CN107102225A - 航天器表面梯度电势模拟实验电路 - Google Patents

航天器表面梯度电势模拟实验电路 Download PDF

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Abstract

本发明航天器表面梯度电势模拟实验电路，包括稳压电源、二极管、靶板、电阻、电压探针、电流探针、接地、导线；本发明提供一种能够模拟航天器表面梯度电势的电路设计方案，该方案使不同带电靶板之间形成电势差，符合实际航天器表面带电情况，并且改变负载阻值即可调整不同靶板间的梯度电势。通过具体实验例证明本发明提出的方案可以有效模拟航天器表面的梯度电势，可重复性好，本发明实现了超高速碰撞条件下诱发的等离体子对航天器表面电磁特性影响的初步研究。

Description

航天器表面梯度电势模拟实验电路
技术领域
本发明涉及航天器的毁伤评估及防护技术领域，具体涉及航天器表面梯度电势模拟实验的电路。
背景技术
由于空间环境中99%以上的物质都是以等离子体形式存在，以等离子体为主要特征的空间环境会诱发航天器带电，使电荷在航天器表面以及内部产生累积效应，进入航天器材料中不同深度处的电荷所形成的电子和离子层可在航天器内保留数周甚至数月，致使航天器表面不同防护层之间存在电势差；另外，在航天器表面焊接、螺丝连接处容易累积大量电荷，使航天器表面这些凸起和凹陷处的电势高于或低于周围电势。因此，航天器表面不同防护层之间，同一防护层的不同位置处存在梯度电势。当空间碎片撞击航天器表面时，超高速碰撞诱发的等离子体放电会改变航天器表面的原有电势，破坏电路系统的正常工作，对航天器构成严重威胁。因此，设计出符合实际航天器表面存在多梯度电势的模拟等效电路，并通过实验研究超高速碰撞条件下诱发的等离体子对航天器表面多梯度电势的影响，对评估空间碎片对航天器的毁伤并提出有效的防护措施具有重要的理论意义。
目前国内在超高速碰撞对航天器引起的力学毁伤方面已有大量研究，但仅限于模拟航天器表面不带电情况下的毁伤研究。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于航天器表面梯度电势模拟实验的电路。该电路使不同带电靶板之间形成电势差，符合实际航天器表面带电情况，并且改变负载阻值即可调整不同靶板间的梯度电势。本发明可以有效模拟航天器表面的梯度电势，可重复性好，本发明实现了超高速碰撞条件下诱发的等离体子对航天器表面电特性影响的初步研究。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于航天器表面梯度电势模拟实验电路，包括稳压电源；二极管；第一电流探针；第一电压探针；第一电阻；第二电流探针；第一靶板；第二电阻；第二电压探针；第二靶板；第三电阻；第三电压探针；第三靶板；第四电阻；第四电压探针；第四靶板；第五电阻；第三电流探针；接地和导线；
所述稳压电源的正极通过导线与二极管连接，稳压电源用于提供电路所需持续稳定的电压；二极管用于保护稳压电源不被反向电流损坏；二极管的另一端通过导线与第一电流探针连接，第一电流探针的另一端通过导线与第一电压探针连接，第一电压探针的一端通过导线连接有第一电阻，第一电阻的另一端通过导线与第二电流探针连接，第二电流探针的另一端通过导线与稳压电源的负极相连接；第一电压探针的另一端通过导线与第一靶板连接，第一靶板的另一端通过导线与第二电阻 连接，第二电阻、第二电压探针、第二靶板、第三电阻、第三电压探针、第三靶板、第四电阻、第四电压探针、第四靶板、第五电阻和第三电流探针 通过导线依次串联连接，第三电流探针 通过导线与稳压电源的负极相连接。
所述第一电压探针、第二电压探针、第三电压探针和第四电压探针用于测量电路中的电压值；
所述第一电流探针、第二电流探针和第三电流探针用于测量电路中的电流变化值；
所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻为电路负载，用于在靶板间形成梯度电势。
作为一种优选的技术方案，所述第一靶板、第二靶板、第三靶板和第四靶板用于模拟航天器表面材料且均设置为50mm×50mm×10mm 的2A12铝板，所述第三靶板为超高速撞击实验中的目标靶板，第一靶板放置在第三靶板正上方且两者间距为2 mm，第二靶板放置在第三靶板左侧且二者间距为2 mm，第四靶板放置在第三靶板右侧且二者间距为2 mm。
作为一种优选的技术方案，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第五电阻为电路负载，第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻与第一靶板、第二靶板、第三靶板、第四靶板交替串联，通过对电阻设定不同阻值，可以在第一靶板、第二靶板、第三靶板、第四靶板间形成不同电势差。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明提供一种用于航天器表面梯度电势模拟实验的电路。该电路使不同带电靶板之间形成电势差，符合实际航天器表面带电情况，并且改变负载阻值即可调整不同靶板间的梯度电势。通过具体实验例证明本发明提出的方案可以有效模拟航天器表面的梯度电势，可重复性好，本发明实现了超高速碰撞条件下诱发的等离体子对航天器表面电磁特性影响的初步研究。
