CN108872726A - 空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦起电技术领域，尤其涉及一种空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置。包括真空系统、宇宙射线辐照系统、交变温度系统、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置、静电探测系统；本发明能够实时对空间环境中材料摩擦带电与静电放电参数进行观测分析，对航天器摩擦起电和静电放电及防静电材料的选择和设计具有重要的应用价值。

Description

空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置

技术领域

本发明涉及摩擦起电技术领域，尤其涉及一种空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置。

背景技术

摩擦起电是一种常见的物理现象，任何两种不同的物体在接触分离或摩擦过程中都会产生静电，而静电积累则容易导致静电放电造成危害。特别是在航空航天领域，由于其处于真空或悬空状态，材料表面摩擦电荷不能有效快速地导走或耗散，其静电放电所产生的电磁脉冲场会对各种电子装备、信息化系统造成电磁干扰，使飞机、火箭、卫星等飞行器导航系统失效，飞行姿态失控，进而造成严重后果。而且，航天器在太空中执行任务时所面临的高真空、温度交变、宇宙射线等苛刻环境会进一步加剧其摩擦起电或带电性能，严重影响其运行可靠性。针对日益增多的静电放电引起的航天器飞行安全问题，开展原位分析检测和控制航天器材料的摩擦起电已成为一项重要的研究课题。通过研究材料在真空环境下摩擦起电规律及影响因素，阐明物体在摩擦过程中的摩擦起电与其摩擦运动行为的关系，进而控制航天器在空间环境中的摩擦带电行为，发展相应的防静电材料，对我国航空航天事业及我国国防安全有着重要的战略意义。

近二十年来，中国空间技术研究院、中国科学院，以及哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等建成了一批空间环境效应试验装置。其中具有代表性的是中国空间技术研究院建成的目前国内最大的航天器空间环境模拟装置KM-6，完成了“神舟”飞船等航天器的空间环境试验，为顺利完成我国航天员安全出舱等任务提供了有力保障。同时他们还将电子、质子、紫外、等离子体、超低温、温度交变和超高真空等多种空间环境集成，研制出综合空间环境效应模拟试验装置，可原位测试材料的光、电、磁、热等性能。军械工程学院静电与电磁防护研究所刘尚合院士领导的团队建立了航天器穿云的摩擦起电理论模型，通过数值建模与仿真分析研究了各因素对航天器带电量和电位的影响；并研制了一套空间环境下航天器材料表面带电特性地面实验室模拟试验装置，通过对材料进行高压充电，测量空间环境下航天器材料表面电位及静电放电脉冲信号，上述空间模拟装置及材料表面带电模拟系统的建立，为保障我国空间飞行器的安全运行及空间材料的安全使用做出来重大贡献。

尽管目前国内外已经开展了大量关于航天器材料表面带电及静电放电的研究，但是，大部分研究都是直接对材料进行充电后研究其静电放电特性，而在实际工况中，航天器内部多种组件配合运行时，组件之间相互接触或摩擦运动时产生的静电亦不容忽视，但其原位检测十分困难。尤其是在空间环境中，航天器孤立存在，摩擦部件的相对运动产生的静电无法通过接地或放电刷安全泄放，航天员在进行太空操作时或太空行走时产生的摩擦起电也很难检测，因此亟待研制相应的空间环境下，物体摩擦运动过程中材料表面摩擦起电和静电耗散的原位检测系统，研究航天器表面材料在空间苛刻环境下摩擦过程中摩擦起电规律及影响因素，探索减少或消除航天器在空间环境产生摩擦电荷的有效途径。

中国专利CN200720149289.9设计了一种用于真空和低温环境的摩擦磨损试验仪，但是该设备没有测量摩擦起电相关的参数的功能，并且摩擦驱动方式仅有球-盘滑动摩擦。中国专利CN201210508904公开了一种测量绝缘材料摩擦静电和摩擦性能参数动态变化的装置，能够测量多种摩擦形式下不同环境下摩擦静电势、摩擦系数和摩擦温度随时间的动态变化。该专利能够实现真空环境下的摩擦电检测，并且驱动方式包含滑动摩擦、滚动摩擦，但是该设备一方面没有配备空间环境模拟装置，无法进行电子、质子、紫外、原子氧、温度交变等多种空间环境下摩擦起电测试，另一方面，摩擦驱动方式中没有接触分离式接触摩擦，更没有相应的接触分离式摩擦起电探测装置。目前国内外尚没有发现能在模拟空间环境下测量摩擦过程中摩擦起电参数的设备，无法研究空间环境对摩擦过程中摩擦起电性能的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前国内外尚没有发现能在模拟空间环境下测量摩擦过程中摩擦起电参数的设备，无法研究空间环境对摩擦过程中摩擦起电性能的影响。

