CN112046801B - 一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路及系统，涉及空间环境对航天器的服役安全性评估技术领域。电路中的导电层、绝缘层以及靶板依次平行设置于超高速加载设备的发射管出口处。电容器一端与导电层连接，另一端与靶板连接。该系统包括超高速加载设备及上述电路。平行设置的导电层以及靶板在电容器放电的作用下可以均匀带有极性相反的电荷，其间设置绝缘层可以避免导电层以及靶板之间在未进行撞击实验时发生短路现象。超高速加载设备发射的弹丸可以模拟空间环境中的碎片，利用发射弹丸穿过导电层及绝缘层撞击带电靶板模拟航天器带电表面遭遇空间碎片的撞击，通过终端显示存储设备对撞击瞬间靶板的放电特性进行测试。

Description

一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路及系统

技术领域

本发明涉及空间环境对航天器的服役安全性评估技术领域，具体而言，涉及一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路及系统。

背景技术

航天器运行于空间环境中会遭遇空间碎片撞击、空间高能粒子的辐射等空间环境效应作用。同时，由于空间环境中99％以上的物质都是以等离子体状态存在，以等离子体为主要特征的空间环境会诱发航天器带电。当空间碎片撞击航天器带电表面时，撞击产生的等离子体将诱发航天器带电表面放电。碰撞产生等离子体及诱发放电等离子体会进入航天器内部对电子器件的造成严重的电磁干扰，导致航天器在轨工作异常甚至造成永久失效。

目前，国内外科研人员开展了空间碎片撞击航天器表面材料诱发的力电响应特性研究，而对于空间碎片撞击航天器带电表面的地面模拟实验研究尚属空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路及系统，用以改善现有技术中无法模拟空间碎片撞击航天器带电表面诱发的放电现象模拟及测试的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路，包括：导电层、绝缘层、靶板以及电容器。导电层、绝缘层以及靶板依次平行设置于超高速加载设备的发射管出口处。电容器，其一端与导电层连接，其另一端与靶板连接，以用于在其充电完成后使导电层表面以及靶板表面带电。

上述实现过程中，平行设置的导电层以及靶板在电容器放电的作用下可以均匀带有极性相反的电荷，导电层以及靶板之间设置绝缘层可以避免导电层以及靶板之间在未进行撞击实验时发生短路现象。超高速加载设备的发射管发射的弹丸可以模拟太空空间环境中的空间碎片，弹丸从超高速加载设备的发射管出射，穿过导电层以及绝缘层后撞击至带电靶板上。设置在导电层以及靶板中间的绝缘层可以避免导电层以及靶板之间在未进行撞击实验时发生短路的现象，确保能够准确模拟航天器表面遭遇空间碎片撞击的情况。

在本发明的一些实施例中，导电层、绝缘层以及靶板的平面大小相同。保证导电层以及靶板均匀带电，同时，也保证导电层以及靶板之间在未撞击时不会发生短路现象。

在本发明的一些实施例中，导电层以及绝缘层与超高速加载设备的发射管出口对应的位置均设置有圆孔。

上述实现过程中，导电层以及绝缘层与超高速加载设备的发射管出口对应位置设置有圆孔，以避免实验过程中弹丸撞击靶板时将导电层与模拟航天器表面带电的靶板连通，经导电层放电，保证弹丸撞击靶板时能够准确的模拟航天器表面受到空间碎片撞击的情况。

在本发明的一些实施例中，靶板为2A12铝板。2A12铝板为一种高强度硬铝材料，常用于航空航天行业，以保证模拟实验的真实性和结果的准确性。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路还包括：电源，其两端与电容器连接，以用于为电容器充电。该电源可以调节其输出电压的大小，为电容器充电，进一步地可以通过调节电源输出的电压大小改变与电容器连接的导电层以及靶板上的带电量，保证模拟实验的灵活性。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路还包括：开关，其设置于电源与电容器之间，以用于控制电源为电容器进行充电。提高模拟实验的可操作性以及便利性。

第二方面，本申请实施例提供一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统，包括：超高速加载设备以及上述第一方面任一项的空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路；空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路设置于超高速加载设备的靶舱内；超高速加载设备的发射管用于向空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路中的靶板发射弹丸。

