CN114018436A - 航天器材料空间强电磁环境效应试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，包括有：容器系统、真空系统、强电磁脉冲系统、温度可控的一体化吸波热沉、摄像系统、红外测温系统、非金属光纤传感器、样品切换系统，且所述摄像系统、红外测温系统与强电磁样品切换系统均具备耐真空、低温与强电磁脉冲的性能。本发明中，实现强电磁真空低温环境下对航天器材料的温度进行在线测量，获得材料在强电磁环境下的温度场变化，样品切换装置的驱动电机置于温度可控的一体化吸波热沉箱外部，通过传动轴将动力传至电磁辐射区域，可以实现在不开启真空容器、恢复温度的情况下实现多样品的空间强电磁环境效应试验。
Description
技术领域
本发明涉及卫星环境工程技术领域，尤其涉及航天器材料空间强电磁环境效应试验系统。
背景技术
由于空间环境的特殊性，卫星在空间会遇到强电磁环境的问题。特别是GEO卫星在轨运行期间，将遭遇表面带电环境。处于GEO高度的卫星会受到空间高能电子和质子的撞击，这些带电粒子来自地球黑暗面的太阳风产生的空间等离子体。这类电子和质子能使GEO卫星产生表面带电效应，其充电电位可以达到10000V～20000V，当卫星不同部位产生的充电电位存在一定电势差且超过一定阈值时，将会发生表面静电放电。
目前，表面静电放电的峰值电流高达1000A，相应的放电电场可达1000V/m或更高，这种空间强电磁场在叠加真空、低温以及空间等离子环境后会对卫星产品造成损伤，为了保证卫星产品在空间强电磁场环境下的安全，必须开展相应的防护技术研究，而防护的基础效应机理分析。而强电磁脉冲、真空、热环境综合模拟过程中各环境模拟要素之间相互干扰、相互影响。将外部脉冲源引入真空容器；强电磁脉冲在引入真空容器内后，辐照到试验件表面或容器壁后部分被反射，多次反射的电磁波重新作用于试验件，造成模拟失真，因此需要在容器壁吸收反射的电磁波，同时电磁波吸收材料在真空环境下可能会发生放气现象，影响真空度，吸波材料在吸收电磁波后将能量转化为热能，改变了模拟环境的边界温度，因此，亟待建立航天器材料强电磁环境模拟系统，以获得航天器材料在空间强电磁环境下的损伤效应数据，为防护设计提供基础支撑。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，而提出的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，包括有：容器系统、真空系统、强电磁脉冲系统、温度可控的一体化吸波热沉、摄像系统、红外测温系统、非金属光纤传感器、样品切换系统，且所述摄像系统、红外测温系统与强电磁样品切换系统均具备耐真空、低温与强电磁脉冲的性能，所述容器系统包括有强电磁脉冲源、同轴电缆、辐射天线、真空容器、低温热沉系统、吸波装置一、吸波材料、高速摄像设备、试验件切换装置、红外测温仪器、光纤一与外部光谱仪，所述容器系统用于提供气密环境，真空系统用于将真空容器由常压环境控制为高真空环境，强电磁脉冲系统用于在真空容器外部产生强电磁脉冲源，并将强电磁脉冲源引入到真空容器内部，并且不对真空容器的真空度产生影响，红外测温系统用于在真空低温强电磁环境下测量试验过程中的温度，非金属光纤传感器用于传输测量信号。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述低温热沉系统包括有吸波装置二、金属表面、加热片与液氮平板。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述试验件切换装置包括有电机、传动轴、配合件、试验台、簧片、壳体与电磁屏蔽结构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述红外测温系统包括有光纤二、干涉滤光片、平面镜、全息陷波片、聚焦物镜与航天器材样品。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述温度可控的一体化吸波热沉能进行100K-400K温度范围的模拟，还能吸收强电磁脉冲，完成对空间温度和洁净电磁环境的模拟。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述样品切换装置能在不开启真空容器、恢复温度的情况下实现多样品的空间强电磁环境效应试验。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，温度可控的一体化吸波热沉将吸波尖劈结构与金属板管结合在一起，金属板表面贴有加热片，金属管内可以通液氮，在需要高温模拟时启动加热片，在需要模拟低温环境时启动液氮，可以实现100K-400K温度范围的模拟，同时可以吸收强电磁脉冲，实现了对空间温度和洁净电磁环境的模拟，且金属板和吸波材料可以减少强电磁脉冲向外部环境的泄露，保证试验外部换环境的安全，非接触温度测量通过强电磁脉冲屏蔽设计、温度控制和气密性设计以适应复杂的试验环境，实现强电磁真空低温环境下对航天器材料的温度进行在线测量，获得材料在强电磁环境下的温度场变化，样品切换装置的驱动电机置于温度可控的一体化吸波热沉箱外部，通过传动轴将动力传至电磁辐射区域，通过转动样品台实现试验样品的切换，可以实现在不开启真空容器、恢复温度的情况下实现多样品的空间强电磁环境效应试验。