为解决上述问题，本发明提出一种模拟空间环境下材料在摩擦过程中摩擦起电及静电耗散在线测量的装置，能够实时对空间环境中材料摩擦带电与静电放电参数进行观测分析，对航天器摩擦起电和静电放电及防静电材料的选择和设计具有重要的应用价值。

为实现上述目的，本发明提供了一种空间环境下摩擦起电及静电耗散探测分析装置，该装置将真空系统、宇宙射线辐照系统(电子、质子、原子氧、紫外辐照)、交变温度控制系统、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置、静电探测系统优化集成，建立具备空间环境下材料摩擦过程中摩擦起电及静电耗散特性的空间摩擦起电测试系统，为研究空间环境下摩擦带电状态及摩擦起电规律提供技术条件。

具体技术方案如下：包括真空系统、宇宙射线辐照系统、交变温度系统、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置、静电探测系统；真空系统用于构建真空环境；宇宙射线辐照系统用于模拟电子、质子、紫外、原子氧的多种空间环境；交变温度系统用于获得高温和低温快速交变环境；滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置用于驱动模块运动产生不同形式的摩擦；静电探测系统用于探测模拟状态下的静电变化。由以上结构建立具备空间环境下材料摩擦过程中摩擦起电及静电耗散特性的空间摩擦起电测试系统。

进一步的，所述真空系统包括真空腔室、控制线缆、真空泵组、真空硅管、气体流量计、气瓶及控制系统；真空腔室通过控制线缆与控制系统相连，控制系统与真空泵组及气瓶相连，在真空腔室连接气体流量计，腔室内设有真空硅管，真空硅管与控制系统相连；真空系统用于对真空系统的真空度及气氛进行调控，通过调整气体流量计的流量，使真空系统的真空度及气氛达到预设值。

进一步的，所述宇宙射线辐照系统包括电子束源、质子束源、原子氧源、紫外辐照源，分别连接在真空腔室上，向真空腔室内发射宇宙射线，进行电子、质子、紫外、原子氧、温度交变等多种空间环境下摩擦起电测试；

进一步的，所述交变温度系统包括加热系统和制冷系统，在真空室内部采用液氮热沉和红外辐射加热笼的组合结构，能够获得高温和低温快速交变环境；其中，红外线作为一种不可见光线，具有热效应和极强的穿透力，选择可发出适合光谱的红外辐射器，可以使大部分辐射被物体吸收，并转化为热能，不需要任何介质，可在空气和真空中进行；液氮热沉结构内部通过流动液氮来模拟太空2.76K的“冷”环境，热沉系统一般有独特的肋片结构以及冷却管组成，材质一般选用纯铜或纯铝。

进一步的，所述滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置包括滑动摩擦机构及接触分离驱动装置；滑动摩擦机构包括上试样夹具、下试样夹具，上试样夹具为装有摩擦力传感器的固定夹具，该夹具夹持的摩擦材料为球形、环形或柱状，能够加载不同重量的载荷，并装有摩擦力传感器，可以采集摩擦过程中的摩擦力，并进行计算得到摩擦系数曲线，下试样夹具为为活动的夹具，，该夹具夹持的摩擦材料为固定薄膜、片状或块状，下试样夹具设有运动模式转换模块，转换连续性旋转运动和周期性往复运动两种运动模式，能够在进行连续性旋转运动或周期性往复运动时使上下试样产生滑动摩擦；接触分离驱动装置包括固定试样夹具、活动试样夹具，二者分别固定膜、片状及块状摩擦材料，活动试样夹具通过线路与电机相连，产生不同频率、不同振幅的往复运动，固定试样夹具装有压力传感器，能够获取接触分离过程中接触压力曲线，进一步优化，固定试样夹具为右试样夹具，活动试样夹具为左试样夹具。