附图说明
图1为本发明航天器表面梯度电势模拟实验电路图；
图2为本发明第一电压探针测得干路电压时程曲线；
图3为本发明第二电压探针测得支路电压时程曲线；
图4为本发明第三电压探针测得支路电压时程曲线；
图5为本发明第四电压探针测得支路电压时程曲线；
图6为本发明第一电流探针测得干路电流变化时程曲线；
图7为本发明第二电流探针测得支路电流变化时程曲线；
图8为本发明第三电流探针测得支路电流变化时程曲线。
图中序号说明：下面结合附图和具体实验例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚的了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
结合图1所示：航天器表面梯度电势模拟实验电路，包括：稳压电源1、二极管2、第一电流探针3、第一电压探针4、第一电阻5、第二电流探针6、第一靶板7、第二电阻8、第二电压探针9、第二靶板10、第三电阻11、第三电压探针12、第三靶板13、第四电阻14、第四电压探针15、第四靶板16、第五电阻17、第三电流探针18、接地19、和导线20。
所述稳压电源1的正极通过导线20与二极管2连接，稳压电源1用于提供电路所需持续稳定的电压；二极管2用于保护稳压电源1不被反向电流损坏；二极管2的另一端通过导线20与第一电流探针3连接，第一电流探针3的另一端通过导线20与第一电压探针4连接，第一电压探针4的一端通过导线20连接有第一电阻5，第一电阻5的另一端通过导线20与第二电流探针6连接，第二电流探针6的另一端通过导线20与稳压电源1的负极相连接；第一电压探针4的另一端通过导线20与第一靶板7连接，第一靶板7的另一端通过导线20与第二电阻8连接，第二电阻8、第二电压探针9、第二靶板10、第三电阻11、第三电压探针12、第三靶板13、第四电阻14、第四电压探针15、第四靶板16、第五电阻17和第三电流探针18 通过导线20依次串联连接，第三电流探针18 通过导线20与稳压电源1的负极相连接。
所述第一电压探针4、第二电压探针9、第三电压探针12和第四电压探针15用于测量电路中的电压值；
所述第一电流探针3、第二电流探针6和第三电流探针18用于测量电路中的电流变化值；
所述第一电阻5、第二电阻8、第三电阻11、第四电阻14和第五电阻17为电路负载，用于在靶板间形成梯度电势。
作为一种优选的技术方案，所述第一靶板7、第二靶板10、第三靶板13和第四靶板16用于模拟航天器表面材料且均设置为50mm×50mm×10mm 的2A12铝板，所述第三靶板13为超高速撞击实验中的目标靶板，第一靶板7放置在第三靶板13正上方且两者间距为2 mm，第二靶板10放置在第三靶板13左侧且二者间距为2 mm，第四靶板16放置在第三靶板13右侧且二者间距为2 mm。
作为一种优选的技术方案，所述第一电阻5、第二电阻8、第三电阻11、第四电阻14和第五电阻17为电路负载，第二电阻8、第三电阻11、第四电阻14、第五电阻17与第一靶板7、第二靶板10、第三靶板13、第四靶板16交替串联，通过对电阻设定不同阻值，可以在第一靶板7、第二靶板10、第三靶板13、第四靶板16间形成不同电势差，所述接地19线19，用于为电路提供参考零电位。
下面结合具体实验例说明本发明的有效性：
结合图2所示: 为第一电压探针4测得干路电压时程曲线。稳压电源1电压为300V，第一电阻5阻值为200Ω，第二电阻8、第三电阻11、第四电阻14、第五电阻17阻值均为50Ω。弹丸以3km/s速度撞击第三靶板13，第一靶板7为上弹道方向，第一电压探针4测得干路电压时程曲线，如图2所述，结果表明超高速碰撞目标靶板后干路电压无明显变化。
结合图3所示: 为第二电压探针9测得支路电压时程曲线。结果表明超高速碰撞目标靶板诱发的等离子体放电使第三靶板13与第一靶板7瞬间导通，导致第二电压探针9电压值由初始的223v上升至接近电源电压，25μs以后随着等离体密度降低第三靶板13与第一靶板7不再导通，第二电压探针9电压值恢复至初始电压。
结合图4所示: 为第三电压探针12测得支路电压时程曲线。结果表明超高速碰撞目标靶板诱发的等离子体放电使第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10瞬间导通，致使第三电压探针12电压值由初始的148v上升至接近电源电压，25μs以后随着等离体密度降低第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10不再导通，第三电压探针12电压值恢复至初始电压。
结合图5所示: 为第四电压探针15测得支路电压时程曲线。结果表明超高速碰撞目标靶板诱发的等离子体放电使第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16瞬间导通，致使第四电压探针15电压值由初始的74v上升至接近电源电压，25μs以后随着等离体密度降低第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16不再导通，第四电压探针15电压值恢复至初始电压。
