CN113991380A - 一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法及装置，属于航天器电气连接绝缘领域。主要包括加热丝、温度传感器、表面电位传感器、信号处理单元、温度控制单元和电源控制模块等部分组成。通过表面电位传感器测量导电滑环绝缘挡板上方的表面电位，通过反演算法得到导电滑环内部的最大电场，当发现危险的电场畸变时，通过加热丝对绝缘挡板三结合点处进行局部加热，提高局部的电导率，从而加快辐射沉积电子的泄放，降低因深层充放电造成绝缘故障发生的可能性。从而大大提高了航天器运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法及装置，属于航天器电气连接绝缘领域。
背景技术
卫星主要通过太阳帆板实现能量供应，而导电滑环驱动机构用于实现太阳帆板实时对日，从而最大效率的获得太阳能。导电滑环驱动机构由于直接暴露于太空环境中，当高能电子增强事件发生时，高能电子会穿透铝屏蔽壳，沉积在绝缘挡板和铜质滑道中，但是由于绝缘挡板采用聚酰亚胺材料，其电导率低，沉积的电子会在绝缘介质内部形成电场畸变，当畸变电场超过绝缘介质放电阈值时，会发生静电放电，形成深层充放电效应，严重危害航天器的安全运行，成为卫星少数“单点失效”的环节之一。
目前国内外抑制导电滑环深层充电效应的主要思路是增加铝屏蔽的厚度、改变导电滑环的结构、改变绝缘材料的种类。第一种方法通过增加铝屏蔽的厚度可以显著降低导电滑环深层充放电效应，但是航天器对重量有着严格的要求，现有研究表明铝屏蔽的厚度增大到3mm时辐致电场仍能达到放电阈值。第二种方法通过降低绝缘挡板的高度可以一定程度降低深层充电后的最大电场强度，但是降低程度有限，同时会降低爬电距离，增加沿面闪络等放电事故发生的可能性。第三种方法通过改变绝缘介质的材料，同样可以一定程度降低深层充电后的最大电场强度，但是其他材料应用并不成熟，材料的改变可能会带来其他潜在的风险。上述方法都为深层充放电的被动抑制措施，当高能电子增强事件结束后，较高的电场畸变仍然会持续相当长一段时间。因此，导电滑环如何实现更好的抑制深层充放电效果，保障航天器的安全可靠运行，是需要研究的问题。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明提供的一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法及装置，解决了导电滑环受到高能电子辐照时电场畸变严重的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法，包括以下步骤：
S1、通过表面电位传感器采集绝缘挡板的表面电位并将信号传输给信号处理单元；
S2、根据绝缘挡板的表面电位信号，通过信号处理单元找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板，根据电场强度计算需要加热的温度，启动温度控制单元；
S3、温度控制单元控制绝缘挡板内的加热丝进行局部加热，同时利用温度传感器进行温度实时监测，从而提高绝缘挡板的电导率，加速沉积电子的泄放。
进一步地，步骤S2包含以下分步骤：
S21、基于绝缘挡板的表面信号，信号处理单元通过反演算法得到绝缘挡板内部的电场强度，从而找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板；
S22、根据绝缘介质电导率与温度的关系计算不同绝缘挡板需要升高的温度，并将温升信息传输给温度控制模块。
进一步地，步骤S2包含以下分步骤：
S31、根据温升信息，温度控制模块计算加热丝初始电流的大小，同时启动电源控制模块，给不同区域的加热丝提供不同的电流大小；
S32、温度控制模块通过温度传感器检测温度的大小，实时调整加热丝通过电流的大小，同时将电流大小信号传递给电源控制模块，快速准确的提高绝缘挡板的电导率，加快沉积电子的快速泄放，从而主动抑制导电滑环内的深层充放电。
一种主动抑制导电滑环深层充放电的装置，包括：加热丝、温度传感器、表面电位传感器、铜制滑道、信号处理单元、温度控制单元和电源控制模块等部分组成。
所述表面电位传感器位于每个绝缘挡板上方，固定于铝屏蔽壳下方，用于获得绝缘挡板的表面电位；所述温度传感器和加热丝嵌入到绝缘挡板内，用于提高和获得绝缘挡板内部的温度；所述表面电位传感器与信号处理单元连接；所述信号处理单元与温度控制单元连接；所述温度控制单元与电源控制模块连接；所述温度传感器与信号处理单元连接；所述加热丝并联与电源控制模块连接，从而能够独立的控制每个加热丝。
进一步地，所述加热丝采用金属材料。其形状采用“伞”形结构，保证加热更加均匀。高度与铜质滑道等高并且在导电滑环烧结制作过程中嵌入到绝缘挡板内，保证在电场畸变最严重的“三结合”点处进行加热。加热丝都进行接地处理，可为沉积的电子提供部分泄放通道，进一步降低导电滑环内的电场畸变。