上述实现过程中，超高速加载设备的发射管可以发射超高速运动的弹丸，以模拟空间碎片。空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路可以模拟航天器的带电表面。空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路设置于超高速加载设备的靶舱内，靶舱可以保证实验环境的安全。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统还包括：终端显示存储设备，其与空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路中的导电层以及靶板分别连接，以用于检测撞击放电时导电层与靶板间的放电电压以及放电电流。

上述实现过程中，通过终端显示存储设备可以直接获取到弹丸模拟空间碎片对带电靶板进行撞击时导电层与靶板间的放电电压以及放电电流。

在本发明的一些实施例中，终端显示存储设备为示波器。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统还包括：触发装置，其设置于发射管出口与空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路之间，其与示波器连接，以用于在超高速加载设备发射的弹丸经过触发装置时产生触发信号触发示波器采集数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种放电特性检测结果示意图。

图标：10-空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统；100-空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路；110-导电层；120-绝缘层；130-靶板；140-电容器；150-电源；160-开关；200-超高速加载设备；300-靶舱；400-终端显示存储设备；500-触发装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100的示意图，该空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100包括：导电层110、绝缘层120、靶板130以及电容器140。其中，导电层110、绝缘层120以及靶板130依次平行设置于超高速加载设备200的发射管出口处。电容器140，其一端与导电层110连接，其另一端与靶板130连接，以用于在其充电完成后使导电层110表面以及靶板130表面带电。

由于导电层110以及靶板130分别与电容器140的两端连接，因此电容器140在充电完成后，通过放电可以使导电层110以及靶板130带电。导电层110、绝缘层120以及靶板130依次平行设置，可以保证导电层110以及靶板130均匀带电。因此，带电的靶板130可用于模拟空间中的航天器表面。且导电层110以及靶板130上带有极性相反的电荷。

超高速加载设备200发射的弹丸可以模拟空间碎片，弹丸从超高速加载设备200的发射管射出后，通过导电层110以及绝缘层120后撞击至靶板130上。由于发生撞击时速度较大，设置在导电层110以及靶板130中间的绝缘层120可以避免高速运动的弹丸在未进行撞击实验时，导电层110以及靶板130之间发生短路的现象，从而可以保证靶板130能够准确的模拟出空间中的航天器表面受到空间碎片撞击的情形。

作为一种实施方式，导电层110可以为钢丝网，绝缘层120可以为聚酯纤维网，靶板130为2A12铝板。2A12铝板为一种高强度硬铝材料，常用于航空航天行业。因此可以用2A12铝板作为靶板130。可以理解地，靶板130还可以选用其他常用于航空航天行业的材料，以保证模拟实验的真实性，进而保证模拟结果的准确性。

在本发明的一些实施例中，导电层110、绝缘层120以及靶板130的平面大小相同。为了保证导电层110以及靶板130均匀带电，须保证导电层110以及靶板130的平面大小相同。此外，为了保证导电层110以及靶板130之间在未进行撞击实验时不会发生短路现象，绝缘层120的大平面大小与导电层110以及靶板130的平面大小相同。

在本发明的一些实施例中，导电层110以及绝缘层120与超高速加载设备200的发射管出口对应位置均设置有圆孔。

导电层110以及绝缘层120与超高速加载设备200的发射管出口对应位置设置有圆孔，可以避免实验过程中弹丸在撞击靶板130时，将导电层110与模拟航天器表面的带电靶板130连通，从而避免带电靶板130经导电层110放电，继而保证弹丸撞击靶板130时能够准确的模拟航天器表面遭遇空间碎片撞击的情况。

圆孔的直径可以根据弹丸的大小进行设置，例如，为了保证弹丸顺利通过该圆孔，该圆孔的直径可以为弹丸直径的10-15倍。

请参看图2，图2为本发明实施例提供的另一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100的示意图。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100还包括：电源150，其两端与电容器140连接，以用于为电容器140充电。

在准备模拟空间碎片撞击实验过程中，电源150与电容器140接通，电源150向电容器140进行充电，在充电完成后，电源150停止向电容器140充电。电容器140向导电层110以及靶板130放电，使靶板130带电以模拟出航天器在空间中带电的情形。

