CN114325172B - 一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，包括下步骤：一组试验件放置于空间环境模拟容器的内部，所述一组试验件由多个试验件单体组成，在真空、低温耦合环境下以辐照方式模拟强场，并对一组试验件的状态进行采集、记录。本发明中，对于试验件放电阈值主要基于半数损毁阈值，即基于模型预示下，一半试验件发生放电损伤的场强，通过引入半数损毁阈值的评价方法，可以在大量试验数据中提取共性，降低放电发生随机性的影响，对阈值数据、分布规律进行记录处理，得到出损伤阈值的总体分布。

Description

一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法

技术领域

本发明涉及地面特种试验技术领域，尤其涉及一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法。

背景技术

航天器表面一般大量铺设了多层隔热组件(MLI)，多层隔热组件一般由若干层的镀铝膜和间隔层组成(一般可达5-20层)，其中内部的镀铝膜的基材一般为聚酯膜，间隔层一般为涤纶线、阻燃线等，外部膜的基材一般为聚酰亚胺材质，同时为了增强其表面适应性，也有在表面渗碳、镀ITO等工艺的多层隔热组件。在真空、强电磁场的耦合作用下，多层隔热组件表面可能发生低气压放电等现象，表面甚至内部发生损毁，可能对航天器的热控性能、屏蔽效能产生不利的影响，甚至导致内部的材料在强场作用下发生进一步的损坏。其损伤机理非常复杂，往往存在多种耦合作用。因此如何在地面环境下对于放电损伤发生的阈值进行测试是未来的关键技术之一。

然而，试验中的材料放电并非达到一定范围立刻发生，往往伴随着一定随机性，同样的材料，每次发生损伤时的电场强度往往不相同，以现有的效应试验方法，难以对阈值变化、分布规律进行研究，只能在多次试验中逐步进行数据积累。而通过多次零散的试验样本，则较难反应出损伤阈值的总体分布。

因此，设计和发明一种新型的航天器表面铺覆材料的强场辐照式试验方法具有积极的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，包括下步骤：

S1.将一组试验件放置于空间环境模拟容器的内部，所述一组试验件由多个试验件单体组成，在真空、低温耦合环境下以辐照方式模拟强场，并对一组试验件的状态进行采集、记录；

S2.对一组试验件进行辐照，分别记录各个试验件的损伤时的强电磁场参数；

S3.处理记录的一组试验件的数据：建立试验件损伤阈值的分布模型，以分布拟合方法，获得损伤阈值分布的数学期望及方差；

S4.得到试验数据结果后，以k-s检验的方法进行验证，验证完成获得的参数可用于计算相应材料在不同参数强场环境下的损伤概率。

优选地，所述空间环境模拟容器的内部包括试验件安装板、真空容器、热沉、微波天线、观测相机，试验件安装板放置于微波天线的主瓣方向。

优选地，所述试验件安装板为透波材料构成，可阵列式安装十六块以上的铺覆材料，每块边长不小于10cm，间距不小于1cm，所述铺覆材料包括但不限于多层隔热组件、聚酰亚胺镀铝膜、渗碳聚酰亚胺膜，聚酯镀铝膜、光学二次表面镜。

优选地，所述试验件安装板上具有分隔，所述分隔为高介电常数材料制备而成。

优选地，所述步骤S2中以阶梯式提高到靶场强(或功率密度及其他表征参数)，通过微波主瓣可一次性覆盖一组试验件的范围，直到一组试验件表面发生沿面放电损伤，并记录所有试验件的发生放电时的损伤阈值(或功率密度及其他表征参数)。

优选地，所述损伤阈值分布模型一般为正态分布，通过分布拟合方法，获得正态分布模型的数学期望与标准差。

所述处理记录的一组试验件的数据过程中还需要对分布拟合获得的模型进行检验，其中检验方法包括但不限于k-s检验，一般检验置信度为0.95，如果试验数据结果不能通过k-s检验，一般为试验件表面状态存在瑕疵导致其放电阈值出现偏移，需要对其表面进行观测，剔除影响分析的数据。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本申请中，对于试验件放电阈值主要基于半数损毁阈值，即基于模型预示下，一半试验件发生放电损伤的场强，通过引入半数损毁阈值的评价方法，可以在大量试验数据中提取共性，降低放电发生随机性的影响，对阈值数据、分布规律进行记录处理，得到出损伤阈值的总体分布。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例提供的连接结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例提供的试验件安装板结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例提供的试验数据的分布结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例提供的试验流程结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例提供的数据处理流程结构示意图。