进一步的，所述静电探测系统包括静电探头、低噪声前置放大器、静电计；静电探头固定于滑动摩擦机构上，输出端与低噪声前置放大器相连，低噪声前置放大器的输出端与静电计的数据采集卡相连，静电计的输出端与数据采集分析系统相连。

进一步的，静电探头为双探头探测形式，两个静电探头分别固定于滑动摩擦机构上试样夹具沿滑动方向的前后两测，一个探头用于记录摩擦前试样表面的静电势，另一个探头用于记录摩擦后试样表面的静电势。双探头探测的设计是本专利首次提出，将两个探头测试的结果进行比对分析，能够获取摩擦表面摩擦电荷的实时变化情况，该设计能够解决发明专利200820213813.9中往复运动过程中探头只能断续的探测新鲜摩擦表面的电势的问题，同时该方法通过双探头探测数据比对分析，能够排除探测误差或干扰，获得由摩擦导致的表面摩擦电荷的变化规律。低噪声前置放大器和静电计分别连接在往复运动模块及固定模块的导电金属板上，用于接触分离摩擦起电性能探测，其探测原理如图3所示。在初始状态，探测器的聚合物摩擦层与金属摩擦层没有发生接触或摩擦，此时没有摩擦电荷的产生，因此电极上没有产生感应电荷和电势差(图3i)。由于聚合物摩擦层(Polymer)比金属摩擦层(Metal)容易得电子，当两种材料受外力驱动发生接触摩擦，电子从Metal转移至Polymer，使得Metal带正电荷，Polymer表面带负电荷。而Polymer不导电，摩擦产生的电荷被限制在材料的内表面。此时器件处于压缩状态，Metal和Polymer的表面几乎重合，使得Polymer背电极与上Metal之间并没有产生电势差(图3ii)。当器件被松开时，探测器的摩擦层开始返回初始位置。随着Metal和Polymer的表面分开，Metal的电势高于Polymer背电极的电势，两者之间形成电势差，驱动自由电子从Polymer背电极经过外电路流向Metal(图3iii)。当器件的摩擦层到达初始位置时，Polymer背电极上产生正的感应电荷，此时探测器达到电学平衡，在外电路中没有电子流动(图3iv)。当器件再次被外力压缩时，Metal和Polymer之间的距离变小，导致Metal的电势低于Polymer背电极的电势，使得电子从Metal经过外电路流回Polymer背电极，Metal和Polymer背电极上的感应电荷量减小(图3v)。直至Metal和Polymer的表面再次重合，Metal和Polymer背电极上的感应电荷消失(图3ii)。因此，两种材料之间的摩擦电电势会随两种材料之间间距的改变而变化，通过静电感应作用驱动电子在外电路中来回流动，形成持续的电流输出信号。将该电流信号通过低噪声前置放大器进行放大后通过数据采集系统进行处理分析，得到实时接触摩擦起电信号。

本发明的有益效果在于：

1、该设备是目前国内外首次设计的可在空间环境下实时获取摩擦过程中材料摩擦起电及摩擦性能的装置。

2、首次提出一种双静电探头测试的方法，能够排除外在干扰，获得由摩擦导致的材料表面摩擦电荷的实时变化情况及规律。

3、该设备能够实现滑动摩擦、接触分离摩擦多种摩擦驱动方式，并且针对不同摩擦驱动方式，提供了不同的摩擦起电探测方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2a是连续性旋转运动的滑动摩擦机构的结构示意图；

图2b是周期性往复运动的滑动摩擦机构的结构示意图；

图2c是接触分离驱动装置的结构示意图；

图3是本发明中接触分离式静电探测系统的工作原理图；

图4是与图3相对应的电压变化图；

图中，真空腔室11、控制线缆12、控制系统13、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置2、电子束源21、质子束源22、原子氧源23、紫外辐照源24、上试样夹具41、下试样夹具42、固定试样夹具43、活动试样夹具44、静电探头51、低噪声前置放大器52、静电计53、数据采集分析系统54。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，包括真空系统、宇宙射线辐照系统、交变温度系统、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置2、静电探测系统；真空系统用于构建真空环境；宇宙射线辐照系统用于模拟电子、质子、紫外、原子氧的多种空间环境；交变温度系统用于获得高温和低温快速交变环境；滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置用于驱动模块运动产生不同形式的摩擦；静电探测系统用于探测模拟状态下的静电变化。由以上结构建立具备空间环境下材料摩擦过程中摩擦起电及静电耗散特性的空间摩擦起电测试系统。

