì)算結(jié)果

4 熱控多層的星表接地實(shí)施

4.1 控制要求

多層隔熱組件的接地形式和接地?cái)?shù)量對(duì)其整體電位控制有較大影響，所以需要對(duì)多層隔熱組件進(jìn)行必要的接地處理。根據(jù)衛(wèi)星的表面電位差優(yōu)于±2V的要求，計(jì)算出多層隔熱組件面膜選擇阻值小于10kΩ的帶ITO鍍膜（氧化銦錫透明導(dǎo)電膜）的單面鍍鋁黑色聚酰亞胺薄膜，每0.05m2的方塊，即=0.22m的正方形多層方塊內(nèi)設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)，實(shí)測接地阻值不大于7kΩ。

4.2 黑膜的特性及工藝性

帶ITO鍍膜的單面鍍鋁黑色聚酰亞胺薄膜材料是在黑色聚酰亞胺滲碳膜為基膜的基礎(chǔ)上，外表面以成熟工藝鍍ITO層、內(nèi)表面鍍鋁，在不影響基膜熱光學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，大大降低了材料表面任意兩點(diǎn)之間的電阻。從其結(jié)構(gòu)和性能可以看到，該材料滿足基膜（黑色聚酰亞胺滲碳膜）導(dǎo)電的基本要求；表面ITO鍍層具有抗原子氧的表面特性；同時(shí)還具有比原選材料更低的接地電阻。

從其制備工藝可行性上看：1）基膜為目錄內(nèi)材料，已經(jīng)通過熱循環(huán)（熱沖擊）、空間輻照（質(zhì)子和電子）、紫外輻照等各項(xiàng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證，并在軌應(yīng)用多年；2）外表面鍍ITO層為成熟工藝，利用該工藝已生產(chǎn)制備的目錄內(nèi)材料（導(dǎo)電型F46鍍銀二次表面鏡和ITO型單面鍍鋁聚酰亞胺膜等）廣泛應(yīng)用于各個(gè)型號(hào)；3）內(nèi)表面鍍鋁也是成熟工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)ITO型單面鍍鋁聚酰亞胺膜。

綜上，帶ITO鍍膜的單面鍍鋁黑色聚酰亞胺薄膜滿足電磁監(jiān)測衛(wèi)星電位控制和溫度控制需求，并具有防原子氧、電性能優(yōu)異、電導(dǎo)率高等特點(diǎn)，其成型工藝良好，工程可實(shí)現(xiàn)。

4.3 制作與接地安裝

多層隔熱組件的每一層反射屏與多層面膜需鉚接成一體并與星體接地樁連接，接地樁布置方格尺寸為不大于220mm×220mm，方塊面積為0.05m2，即邊緣每隔約220mm設(shè)置一個(gè)接地點(diǎn)。

1）將鋁箔裁剪為寬20mm的長條狀，折疊成風(fēng)琴式，風(fēng)琴層數(shù)與多層隔熱組件單元層數(shù)一致，折成后的風(fēng)琴片為邊長20mm的正方形。

2）將接地處的每層間的滌綸網(wǎng)剪除，將風(fēng)琴片的每一層鑲嵌在每層雙面鍍鋁聚酯膜之間。

3）用4mm的開孔器在風(fēng)琴片上打孔，貫穿風(fēng)琴片的每一層，多層隔熱組件用4mm接地鉚釘將接地導(dǎo)線的雙向焊片與風(fēng)琴片鉚接成一體。

4）多層接地樁的連接方式采用雙向焊片、且并串聯(lián)后連接至整星接地點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 多層接地樁連接方式

4.4 控制與檢測措施

多層隔熱組件制作完成后，對(duì)其進(jìn)行阻值檢驗(yàn)，主要流程和要求包括：

1）檢測中使用的與多層接觸的探頭使用直徑為1cm的圓盤形，并在檢測中采用面接觸的方式進(jìn)行測試，將萬用表量程調(diào)至kΩ檔；

2）制作多層前測量面膜表面電阻率，實(shí)測值應(yīng)小于10kΩ/□；

3）多層接地制作完成后，使用萬用表在面膜表面縱、橫2個(gè)方向上按照=0.22m的步長進(jìn)行電阻測量，如圖4所示，風(fēng)琴葉片接地點(diǎn)到結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)的連接阻值不大于100mΩ，測試點(diǎn)到結(jié)構(gòu)接地點(diǎn)的連接阻值不大于7kΩ。

圖4 熱控多層隔熱組件表面接地電阻測試點(diǎn)

電磁監(jiān)測衛(wèi)星經(jīng)過熱控星和正樣星熱試驗(yàn)前后的多次驗(yàn)證，選取方塊阻值小于10kΩ的黑色滲碳膜，測試點(diǎn)到結(jié)構(gòu)接地點(diǎn)的連接阻值均小于7kΩ。