图例说明：

101、试验件安装板；102、试验件单体；103、分隔；201、真空容器；202、热沉；203、微波波导；204、微波天线；205、微波天线主瓣方向；206、观测相机；301、试验数据分布；302、拟合正态分布峰值；303、拟合正态分布曲线；304、拟合正态分布对应半数损毁阈值。

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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，包括下步骤：

S1.将一组试验件放置于空间环境模拟容器的内部，一组试验件由多个试验件单体102组成，一般为航天器表面所用的铺覆热控材料，包括但不限于各类多层隔热组件、光学二次表面镜，各种多层隔热组件的面膜和中间层各种涂料等，可通过粘贴、悬挂的方式安装，每个试验件单体102边长最小为10cm，否则可能出现较难发生放电的情况，各个试验件单体102间间距>1cm，在真空、低温耦合环境下以辐照方式模拟强场，并对一组试验件的状态进行采集、记录；

S2.对一组试验件进行辐照，分别记录各个试验件的损伤时的强电磁场参数；

S3.处理记录的一组试验件的数据：建立试验件损伤阈值的分布模型，以分布拟合方法，获得损伤阈值分布的数学期望及方差；

S4.得到试验数据结果后，以k-s检验的方法进行验证，验证完成获得的参数可用于计算相应材料在不同参数强场环境下的损伤概率。

具体的，如图1所示，空间环境模拟容器的内部包括试验件安装板101、真空容器201、热沉202、微波天线204、观测相机206，真空容器201上安装有微波波导203，真空容器201用于保证气密，可实现较低气压的模拟，同时也可以防止强场泄露至真空容器201外，热沉202用于模拟低温，根据具体温度需求，可以选用水冷热沉、液氮热沉等，203微波波导用于将真空容器201外微波源发射的微波传输至真空容器201内，微波天线204用于将微波波导203导入的微波脉冲向前方发射，205为微波天线主瓣方向，即微波辐射最强的方向，用于直接对一组试验件进行辐照，在试验件安装板101附近可形成稳定的均匀场，即对所有试验件单体102进行均匀辐照，206观测相机用于对试验件表面的状态进行实时监测，需避开微波的主瓣、副瓣方向。

具体的，如图1所示，试验件安装板101为透波材料构成，可阵列式安装十六块以上的铺覆材料，每块边长不小于10cm，间距不小于1cm，试验件安装板101能够防止损伤试验件单体102，在一种典型的实施方式，可选择聚酰亚胺。

具体的，如图1所示，试验件安装板101上具有分隔103，分隔103为高介电常数材料制备而成试验件安装板101上具有分隔103，分隔103为高介电常数材料制备而成，用于防止各个试验件单体102之间发生放电。

具体的，如图4所示，步骤2中以阶梯式提高到靶场强，直到所有试验件表面发生沿面放电损伤，并记录所有试验件的发生放电时的损伤阈值。

具体的，如图5所示，损伤阈值分布模型一般为正态分布，通过分布拟合方法，获得正态分布模型的数学期望与标准差。

其中，图3为试验数据的分布示意图，301为试验数据分布，x坐标为试验件发生损伤时的场强表征，具体单位可选取场强、功率密度等，如图中划分为10-15、15-20、30-35、35-40多个区域，其中y轴为样本数量，通过统计，可以使用直方图方式直观显示损伤场强的分布，302拟合正态分布峰值，即损伤发生概率最高的点，其对应x轴点为对应半数损毁阈值304，303为拟合正态分布曲线，通过对试验数据分布301进行分布拟合可获得正态分布曲线303，304、拟合正态分布对应半数损毁阈值，即试验件损伤概率为50％的对应场强。

图4为试验流程，其中主要的步骤包括：

A01：开始试验，即进行试验准备，进行试验件单体102安装，设备检查，关闭真空容器201大门等操作；

A02：建立真空背景，通过机械泵、低温泵等手段对真空容器201进行抽气，使容器内达到10^-3Pa左右的压力，模拟航天器在轨的真空环境；

A03：调整背景温度，通过向热沉202内部通入工质，降低热沉202的温度，一般使用水冷热沉可达-40℃以下，液氮热沉可达-196℃以下，通过低温背景可对试验件单体102进行降温，模拟其在轨的工作温度；

A04：开启所有设备，启动所有测试设备，包括强场模拟设备、电磁场测量设备、试验件单体102表面状态监视设备等；

A05：设定试验基础参数，当以电场强度作为电磁场强度表征时，根据预置的输入，设定场强数组序号n＝1；

A06：根据读入的数组，设定当前场强为Vn，开始辐照式试验；

A07：试验完成后，进入停机程序，保存当前数据记录，以便进行下一步的分析；

A08：在完成A06设定当前场强为Vn，开始辐照式试验后，判断当前是否有试验件单体102发生损坏，如在该参数下未发生损坏，则跳至A10 n＝n+1，直接准备进行下一个场强的辐照试验，如果在该参数下有组件发生损坏，则进行A09记录当前场强参数，如全部试验件单体102均已完全损伤，则进入A07停机程序；