该电源150可以调节其输出电压的大小，以为电容器140充电，进一步地可以通过调节电源150输出的电压大小改变与电容器140连接的导电层110以及靶板130上的带电量，保证模拟实验的灵活性。例如，该电源150可以为稳压电源150。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100还包括：开关160，其设置于电源150与电容器140之间，以用于控制电源150为电容器140进行充电。

通过设置开关160，可以使实验人员方便的对该空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100进行操作，例如，实验人员可以将开关160闭合，以使电源150向电容器140中进行充电，充电完成后，实验人员可以该开关160断开，以使电容器140向导电层110以及靶板130放电，使导电层110以及靶板130带电，进而对处于空间中的航天器表面进行模拟。

此外，该开关160还可以定时开关160、延时开关160或远程控制开关160等。以实现实验人员可以远程进行操作，以增加实验的安全性。

此处介绍一种具体的实施方式，模拟航天器表面材料的靶板130可以选取材料为2A12铝板。导电层110、绝缘层120以及靶板130的尺寸相同，其长和宽均为400mm，其中，2A12铝板的厚度为2mm。导电层110以及绝缘层120上设置的圆孔直径为50mm。电容器140的电容为255μF，电源150输出电压值为200V。

基于同样的发明构思，本发明还提出一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统10，请参看图3，图3为本发明实施例提供的一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统10的结构示意图，该空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统10包括：超高速加载设备200的发射管以及上述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100；空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100设置于靶舱300内；超高速加载设备200的发射管用于向空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100发射弹丸。

超高速加载设备200的发射管可以发射出高速运动的弹丸，以模拟空间碎片。空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100可以模拟航天器的带电表面。空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100设置于靶舱300内，靶舱300可以防止弹丸在进行撞击试验时不飞出撞击实验人员或者其他实验设备，从而保证实验环境的安全。

其中，超高速加载设备200可以包括二级轻气炮或三级轻气炮。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统10还包括：终端显示存储设备400，其与空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100中的导电层110以及靶板130分别连接，以用于检测导电层110以及靶板130的放电电压以及放电电流。

终端显示存储设备400包括差分电压探头b1以及b2，还包括电流探头a。采用差分电压探头b1以及b2可以测量弹丸以超高速撞击带电靶板130时，带电靶板130产生的放电电压，电流探头a可以测量弹丸以超高速撞击带电靶板130时，带电靶板130产生的放电电流。

在本发明的一些实施例中，终端显示存储设备400为示波器。终端显示存储设备400还可以为数据采集卡。

在本发明的一些实施例中，空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统10还包括：触发装置500，其设置于发射管与空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100之间，其与示波器连接，以用于在超高速加载设备200发射的弹丸经过触发装置500时，触发示波器采集信号。

触发装置500为铝箔-绝缘纸-铝箔三层结构，触发装置500平面与弹丸入射方向垂直，当弹丸穿过触发装置500时，产生触发信号并发送至示波器，以触发示波器开始采集信号。

以下介绍一种具体的实施方式，由于航天器典型表面材料为2A12铝，因此实验选用的弹丸可为2A12铝材料的，形状为球体，直径4.76mm，质量0.145g。靶舱300内的真空度为20Pa，弹丸发射速度为3.5km/s，弹丸入射方向与导电层110、绝缘层120以及靶板130组成的复合结构平面的法线平行，也就是说，弹丸垂直入射至靶板130上。可以理解地，可以根据实验需求调整弹丸入射至靶板130的入射角度。

实验中超高速加载设备200可以采用二级轻气炮加载弹丸，使弹丸以超高速度撞击靶板130，用以模拟空间碎片撞击航天器的情形。实验前开关160闭合，电源150输出电压200V为电容器140充电。电容器140充电后，使开关160闭合，导电层110及2A12靶板130带电。发射弹丸以超高速撞击带电靶板130，实现了空间碎片撞击航天器带电表面的实验模拟。