4.5 多層隔熱組件的保護(hù)

1）對(duì)多層隔熱組件進(jìn)行真空除污染。將多層隔熱組件放置在真空容器內(nèi)，抽真空至容器內(nèi)真空度優(yōu)于1.0×10-3Pa，多層擺放不折疊并進(jìn)行烘烤，烘烤溫度60℃，且在此溫度下保持24h。

2）由于制作多層的黑膜較軟，而膜表面的ITO鍍層質(zhì)地較硬，因此在衛(wèi)星表面鋪設(shè)多層隔熱組件時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)膜進(jìn)行折疊和按壓，以防ITO層斷裂而影響表面導(dǎo)電特性。

3）將經(jīng)過除氣處理的多層隔熱組件放在有干燥劑、防氧化劑的密封塑料袋內(nèi)，在塑料袋表面標(biāo)識(shí)出多層隔熱組件的名稱、代號(hào)、數(shù)量，并將包裝袋放入專用包裝箱。

4）在對(duì)星表鋪設(shè)多層隔熱組件時(shí)，如果遇到不規(guī)則的、不易處理的區(qū)域，不允許對(duì)多層隔熱組件進(jìn)行隨意的彎折，要求在盡可能保持多層平整的前提下，使用導(dǎo)電的銅基膠帶進(jìn)行剩余區(qū)域的處理。

5 結(jié)束語

本文基于低軌空間等離子體環(huán)境對(duì)電磁監(jiān)測衛(wèi)星的影響分析，對(duì)衛(wèi)星多層隔熱組件表面等電位的控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化衛(wèi)星多層隔熱組件材料的選擇、制作、接地處理、保護(hù)存儲(chǔ)等工藝，將整星表面電位差控制在±2 V以內(nèi)，從而有效減少衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)對(duì)周圍等離子體中低能粒子的干擾，滿足了電磁監(jiān)測衛(wèi)星科學(xué)探測任務(wù)的需求。

[1] 張書鋒, 路潤喜. 低地球軌道航天器對(duì)接放電研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2009, 26(6): 214-221

ZHANG S F, LU R X. Discharging during LEO spacecraft docking[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(6): 214-221

[2] 張沛, 原青云, 許斌, 等. 航天器表面充放電原理研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(5): 116-118

ZHANG P, YUAN Q Y, XU B, et al. Charge and discharge principle of spacecraft surface[J]. Equipment Environmental Engineering, 2013, 10(5): 116-118

[3] 馮宇波, 王世金, 關(guān)燚炳. 空間等離子體對(duì)飛船對(duì)接過程的充放電影響[J]. 上海航天, 2013, 30(1): 53-58

FENG Y B, WANG S J, GUAN Y B. Space plasma influence in spacecraft charging and docking discharging[J]. Aerospace Shanghai, 2013, 30(1): 53-58

[4] 關(guān)燚炳, 王世金, 梁金寶, 等. 航天器交匯對(duì)接電位控制研究與航天器電位監(jiān)測[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2011, 29(29): 27-31

GUAN Y B, WANG S J, LIANG J B, et al. Spacecraft potential control and potential monitor during spacecraft docking[J]. Science & Technology Review, 2011, 29(29): 27-31

[5] 趙穎, 劉松喆, 金海雯. 電磁監(jiān)測衛(wèi)星太陽電池陣表面等電位控制[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(2): 276-278

ZHAO Y, LIU S Z, JIN H W. Controlling techniques of electrostatic cleanliness in design of solar arrays for electromagnetism survey satellite[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2014, 38(2): 276-278

（編輯：馮露漪、閆德葵）

Process for surface equipotential control of satellite multilayer insulation

ZUO Yingping, ZHOU Chuanjun, ZHU Xinghong, FAN Qingmei

(DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China)

This paper analyzes and optimizes the method of equipotential control on the surface of the multilayer heat insulation of an electromagnetic monitoring satellite in the space plasma charging environment of the satellite and with consideration of its surface equipotential requirements. The desirable working processes for the multilayer components are proposed, including the fabrication, the installation, the grounding, the detection, and the protection, to meet the requirement of controlling the surface potential difference of the whole satellite within ±2V.

electro-magnetic monitoring satellite;multilayer insulation; space plasma environment; surface charging; equipotential control; grounding

V444.3

B

1673-1379(2018)02-0195-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.016

左穎萍（1985—），女，碩士學(xué)位，從事小衛(wèi)星總裝工藝技術(shù)研究。E-mail: psyche0220@163.com。

2017-09-13；

2018-04-20