附图说明
图1为本发明中整体结构示意图；
图2为本发明中吸波装置一与低温热沉结构示意图；
图3为本发明中试样切换装置结构示意图；
图4为本发明中远程光纤探头光路结构示意图。
图例说明：
101、强电磁脉冲源；102、同轴电缆；103、辐射天线；104、真空容器；105、低温热沉系统；106、吸波装置一；107、吸波材料；108、高速摄像设备；109、试验件切换装置；110、红外测温仪器；111、光纤一；112、外部光谱仪；201、吸波装置二；202、金属表面；203、加热片；204、液氮平板；301、电机；302、传动轴；303、配合件；304、试验台；305、簧片；306、壳体；307、电磁屏蔽结构；401、光纤二；402、干涉滤光片；403、平面镜；404、全息陷波片；405、聚焦物镜；406、航天器材样品。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参阅图1-4，航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，包括有：容器系统、真空系统、强电磁脉冲系统、温度可控的一体化吸波热沉、摄像系统、红外测温系统、非金属光纤传感器、样品切换系统，且摄像系统、红外测温系统与强电磁样品切换系统均具备耐真空、低温与强电磁脉冲的性能，容器系统系统包括有强电磁脉冲源101、同轴电缆102、辐射天线103、真空容器104、低温热沉系统105、吸波装置一106、吸波材料107、高速摄像设备108、试验件切换装置109、红外测温仪器110、光纤一111与外部光谱仪112，容器系统用于提供气密环境，真空系统用于将真空容器104由常压环境控制为高真空环境，强电磁脉冲系统用于在真空容器104外部产生强电磁脉冲源101，并将强电磁脉冲源101引入到真空容器104内部，并且不对真空容器104的真空度产生影响，红外测温系统用于在真空低温强电磁环境下测量试验过程中的温度，非金属光纤传感器用于传输测量信号。
低温热沉系统105包括有吸波装置二201、金属表面202、加热片203与液氮平板204。
试验件切换装置109包括有电机301、传动轴302、配合件303、试验台304、簧片305、壳体306与电磁屏蔽结构307。
红外测温系统包括有光纤二401、干涉滤光片402、平面镜403、全息陷波片404、聚焦物镜405与航天器材样品406。
温度可控的一体化吸波热沉能进行100K-400K温度范围的模拟，还能吸收强电磁脉冲，完成对空间温度和洁净电磁环境的模拟。
样品切换装置能在不开启真空容器104、恢复温度的情况下实现多样品的空间强电磁环境效应试验。
强电磁脉冲源101用于模拟由于空间静电放电而产生的强电磁脉冲，其模拟频段可以为L、S、C、X、Ku等波段，模拟场强大于100V/m，通过同轴电缆102将强电磁脉冲源导入真空容器104内，通过辐射天线103将强电磁脉冲辐射试验区域。
真空容器104用于承受压力环境模拟空间真空环境，低温热沉系统105模拟空间冷黑背景，吸波装置106用于吸收照射在试验件之外和从试验件反射的强电磁脉冲，吸波装置二201安装在导热系数较好的金属表面202上，金属表面202贴有加热片203，加热片203可以将吸波热沉温度最高加热至需要模拟的温度，加热片203底部与液氮平板204连接，液氮平板204可以模拟低温背景环境，液氮平板204工作时加热片203停止工作，加热片203加热时液氮管路不通液氮，低温热沉与吸波装置为一体化设计，吸波装置二201与加热片203、热沉之间采用涂有耐真空导热硅脂，保证之间的导热热阻最小。
吸波材料107减小测量仪器抗强电磁干扰设计难度，测量仪器置于吸波材料107后，主要用于对测量仪器的遮挡，保证测量仪器在强电磁脉冲环境下正常工作，高速摄像设备108通过控温小舱保证高速摄像在真空低温环境下正常工作，同时对控温小舱进行强电磁防护设计，在其表面增加一层铜网，进一步降低强电磁脉冲对高速摄像设备108的干扰，高速摄像设备108数据信号通过光纤111引出吸波箱，防止电磁场对数据信号的干扰；