弹丸以3.5km/s的速度撞击2A12靶板130时，碰撞产生的等离子体诱发放电并瞬间导通带正电的导电层110与带负电的靶板130。采用终端显示存储设备400的差分电压探头以及电流探头测量弹丸超高速撞击带电铝靶板130产生的放电电压及放电电流，其测量结果如图4所示。由图4可见，差分电压探头测量的导电层110与靶板130之间的电压由200V开始下降，下降至75V后电压幅值稳定。电流探头9测量产生的放电电流经过32μs达到峰值，峰值电流为104A。放电电压值达到稳定时刻放电电流接近为0A，产生的放电电压及放电电流在时间上同步。

上述实施例结果表明：当弹丸以3.5km/s的速度撞击本发明模拟航天器的带电靶板130时，碰撞产生的等离子体诱发的放电现象瞬间导通带正电的导电层110与靶板130，产生的放电电压及放电电流在时间上同步，说明本发明能够有效的实现空间碎片撞击航天器带电表面的实验模拟及放电特性测试，从而可以保证为空间环境对航天器的服役安全性评估及优化设计提供有效的技术支撑。

综上，本申请实施例提供的一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路100及系统，包括：导电层110、绝缘层120、靶板130以及电容器140。导电层110、绝缘层120以及靶板130依次平行设置于超高速加载设备200的发射管出口处。电容器140，其一端与导电层110连接，其另一端与靶板130连接，以用于在其充电完成后使导电层110表面以及靶板130表面带电。上述实现过程中，平行设置的导电层110以及靶板130在电容器140放电的作用下可以均匀带有极性相反的电荷，导电层110以及靶板130之间设置绝缘层120可以避免导电层110以及靶板130之间在未进行撞击实验时发生短路现象。超高速加载设备200发射的弹丸可以模拟空间碎片，弹丸从超高速加载设备200射出后，通过导电层110以及绝缘层120后撞击至靶板130上。设置在导电层110以及靶板130中间的绝缘层120可以避免高速运动的弹丸在撞击时导电层110以及靶板130之间在未进行撞击实验时发生短路的现象，从而可以保证靶板130能够准确的模拟出空间中的航天器表面受到空间碎片撞击的情形。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路，其特征在于，包括：导电层、绝缘层、靶板以及电容器；

所述导电层、所述绝缘层以及所述靶板的平面大小相同，导电层为钢丝网，绝缘层为聚酯纤维网，靶板为2A12铝；

所述导电层、所述绝缘层以及所述靶板依次平行设置于超高速加载设备的发射管出口；

所述导电层以及绝缘层与超高速加载设备的发射管出口对应位置均设置有圆孔，该圆孔的直径可以为弹丸直径的10-15倍；

所述电容器，其一端与所述导电层连接，其另一端与所述靶板连接，以用于在其充电完成后使所述导电层表面以及所述靶板表面带电；

还包括：

电源，其两端与所述电容器连接，以用于为所述电容器充电；

平行设置的导电层以及靶板在电容器放电的作用下均匀带有极性相反的电荷，且导电层带正电，靶板带负电；

弹丸以3.5km/s的速度撞击靶板时，碰撞产生的等离子体诱发放电并瞬间导通带正电的导电层与带负电的靶板，采用终端显示存储设备的差分电压探头以及电流探头测量弹丸超高速撞击带电铝靶板产生的放电电压及放电电流。

2.如权利要求1所述的空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路，其特征在于，所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路还包括：

开关，其设置于所述电源与所述电容器之间，以用于控制所述电源为所述电容器进行充电。

3.一种空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统，其特征在于，包括：超高速加载设备以及如权利要求1-2任一项所述的空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路；

所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路设置于所述超高速加载设备的靶舱内；

所述超高速加载设备的发射管用于向所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路中的带电靶板发射弹丸。

4.如权利要求3所述的空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统，其特征在于，所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统还包括：

终端显示存储设备，其与所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路中的导电层以及靶板分别连接，以用于检测所述导电层以及所述靶板的放电电压以及放电电流。

5.如权利要求4所述的空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统，其特征在于，所述终端显示存储设备为示波器。

6.如权利要求5所述的空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统，其特征在于，所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟系统还包括：

触发装置，其设置于所述发射管出口与所述空间碎片撞击航天器带电表面模拟电路之间，其与所述示波器连接，以用于在所述超高速加载设备的发射管发射的弹丸经过所述触发装置时，触发所述示波器采集信号。

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