空间等离子体环境对影响及其研究

近地空间存在着大量的等离子体。除了磁层外的太阳风等离子体外，在磁层中还有电离层、等离子体层和等离子体片等集中分布的等离子体区域。当航天器在这些区域运行时，会与等离子体相互作用而导致表面带电，从而诱发故障，甚至造成航天器失效。

1.航天器充电

空间等离子体引起的航天器充电主要有两种［1-3，15，23］：表面充电和内部充电。

1）表面充电

能量不能穿透航天器表面的等离子体（数十千电子伏以下）与航天器相互作用而产生的充电现象，称为表面充电。在能量和密度大致相近的电子与离子所构成的等离子体中，电子热运动速度远大于离子，所以航天器表面将有大量的电子沉积而带负电，而带电电位大致与电子热能相当。由于航天器表面不同部分可以处于不同的环境（如有无日照）及相对运动方向不同的方位（如冲压-层流）之中，加之表面材料不同（光电发射、二次发射系数等），所以可以使其带有不同电位，并形成不均匀充电，出现电位差。这一电位差在中低轨卫星中最高可达数千伏以上，同步轨道甚至上万伏。

2）内部充电

内部充电也叫深层充电，主要是指数十千电子伏以上的电子入射到航天器上，透过航天器表面，沉积到航天器表面以下数十微米的地方，并且深度随着入射电子能量的增加而增加。航天器充电不仅出现在同步轨道上，低轨道上的大尺寸极轨航天器也可以充电至负几千伏。在磁扰条件下，沉降粒子的注入也可以使航天器充电至高电位。例如，美国的DMSP 国防气象卫星就曾经探测到-2 000 V 的电位。当航天器表面材料绝缘时，它们在空间等离子体中被充电至不同电位，从而可能引起放电，使航天器发生故障。美国利用P78-2 卫星专门研究了卫星充电条件和静电放电过程，证实了卫星充电和航天器故障的原因。故障分析表明，空间等离子体使航天器充电引起的故障占所有空间环境故障的1/3。(www.xing528.com)

2.太阳电池阵

当大型航天器在地球轨道中运行，高电压太阳电池阵与等离子体相互作用时，会产生下列严重的有害效应［24-25］。

（1）高电压太阳电池阵的电流泄漏。等离子体的高导电性使高电压太阳电池阵的裸露导体部分（例如电池间金属互连片）与之构成并联电路，从而造成电源电流无功丢失现象。由于在相同的温度下电子迁移率要比离子高得多，因此该现象主要表现为高电压太阳电池阵对周围等离子体的电子电流收集，故又称电流收集。

（2）高电压太阳电池阵的弧光放电。弧光放电是指相对于环境等离子体为负电位的太阳电池阵与空间等离子体相互作用而发生的现象。它既增加了电源的无功损耗和材料损耗，又因产生电磁干扰而影响系统的正常工作。

（3）航天器充电。这是引发航天器故障的重要原因，已为各国航天专家所认可。在对所统计的1 988 次航天器故障的分析中，充电导致静电放电引起的故障达639 次，电子诱发电磁脉冲达197 次之多。