结合图6所示: 为第一电流探针3测得干路电流变化时程曲线。结果表明超高速碰撞目标靶板诱发的等离子体放电使第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16瞬间导通，引起干路电流变化，即干路电流值增加，因此第一电流探针3电流值迅速上升，电流稳定后第一电流探针3恢复初始值，25μs以后等离体密度降低，第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16不再导通，干路电流值降低，第一电流探针3 电流值迅速下降，待电流稳定后第一电流探针3恢复至初始值。
结合图7所示: 为第二电流探针6测得支路电流变化时程曲线。结果表面超高速碰撞目标靶板后第二电流探针6所在支路电流无明显变化。
结合图8所示: 为本发明第三电流探针18测得支路电流变化时程曲线。结果表明超高速碰撞目标靶板诱发的等离子体放电使第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16瞬间导通，引起第三电流探针18所在支路电流增加，因此第三电流探针18电流值迅速上升，电流稳定后第三电流探针18恢复至初始值，25μs以后等离体密度降低，第三靶板13与第一靶板7、第二靶板10、第四靶板16不再导通，第三电流探针18所在支路电流降低，第三电流探针18电流值迅速下降，待电流稳定后第三电流探针18恢复至初始值。
上述实验例结果表明：本发明航天器表面梯度电势模拟实验电路设计可以有效模拟航天器表面不同防护层之间存在的梯度电势，电路中的4块靶板在撞击之前电压值不同，当弹丸以超高速撞击目标靶板后诱发的等离子体放电使靶板瞬间导通，电压值升高。由此得出当空间碎片撞击航天器表面时同样会改变航天器表面原有电势，影响电路系统的正常工作并威胁航天器的安全。通过本发明设计电路实现了超高速碰撞条件下诱发的等离体子对航天器表面电特性影响的初步研究，证明了本发明设计方案的有效性和可行性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.航天器表面梯度电势模拟实验电路，其特征在于，包括稳压电源(1)；二极管(2)；第一电流探针(3)；第一电压探针(4)；第一电阻(5)；第二电流探针(6)；第一靶板(7)；第二电阻(8)；第二电压探针(9)；第二靶板(10)；第三电阻(11)；第三电压探针(12)；第三靶板(13)；第四电阻(14)；第四电压探针(15)；第四靶板(16)；第五电阻(17)；第三电流探针(18)；接地(19)和导线(20)；
所述稳压电源(1)的正极通过导线(20)与二极管(2)连接，稳压电源(1)用于提供电路所需持续稳定的电压；二极管(2)用于保护稳压电源不被反向电流损坏；二极管(2)的另一端通过导线(20)与第一电流探针(3)连接，第一电流探针(3) 的另一端通过导线(20)与第一电压探针(4) 连接，第一电压探针(4)的一端通过导线(20)连接有第一电阻(5)，第一电阻(5)的另一端通过导线(20)与第二电流探针(6) 连接，第二电流探针(6)的另一端通过导线(20)与稳压电源(1)的负极相连接；第一电压探针(4)的另一端通过导线(20)与第一靶板(7)连接，第一靶板(7)的另一端通过导线(20)与第二电阻(8) 连接，第二电阻(8)、第二电压探针(9)、第二靶板(10)、第三电阻(11)、第三电压探针(12)、第三靶板(13)、第四电阻(14)、第四电压探针(15)、第四靶板(16)、第五电阻(17)和第三电流探针(18) 通过导线(20)依次串联连接，第三电流探针(18) 通过导线(20)与稳压电源(1)的负极相连接；所述第一电压探针(4)、第二电压探针(9)、第三电压探针(12)和第四电压探针(15)用于测量电路中的电压值；
所述第一电流探针(3)、第二电流探针(6)和第三电流探针(18)用于测量电路中的电流变化值；
所述第一电阻(5)、第二电阻(8)、第三电阻(11)、第四电阻(14)和第五电阻(17)为电路负载，用于在靶板间形成梯度电势。
2.根据权利要求1所述航天器表面梯度电势模拟实验电路，其特征在于，所述第一靶板(7)、第二靶板(10)、第三靶板(13)和第四靶板(16)用于模拟航天器表面材料且均设置为50mm×50mm×10mm 的2A12铝板，所述第三靶板(13)为超高速撞击实验中的目标靶板，第一靶板(7)放置在第三靶板(13)正上方且两者间距为2 mm，第二靶板(10)放置在第三靶板(13)左侧且二者间距为2 mm，第四靶板(16)放置在第三靶板(13)右侧且二者间距为2 mm。
3.根据权利要求1所述航天器表面梯度电势模拟实验的电路，其特征在于，所述第一电阻(5)、第二电阻(8)、第三电阻(11)、第四电阻(14)和第五电阻(17)为电路负载，第二电阻(8)、第三电阻(11)、第四电阻(14)、第五电阻(17)与第一靶板(7)、第二靶板(10)、第三靶板(13)、第四靶板(16)交替串联，通过对电阻设定不同阻值，可以在第一靶板(7)、第二靶板(10)、第三靶板(13)、第四靶板(16)间形成不同电势差。
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