实施例2：

所述真空系统包括真空腔室11、控制线缆12、真空泵组、真空硅管、气体流量计、气瓶及控制系统13；真空腔室11通过控制线缆12与控制系统13相连，控制系统13与真空泵组及气瓶相连，在真空腔室11连接气体流量计，腔室内设有真空硅管，真空硅管与控制系统相连；真空系统用于对真空系统的真空度及气氛进行调控，通过调整气体流量计的流量，使真空系统的真空度及气氛达到预设值。

其余均与实施例1相同。

实施例3：

所述宇宙射线辐照系统包括电子束源21、质子束源22、原子氧源23、紫外辐照源24，分别连接在真空腔室11上，向真空腔室内发射宇宙射线，进行电子、质子、紫外、原子氧、温度交变等多种空间环境下摩擦起电测试。

其余均与实施例1或实施例2相同。

实施例4：

所述交变温度系统包括加热系统和制冷系统，在真空室内部采用液氮热沉和红外辐射加热笼的结构组合；能够获得高温和低温快速交变环境，其中，红外线作为一种不可见光线，具有热效应和极强的穿透力，选择可发出适合光谱的红外辐射器，可以使大部分辐射被物体吸收，并转化为热能，不需要任何介质，可在空气和真空中进行；液氮热沉内部通过柳东液氮来模拟太空2.76K的“冷”环境，热沉系统一般有独特的肋片结构以及冷却管组成，材质一般选用纯铜或纯铝。

其余均与实施例1-3任一相同。

实施例5：

由图2所示，所述滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置包括滑动摩擦机构及接触分离驱动装置；滑动摩擦机构包括上试样夹具41、下试样夹具42，上试样夹具为装有摩擦力传感器的固定夹具，该夹具夹持的摩擦材料为球形、环形或柱状，能够加载不同重量的载荷，并装有摩擦力传感器，可以采集摩擦过程中的摩擦力，并进行计算得到摩擦系数曲线，下试样夹具为为活动的夹具，，该夹具夹持的摩擦材料为固定薄膜、片状或块状，下试样夹具42设有运动模式转换模块，转换连续性旋转运动和周期性往复运动两种运动模式，能够在进行连续性旋转运动或周期性往复运动时使上下试样产生滑动摩擦；接触分离驱动装置包括固定试样夹具43、活动试样夹具44，二者分别固定膜、片状及块状摩擦材料，活动试样夹具44通过线路与电机相连，产生不同频率、不同振幅的往复运动，固定试样夹具43装有压力传感器，能够获取接触分离过程中接触压力曲线，进一步优化，固定试样夹具43为右试样夹具，活动试样夹具44为左试样夹具。

其余均与实施例1-4任一相同。

实施例6：

所述静电探测系统包括静电探头51、低噪声前置放大器52、静电计53；静电探头固定于滑动摩擦机构上，输出端与低噪声前置放大器52相连，低噪声前置放大器52的输出端与静电计53的数据采集卡相连，静电计的输出端与数据采集分析系统54相连。