试验件切换装置109可以在不打开容器的情况下实现对样品的切换，提高试验效率，试样切换装置109由电机301、传动轴302、配合件303、试样台304、簧片305、壳体306与电磁屏蔽结构307组成，试样件放置在试样台304上面，,红外测温仪器110通过控温小舱保证其在真空低温环境下正常工作，红外测温仪器110安装于真空容器104内部，通过光纤一111将信号引出吸波箱，降低试验时强电磁脉冲对信号传输的干扰。
试验过程中为了快速测量极小尺度结构的温度，传统的热电偶等测温方式很难获取微秒级的温度，且热电偶等金属传感器受电磁干扰强烈，采用远程光纤探头实现对热真空强电磁综合环境模拟试验的航天器材料电磁场效应的拉曼信号进行测量，进而获得其温度信号，将拉曼光谱仪和激光器都放置在真空罐外，系统内部置有光纤传感器，通过光纤一111将内部温度场变化导致的拉曼光谱频移信号传输给外部光谱仪112，通过光谱仪112分析得出材料的光谱频移信号，通过拉曼光谱得到材料在电磁场作用下的温度变化，,拉曼光纤探头布置在热真空容器104中，通过光纤二401连接，由此可实现对热真空强电磁综合环境试验下航天器材料温度的快速准确测量，干涉带通滤光片只允许较窄波长范围的光通过，常见的是法布里-珀罗型滤光片，具体结构为：玻璃衬底上涂一层半透明金属层，接着涂一层氟化镁隔层，再涂一层半透明金属层，两金属层构成了法布里-珀罗标准具的两块平行板。当两极的间隔与波长同数量级时，透射光中不同波长的干涉高峰分得很开，利用别的吸收型滤光片可把不允许透过的光滤掉，从而得到窄通带的带通滤光片，其通频带宽度远比普通吸收型滤光片要窄，全息陷波片404过滤瑞利散射，其优点是在激光波长附近的信号被极大限度的抑制而其它波长的信号基本不受影响，提高了收集光的效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，包括有：容器系统、真空系统、强电磁脉冲系统、温度可控的一体化吸波热沉、摄像系统、红外测温系统、非金属光纤传感器、样品切换系统，且所述摄像系统、红外测温系统与强电磁样品切换系统均具备耐真空、低温与强电磁脉冲的性能，所述容器系统包括有强电磁脉冲源（101）、同轴电缆（102）、辐射天线（103）、真空容器（104）、低温热沉系统（105）、吸波装置一（106）、吸波材料（107）、高速摄像设备（108）、试验件切换装置（109）、红外测温仪器（110）、光纤一（111）与外部光谱仪（112），所述容器系统用于提供气密环境，真空系统用于将真空容器（104）由常压环境控制为高真空环境，强电磁脉冲系统用于在真空容器（104）外部产生强电磁脉冲源（101），并将强电磁脉冲源（101）引入到真空容器（104）内部，并且不对真空容器（104）的真空度产生影响，红外测温系统用于在真空低温强电磁环境下测量试验过程中的温度，非金属光纤传感器用于传输测量信号。
2.根据权利要求1所述的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，所述低温热沉系统（105）包括有吸波装置二（201）、金属表面（202）、加热片（203）与液氮平板（204）。
3.根据权利要求1所述的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，所述试验件切换装置（109）包括有电机（301）、传动轴（302）、配合件（303）、试验台（304）、簧片（305）、壳体（306）与电磁屏蔽结构（307）。
4.根据权利要求1所述的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，所述红外测温系统包括有光纤二（401）、干涉滤光片（402）、平面镜（403）、全息陷波片（404）、聚焦物镜（405）与航天器材样品（406）。
5.根据权利要求1所述的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，所述温度可控的一体化吸波热沉能进行100K-400K温度范围的模拟，还能吸收强电磁脉冲，完成对空间温度和洁净电磁环境的模拟。
6.根据权利要求1所述的航天器材料空间强电磁环境效应试验系统，其特征在于，所述样品切换装置能在不开启真空容器（104）、恢复温度的情况下实现多样品的空间强电磁环境效应试验。
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| CN116698757A (zh) * | 2023-08-04 | 2023-09-05 | 北京天工科仪空间技术有限公司 | 激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114018436B (zh) | 2023-11-10 |
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