太空飛行器內部充電又稱深層充電、體內充電或浸入充電。由於大量具有足夠能量的帶電粒子透過太空飛行器表面進入內部，在電介質中積累而形成層間電荷結構的過程。它是由空間環境中幾百千電子伏特以上的高能電子輻引起的一種太空飛行器效應。太空飛行器內部充電一般是一個緩慢的積累過程。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器內部充電
- 外文名：interrnal charging of spacecraft
- 學科：航空工程
- 領域：工程技術
簡介,對太空飛行器充電現象主動控制裝置的一般要求,太空飛行器充電現象的主動控制裝置,內部充放電的一般特徵,
簡介
太空飛行器內部充電又稱深層充電、體內充電或浸入充電。由於大量具有足夠能量的帶電粒子透過太空飛行器表面進入內部，在電介質中積累而形成層間電荷結構的過程。它是由空間環境中幾百千電子伏特以上的高能電子輻引起的一種太空飛行器效應。太空飛行器內部充電一般是一個緩慢的積累過程。電荷積累速率主要與介質電導率、單位時間人射粒子通量以及電場強度有關。如果大量帶電粒子在介質內部沉積，則可形成強大的靜電場，一旦電場強度超過介質的擊穿值就會引發擊穿放電，產生電磁脈衝，對太空飛行器構成威脅，甚至造成太空飛行器失效。
對太空飛行器充電現象主動控制裝置的一般要求
所謂主動控制，就是太空飛行器通過發射人造帶電粒子的方法對空間帶電粒子環境作出主動回響， 以期對太空飛行器表面入射和出射的帶電粒子間的平衡進行自動調節，使太空飛行器與空間電漿等電位。
一個理想的主動控制裝置必須具備:
1)有感測與空間電漿間電位差的能力；
2)有鉗制太空飛行器電位使之接近於零或是不超過設定值的能力；
3)它運轉時對太空飛行器上的各種控制和觀測裝置的影響不超過允許值；
4)不會對太空飛行器的“飛行動力學系統產生超過允許值的干擾；
5)它還必須在重量、能源消耗及運轉可靠性方面有良好的性能。
太空飛行器充電現象的主動控制裝置
眾所周知，位在電漿環境中的物體，由於電漿與物體表面間的相互作用，表面將達到它的平衡電位。此平衡電位的高低與物體的結構，與表面材料的性質以及空間帶電粒子環境的參數有關。當太空飛行器位在光照區且磁層處於寧靜期時，由於太空飛行器表面的光電發射電流略大於入射的環境電子流，太空飛行器表面處於輕微的正電位。當太空飛行器位於光照區而遇到磁層亞暴時，由於環境高能電子的注入，太空飛行器表面被充電到相當的負電位，最為嚴重的是當太空飛行器處在星食期而又值發生磁層亞暴時，太空飛行器表面會達到上萬伏的負電位。由此，太空飛行器充電現象的主動控制是要解央表面很高的負電位以及嚴重的不等量帶電問題。適於此種套用的裝置，主要有電子釋放裝置及電漿電荷中和和釋放裝置。
無偏置電位的低能電子釋放裝置的空間試驗已經證明，此類裝置有較大的局限性。由於太空飛行器表面不等量帶電在太空飛行器周圍空間形成了靜電阻擋層，該裝置釋放的低能電子如不能超越靜電阻擋層便返回太空飛行器表面而失去控制表面充電的能力。通常這類裝置釋放的電子僅具有幾個ev的能量，因此，它只在表面充電不嚴重時有較明顯的控制作用，而在表面充電到較高的負值時該裝置釋放電子的能力便受到抑制，或說不能使太空飛行器表面電荷充分釋放。提高此類裝置性能的方法是採用自動電位偏置。與電子釋放裝置相比，電漿裝置在控制太空飛行器充電方面具有更為優越的性能，它兼有電荷中和以及釋放電子電荷的能力。而且環繞太空飛行器的電漿雲本身亦具有相當的電導，它可使太空飛行器表面的不等量充電變得平緩，從而有利於太空飛行器電位的進一步下降。
內部充放電的一般特徵
內部充電誘發的異常與高能電子通量水平相關聯、高能電子主要分布在外輻射帶區域，對於外輻射帶兩個太空飛行器密集分布的區域MEO和GEO。因為包含了外輻射帶中高能電子的峰值區域(3- 5Re)，前者面臨的內部充電危險性更高。
內部充電異常通常是在高能電子增強條件下發生的，典型的高能電子增強事件通常由大的地磁暴觸發的，電子通量水平比平時高出1-2個量級甚至更高，又稱高能電子暴，長期觀測顯示，高能電子增強事件與太陽活動周期大致呈反相位關係。因此，在太陽活動低年恰恰是內部充電及放電的危險期和相關異常的高發期。
內部充電是個累積過程，充電達到平衡的時間主要取決於高能電子通量水平及介質的電導率；而放電是個瞬發過程，除取決於充電水平的高低外，還取決於外界觸發條件。內部充電過程包括充電和電荷泄露兩個過程，電子通量決定著充電時間的長短，而介質電導率決定著電荷泄漏的快慢。在空間輻照環境下，介質的電導率除固有電導率外又增加了隨輻射環境改變的輻射誘發電導率。根據CRESS衛星的試驗結果，在材料經過數月的充分輻照後開始觀測到放電脈衝，另外，不同材料在輻照環境下放電特性大不相同，例如FR4(電路板材料)在經過充分的輻照後放電脈衝頻次增加，意味著其輻射誘發電導率可能隨著輻照劑量的增加而減小，所以存儲電荷的能力增強，從而可以充到較高電位而產生放電；而聚四氟乙烯(PTFE)的放電特徵則相反，在衛星發射後很快就觀測到放電脈衝，但隨後卻很少出現。一個可能的解釋是材料在經過充分的真空暴露後電導率降低，對於FR4材料，輻射誘發電導率的增加小於充分放氣後其固有電導率的減小量，總的電導率降低，使之容易充到高電位而發生放電;而PTFE材料的固有電導率減小量大於輻射誘發電導率的增量，總電導率增加，因而不容易發生放電。
介質材料的放電十分複雜，當充電產生的電場超過材料的耐受閾值時發生自然擊穿放電，通常認為充電達到10V/m很容易發生放電，具體放電閾值因材料不同而有所變化。充電導致的自然擊穿放電外，一些外部的環境擾動也可能導致放電提前發生，空間碎片撞擊、材料出氣等因素都可能成為誘發因素C0.11 ，這使得對衛星內部放電誘發異常的分析和診斷更加困難、實驗已經證實，空間碎片撞擊高充電部位可以誘發放電，碎片的超高速撞擊會拋射等離子云團，在已經形成高電位差或電場的部位建立放電通道，從而引發高充電部位提前發生放電。對介質材料內部放電的觸發機理尚待深入研究，這可以為ESD異常診斷提供新的線索。