进一步地，所述表面电位传感器采用非接触式表面电位计，在未受到高能电子辐照时，其采样时间间隔为1小时，受到高能电子辐照时，为与温度传感器和加热丝相互配合，其采样时间间隔为1分钟。
进一步地，所述电源控制模块与太阳帆板之间相连，实现主动抑制导电滑环深层充放电装置能量的供给。
进一步地，所述温度传感器采用绝缘结构，与金属丝之间保持一定的距离。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过在辐致电场最严重的“三结合”点(铜质滑道、绝缘挡板、真空)处设置加热丝对绝缘挡板进行局部加热，通过提高温度而提高绝缘介质的电导率，加快沉积高能电子的泄放，从而抑制导电滑环的深层充放电。比起传统的被动抑制措施，可以大幅减弱导电滑环因深层充放电带来的放电风险，同时一定程度减轻航天器的重量。
附图说明
图1为一种主动抑制导电滑环深层充放电方法的流程图；
图2为一种主动抑制导电滑环深层充放电装置的侧视图；
图3为一种主动抑制导电滑环深层充放电装置的俯视图；
其中，1、绝缘挡板；2、铝屏蔽壳；3、铜质滑道；4、信号处理单元；5、温度控制单元；6、电源控制模块；11、加热丝；12、温度传感器；21、表面电位传感器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法，包括以下步骤：
S1、通过表面电位传感器采集绝缘挡板的表面电位并将信号传输给信号处理单元；
S2、根据绝缘挡板的表面电位信号，通过信号处理单元找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板，根据电场强度计算需要加热的温度，启动温度控制单元；
步骤S2包括以下分步骤：
S21、基于绝缘挡板的表面信号，信号处理单元通过反演算法得到绝缘挡板内部的电场强度，从而找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板；
S22、根据绝缘介质电导率与温度的关系计算不同绝缘挡板需要升高的温度，并将温升信息传输给温度控制模块；
S3、温度控制单元控制绝缘挡板内的加热丝进行局部加热，同时利用温度传感器进行温度实时监测，从而提高绝缘挡板的电导率，加速沉积电子的泄放；
步骤S3包括以下分步骤：
S31、根据温升信息，温度控制模块计算加热丝初始电流的大小，同时启动电源控制模块，给不同区域的加热丝提供不同的电流大小；
S32、温度控制模块通过温度传感器检测温度的大小，实时调整加热丝通过电流的大小，同时将电流大小信号传递给电源控制模块，快速准确的提高绝缘挡板的电导率，加快沉积电子的快速泄放，从而主动抑制导电滑环内的深层充放电。
根据Arrhenius电导率-温度模型，星用聚酰亚胺的电导率与温度之间的关系为表达式为：
其中,k为波尔兹曼常数，T为温度，为绝缘介质的活化能，A为和材料性质有关的常数。
根据上述公式，当绝缘材料的温度提高范围是0到80℃时，电导率最大提高两个数量级，对应的导电滑环高能电子辐射下的最大电场畸变程度也会下降两个数量级，因此设置加热丝加热后绝缘挡板温度提高的最大值是80℃。
太空环境的复杂性，高能电子通量，辐照角度和卫星运行轨道高度的变化会形成不同位置、不同充电时间常数、不同强度的深层充放电特性，在地面进行充分的空天环境模拟，建立温度与深层充放电特性数据库，从而实现更好的主动抑制效果。
如图2～3，一种主动抑制导电滑环深层充放电的装置，通过局部加热提高绝缘挡板的电导率，从而抑制深层充放电。主要由加热丝11、温度传感器12、表面电位传感器21、铜制滑道3、信号处理单元4、温度控制单元5和电源控制模块6等部分组成。
如图2所示，所述表面电位传感器21位于每个绝缘挡板上方，固定于铝屏蔽壳2下方，用于获得绝缘挡板1的表面电位；所述温度传感器12和加热丝11 嵌入到绝缘挡板内1，用于提高和获得绝缘挡板1内部的温度；所述表面电位传感器21与信号处理单元4连接；所述信号处理单元4与温度控制单元5连接；所述温度控制单元5与电源控制模块连接6；所述温度传感器12与信号处理单元连接4；所述加热丝11并联与电源控制模块6连接，从而能够独立的控制每个加热丝。
所述加热丝11采用钛金属材料制成，发热迅速，能够快速提高绝缘介质的内部温度，与航天器的接地系统相连，可以为绝缘材料内沉积的电子提供部分泄放通道，加快电子的泄放，降低导电滑环内的电场畸变；加热丝采用“伞”形结构，实现更加均匀的加热效果；高度与铜质滑道相同，在电场畸变最严重的三结合点(绝缘介质、铜质滑道、真空)进行加热，提高加热丝的加热效率。所述的表面电位传感器21固定于铝屏蔽壳2下方以及绝缘挡板1上方，采用非接触式表面电位计，在不影响导电滑环正常工作运行的情况下实现对绝缘挡板表面电位的测量；在未受到高能电子辐照时，其采样时间间隔为1小时，受到高能电子辐照时，为与温度传感器11和加热丝12相互配合，其采样时间间隔为1分钟。
所述的信号处理单元4、温度控制单元5和电源控制模块6采用电力电子器件集成在一起，实现小体积、轻量化，降低整体的安装难度。