其余均与实施例1-5任一相同。

实施例7：

静电探头为双探头探测形式，两个静电探头分别固定于滑动摩擦机构上试样夹具沿滑动方向的前后两测，一个探头用于记录摩擦前试样表面的静电势，另一个探头用于记录摩擦后试样表面的静电势。双探头探测的设计是本专利首次提出，将两个探头测试的结果进行比对分析，能够获取摩擦表面摩擦电荷的实时变化情况，该设计能够解决发明专利200820213813.9中往复运动过程中探头只能断续的探测新鲜摩擦表面的电势的问题，同时该方法通过双探头探测数据比对分析，能够排除探测误差或干扰，获得由摩擦导致的表面摩擦电荷的变化规律。低噪声前置放大器和静电计分别连接在往复运动模块及固定模块的导电金属板上，用于接触分离摩擦起电性能探测，其探测原理如图3所示。在初始状态，探测器的聚合物摩擦层与金属摩擦层没有发生接触或摩擦，此时没有摩擦电荷的产生，因此电极上没有产生感应电荷和电势差(图3i)。由于聚合物摩擦层(Polymer)比金属摩擦层(Metal)容易得电子，当两种材料受外力驱动发生接触摩擦，电子从Metal转移至Polymer，使得Metal带正电荷，Polymer表面带负电荷。而Polymer不导电，摩擦产生的电荷被限制在材料的内表面。此时器件处于压缩状态，Metal和Polymer的表面几乎重合，使得Polymer背电极与上Metal之间并没有产生电势差(图3ii)。当器件被松开时，探测器的摩擦层开始返回初始位置。随着Metal和Polymer的表面分开，Metal的电势高于Polymer背电极的电势，两者之间形成电势差，驱动自由电子从Polymer背电极经过外电路流向Metal(图3iii)。当器件的摩擦层到达初始位置时，Polymer背电极上产生正的感应电荷，此时探测器达到电学平衡，在外电路中没有电子流动(图3iv)。当器件再次被外力压缩时，Metal和Polymer之间的距离变小，导致Metal的电势低于Polymer背电极的电势，使得电子从Metal经过外电路流回Polymer背电极，Metal和Polymer背电极上的感应电荷量减小(图3v)。直至Metal和Polymer的表面再次重合，Metal和Polymer背电极上的感应电荷消失(图3ii)。因此，两种材料之间的摩擦电电势会随两种材料之间间距的改变而变化，通过静电感应作用驱动电子在外电路中来回流动，形成持续的电流输出信号。将该电流信号通过低噪声前置放大器进行放大后通过数据采集系统进行处理分析，得到实时接触摩擦起电信号。

其余均与实施例6相同。

Claims (6)

1.一种空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：包括真空系统、宇宙射线辐照系统、交变温度系统、滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置、静电探测系统；真空系统用于构建真空环境；宇宙射线辐照系统用于模拟电子、质子、紫外、原子氧的多种空间环境；交变温度系统用于获得高温和低温快速交变环境；滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置用于驱动模块运动产生不同形式的摩擦；静电探测系统用于探测模拟状态下的静电变化。由以上结构建立具备空间环境下材料摩擦过程中摩擦起电及静电耗散特性的空间摩擦起电测试系统。

2.如权利要求1所述的空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：所述真空系统包括真空腔室、控制线缆、真空泵组、真空硅管、气体流量计、气瓶及控制系统；真空腔室通过控制线缆与控制系统相连，控制系统与真空泵组及气瓶相连，在真空腔室连接气体流量计，腔室内设有真空硅管，真空硅管与控制系统相连。

3.如权利要求1所述的空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：所述交变温度系统包括加热系统和制冷系统。

4.如权利要求1所述的空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：所述滑动摩擦与接触分离摩擦集成驱动装置包括滑动摩擦机构及接触分离驱动装置；滑动摩擦机构包括上试样夹具、下试样夹具，上试样夹具为装有摩擦力传感器的固定夹具，该夹具夹持的摩擦材料为球形、环形或柱状，下试样夹具为活动的夹具，设有运动模式转换模块，转换连续性旋转运动和周期性往复运动两种运动模式，该夹具夹持的摩擦材料为固定薄膜、片状或块状；接触分离驱动装置包括固定试样夹具、活动试样夹具，二者固定膜、片状及块状摩擦材料，活动试样夹具通过线路与电机相连，产生不同频率、不同振幅的往复运动，固定试样夹具装有压力传感器。

5.如权利要求1所述的空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：所述静电探测系统包括静电探头、低噪声前置放大器、静电计；静电探头固定于滑动摩擦机构上，输出端与低噪声前置放大器相连，低噪声前置放大器的输出端与静电计的数据采集卡相连，静电计的输出端与数据采集分析系统相连。

6.如权利要求5所述的空间环境摩擦起电及静电耗散探测分析装置，其特征在于：静电探头为双探头探测形式，两个静电探头分别固定于滑动摩擦机构上试样夹具沿滑动方向的前后两测。