A09：记录当前场强参数，在表格中记录对应试验件发生损坏的场强，并进入A10 n＝n+1；

A10：n＝n+1,即根据预置的数组，准备进行下一组的辐照试验；

A11：结束试验；

通过阶梯式的施加场强，可针对一组16个以上的试验件单体102，分别获得其损伤场强，降低试验中放电发生的随机性影响，以进行下一步的数据处理。

图5为数据处理流程，其中主要的步骤包括(其中的主要表征参数为电磁场场强，使用功率作为表征时同理)：

B01：试验数据整理(n×1向量)，其中n为试验件个数，在一种典型的实施模式下，试验件单体102使用4×4布置，即损伤场强数据为16×1向量；

B02：分布拟合，对损伤场强数据进行分布拟合，其中首先将场强分为多个区间，分别统计各个区间试验件单体102损毁的频次(即该场强范围内存在多少个试验件损坏)，并进一步对场强频次数据进行最小二乘法拟合，在一种典型的实施模式下，场强的分布可以用正态分布表示，即N(μ,σ)，其中μ为该分布的数学期望，σ为分布的标准差，其中分布的概率密度也可以表示：

通过拟合，可获得分布的参数，即数学期望μ和标准差σ，以及评估其范围分布的参数(标准误差或95％CI值)；

B03：K-S检验，通过K-S检验方法，可对数据是否近似服从正态分布进行校验，一般而言，显著度阈值可选择0.05，即k-s检验结果P大于0.05时，无法拒绝原假设(数据服从拟合结果的正态分布)，P小于0.05时则拒绝原假设，即数据存在问题，需要进行检查；

B04：判断是否拒绝假设，根据K-S检验结果，判断是否拒绝原有假设(数据服从拟合结果的正态分布)，如果不能拒绝原假设，则转入B05，如果分析结果拒绝了原有假设，则转入B06；

B05：获得损伤阈值分布，即拟合的结果与试验结果吻合，可以代表一组试件的损伤阈值分布；

B06：对试验件单体102表面进行检查，结合光学显微镜等手段，防止试验件表面存在划痕、弯折等导致场强局部增强而降低损伤阈值的因素，通过排查试验件单体102表面状态，可以剔除试验件由于工艺引入缺陷而导致试验数据偏差的情况；

B07：剔除表面存在损伤等影响损伤阈值的数据点，在数值拟合中，去除B06中所述点，重新进行B02分布拟合；

B08：获得半数损伤场强(功率)，以拟合结果正态分布N(μ,σ)的数学期望μ作为材料的半数损伤场强，可直观对不同材料的耐受能力进行评估。

实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，包括下步骤：

S1.将一组试验件放置于空间环境模拟容器的内部，在真空、低温耦合环境下以辐照方式模拟强场，并对一组试验件的状态进行采集、记录；

S2.对一组试验件进行辐照，分别记录各个试验件的损伤时的强电磁场参数；

S3.处理记录的一组试验件的数据：建立试验件损伤阈值的分布模型，以分布拟合方法，获得损伤阈值分布的数学期望及方差；

S4.得到试验数据结果后，以k-s检验的方法进行验证，验证完成获得的参数可用于计算相应材料在不同参数强场环境下的损伤概率；

S5.获得半数损伤场强，以拟合结果正态分布N(μ,σ)的数学期望μ作为材料的半数损伤场强，对不同材料的耐受能力进行评估；

所述半数损伤场强是指在确定的场强下，一半试验件发生放电损伤的场强，则该场强称为半数损伤场强。

2.根据权利要求1所述的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，所述空间环境模拟容器的内部包括试验件安装板（101）、真空容器（201）、热沉（202）、微波天线（204）、观测相机（206）。

3.根据权利要求2所述的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，所述试验件安装板（101）为透波材料构成，可阵列式安装十六块以上的铺覆材料，每块边长不小于10cm，间距不小于1cm。

4.根据权利要求3所述的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，所述试验件安装板（101）上具有分隔（103），所述分隔（103）为高介电常数材料制备而成。

5.根据权利要求4所述的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，所述步骤S2中以阶梯式提高到靶场强，直到一组试验件表面发生沿面放电损伤，并记录一组试验件的发生放电时的损伤阈值。

6.根据权利要求5所述的一种航天器表面铺覆材料的强电磁场辐照式试验方法，其特征在于，所述损伤阈值分布模型一般为正态分布，通过分布拟合方法，获得正态分布模型的数学期望与标准差。