所述电源控制模块与太阳帆板之间相连，实现主动抑制导电滑环深层充放电装置能量的供给。
如图3所示，所述加热丝11与温度传感器12按照一定间隔排列，温度传感器12在加热丝左侧与右侧依次放置，实现温度更好的测量。
所述位于不同绝缘挡板1内的加热丝11与温度传感器12依次错开，便于位于铝屏蔽壳2上表面电位传感器21的安装，同时防止不同加热丝11之间的互相影响。
所述表面电位传感器21位于加热丝11上方，按照一定间隔排列，使得测量范围能够辐射到整个绝缘挡板上方，同时尽可能减少表面电位传感器的数量，降低整套装置的重量。
本发明通过以上设计，可以实现对导电滑环深层充放电的主动抑制，大大降低了因深层充放电引发绝缘故障发生的可能性，保障了航天器安全可靠的运行，且该装置具有结构简单、轻量化、反应迅速等特点，具有很强的实用和推广价值。
Claims (10)
1.一种主动抑制导电滑环深层充放电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过表面电位传感器(21)采集绝缘挡板(1)的表面电位并将信号传输给信号处理单元(4)；
S2、根据绝缘挡板的表面电位信号，通过信号处理单元(4)找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板，根据电场强度计算需要加热的温度，启动温度控制单元(5)；
S3、温度控制单元控制绝缘挡板内的加热丝(11)进行局部加热，同时利用温度传感器(12)进行温度实时监测，从而提高绝缘挡板(1)的电导率，加速沉积电子的泄放。
2.根据权利要求1所述的主动抑制导电滑环深层充放电的方法，其特征在于，所述S2包含以下分步骤：
S21、基于绝缘挡板的表面信号，信号处理单元通过反演算法得到绝缘挡板内部的电场强度，从而找到电场强度大于绝缘介质放电阈值的绝缘挡板；
S22、根据绝缘介质电导率与温度的关系计算不同绝缘挡板需要升高的温度，并将温升信息传输给温度控制模块。
3.根据权利要求1所述的主动抑制导电滑环深层充放电的方法，其特征在于，所述S3包含以下分步骤：
S31、根据温升信息，温度控制模块(5)计算加热丝(11)初始电流的大小，同时启动电源控制模块(6)，给不同区域的加热丝提供不同的电流大小；
S32、温度控制模块通过温度传感器(12)检测温度的大小，实时调整加热丝通过电流的大小，同时将电流大小信号传递给电源控制模块，快速准确的提高绝缘挡板(1)的电导率，加快沉积电子的快速泄放，从而主动抑制导电滑环内的深层充放电。
4.一种主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，包括：加热丝(11)、温度传感器(12)、表面电位传感器(21)、铜制滑道(3)、信号处理单元(4)、温度控制单元(5)和电源控制模块(6)等部分组成；
所述表面电位传感器(21)位于每个绝缘挡板上方，固定于铝屏蔽壳(2)下方，用于获得绝缘挡板(1)的表面电位；所述温度传感器(12)和加热丝(11)嵌入到绝缘挡板(1)内，用于提高和获得绝缘挡板(1)内部的温度；所述表面电位传感器(21)与信号处理单元(4)连接；所述信号处理单元(4)与温度控制单元(5)连接；所述温度控制单元(5)与电源控制模块(6)连接；所述温度传感器(12)与信号处理单元连接(4)；所述加热丝(11)并联与电源控制模块(6)连接，从而能够独立的控制每个加热丝。
5.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述加热丝(11)采用金属材料，其形状采用“伞”形结构。
6.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述加热丝(11)高度与铜质滑道(3)等高并且在导电滑环烧结制作过程中嵌入到绝缘挡板(1)内。
7.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述加热丝(11)进行接地处理。
8.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述表面电位传感器(21)采用非接触式表面电位计，在未受到高能电子辐照时，其采样时间间隔为1小时，受到高能电子辐照时，为与温度传感器(12)和加热丝(11)相互配合，其采样时间间隔为1分钟。
9.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述电源控制模块(6)与太阳帆板相连，实现主动抑制导电滑环深层充放电装置能量的供给。
10.根据权利要求4所述的主动抑制导电滑环深层充放电的装置，其特征在于，所述温度传感器(12)采用绝缘结构，与金属丝(11)之间保持一定的距离。
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