充放电效应对航天器的影响

航天器充放电效应的最主要影响是由静电放电（ESD）引起的，表面放电和深层放电都会引起ESD。当表面电压超过表面材料的击穿电压时，就会发生表面放电。表面放电甚至会产生高达几百安培的电流。深层放电与表面放电的关联性很小，但其会产生对电子学的直接危害［8］。

放电弧主要是由表面差异放电和深层放电引起的。放电电流直接注入PCB（印制电路板），后果最为严重，轻则产生电脉冲干扰、重则导致器件击穿、烧毁；放电还会产生电磁脉冲，如电磁脉冲耦合到电缆、元器件中，会对电子学产生电磁脉冲干扰，使其不能正常工作；放电还会导致表面材料严重的物理损伤。例如，放电弧可使表面材料局部加热，加速表面污染，从而使表面材料性能下降；表面放电还会造成太阳能电池阵电流泄漏，甚至烧毁。

放电分三种类型，分别为飞弧（Flashover）、击穿（Punch-through）和向空间放电（Discharge to space）。飞弧是指从一个表面向另一个表面放电；击穿是由航天器内部结构产生的放电穿过表面；向空间放电是从航天器向周围等离子体放电［9-10］。

马歇尔空间飞行中心（MSFC）的电磁和环境分部收集整理了因空间环境造成114 个航天器故障和异常［11］，并于1996 年公布一份由空间环境导致航天器系统失效和异常的统计数据（NASA Reference Publication 1390）。对114 个故障进行统计（表3-1）表明，因等离子体及高能电子引起充放电异常有41 个，由充放电效应引起航天器异常占总故障数高达36.0%，为导致航天器异常的最大因素。

表3-1　各种空间环境因素导致航天器故障统计表［11］

以下给出了一些卫星经典充放电效应在轨事件实例。

1.放电脉冲信号干扰

放电产生的干扰脉冲使指令码错乱，使陀螺制导姿控等控制系统不能正常工作，卫星失控，如1989 年3 月9 日的1988-14A 故障；2015 年9 月22 日，我国BD-2G4 卫星有效载荷分系统S 波段自动电平控制放大器出现增益遥测参数值由0 dB 跳变为+6 dB，后经在轨分析，是由于空间环境异常导致表面充放电，其产生的干扰脉冲耦合到S 波段自动电平控制放大器的锁存器RC4042 的选通控制端，触发了增益挡由0 dB 挡变化到6 dB 挡。

2.数字电路逻辑异常(www.xing528.com)

放电脉冲干扰了数字电路的正常逻辑电平，使电路逻辑码错乱，如美国舰队通信卫星Flsatcom6071 国防卫星通信系统DSCS-II9438-9442 在1987 年3—6月，多次发生低电平逻辑异常。

3.开关误转换

较大放电脉冲会使电源开关发生切换错误，如美国的DSCS-119431，欧空局的气象卫星Meteosat，加拿大的通信技术卫星CTS 均在工作寿命期间因充放电事件多次发生电源误切换或电源母线击穿故障，这类故障多发生在太阳活动强烈期和磁层亚暴之后。

4.卫星温控涂层性能下降、太阳能电池损坏等

局部放电可破坏航天器的温控涂层，或使太阳能电池短路烧坏太阳能电池基片。欧洲海事通信卫星Marecs-A 1991 年因表面充放电效应使太阳能电池严重损坏，功率大辐下降，卫星被迫停止工作。

5.消旋机构失灵、天线定向失灵、遥测系统异常、通信中断等故障

法国的电信卫星Telecom-1A 因放电频繁，干扰了数据传输，使卫星取消了服务业务转为备份澳星；阿拉伯卫星Arabsat-1A 因充放电故障使其地球锁定丧失，被迫转为备份。

6.内带电效应对卫星造成的影响

如1994 年1 月20 日的Intelsat-K 故障，使卫星动量轮控制回路不能正常工作，卫星发生抖动而摇摆，天线颤抖导致覆盖区变化不定；ANIk-EI、ANIk-E2 故障，使卫星陀螺制导系统（动量轮控制）遭到损伤，卫星姿态失控，开始自旋；在2010 年4 月的一次事件中，美国通信卫星Galaxy-15 由于深层充放电导致故障，致使业务中断将近1 年，损失巨大；我国TC-1、TC-2 两颗卫星在2004 年发生的一系列故障，亦是由内部充放电引起的。

空间等离子体中的电子是造成航天器发生充放电现象的主要离子，不同能量的电子通过表面带电和深层带电两种机制使航天器出现放电现象，表面充放电现象主要发生在等离子体密度较大、能量较低的空间环境中；而深层充放电现象主要发生在等离子体密度较小、能量较高的空间环境中，深层充放电主要发生在航天器的介质材料中。因而，高能电子对航天器的损伤作用之一主要通过深层充放电机制使航天器中的介质材料击穿，达到对航天器功能损伤的目的。