CN116698757B - 激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法，该装置包括位于真空腔外的激光光源、分光镜、能量分析器；位于真空腔内的拍照系统、航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置；位于真空腔上的玻璃窗口、低能带电粒子源和等离子体源；低能带电粒子源和所述等离子体源位于玻璃窗口的两侧，低能带电粒子源发射的低能带电粒子能够被航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收，等离子体源发射的等离子体能够被航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收。根据本申请的实施例能够准确评价航天器表面材料或组件在太空等离子体或低能带电粒子作用下的耐受激光诱发静电放电的能力。
Description
技术领域
本申请涉及航天器空间环境效应试验技术领域，特别涉及激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法。
背景技术
航天器在轨运行期间，将处于等离子体或低能带电粒子环境的包围之中，等离子体或低能带电粒子环境将于航天器的表面材料或组件相互作用，使航天器材料或组件表面积累电荷，从而引起航天器表面之间、表面与深层之间、表面与航天器结构地之间产生表面电位差，当这个电位差达到一定的量值后，将会以电晕、击穿等发生放电，导致表面材料或组件的放电损伤，使太阳电池阵损毁及其发电效率下降，表面导电热控材料烧毁击穿等，甚至放电电流耦合到航天器电子系统中，导致航天器发生电路故障。
激光中的高能光子作用在材料或者物质上之后，由于热效应或激波效应会导致材料局部出现热熔化或出现等离子体喷溅，这些等离子体的喷溅物由于在轨期间的电荷携带而具备导电作用。由于喷溅的等离子体具有的导电作用为不同带电物体之间提供了导电通道，以及材料表面的熔融损伤，导致带有一定电位的材料或者组件更容易引发放电击穿。
在航天器充放电效应研究方面，目前开展大量的地面模拟试验和在轨飞行试验研究。比如宇航学报《低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验》中提出了低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验，并在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象；航天器环境工程《地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究》中重点分析了高压太阳电池阵表面ESD（Electro-Static discharge，静电放电）和二次放电产生的物理过程,并利用负高压偏置方法开展了GEO（geosynchronous orbit，地球同步轨道）高压太阳电池阵表面ESD和二次放电地面模拟试验，试验验证了反转电位梯度电场是导致GEO高压太阳电池阵表面产生ESD的触发因素之一,同时得到了砷化镓高压太阳电池阵样品表面产生ESD和二次放电的电压阈值；高电压技术《空间环境下航天器材料表面带电性能试验方法》中提出了空间环境下航天器材料表面带电性能试验方法，遥测遥控《等离子体对空间飞行器表面充电效应探测研究》研究了等离子体对空间飞行器表面充电效应探测技术；中国专利申请CN109932607A公开了一种空间辐射环境强电磁场诱发静电放电试验系统，中国专利申请CN104144550A公开了航天器表面充放电效应防护方法，中国专利申请CN102507717B公开了一种卫星材料表面充电在轨监测的装置及方法，但这些文章及发明专利涉及航天器太阳电池阵的表面充放电效应研究和航天器在轨表面充电电位监测技术研究、表面充放电效应的地面模拟和在轨试验。相关文章及专利均未涉及到空间激光对航天器表面充电和放电相关的研究，更未建立空间激光诱发表面材料或组件的静电放电的测试框架，需要研究者深入研究。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本申请提出了一种激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置和测试方法，能够解决至少一种技术问题。
本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置包括：位于真空腔外的激光光源、分光镜、能量分析器、真空系统和微电流计；位于所述真空腔内的拍照系统、污染成分实时监测系统、污染监测装置、温控装置、航天器表面材料或组件的样品、样品台、物理量监测装置和样品表面电位监测装置；位于所述真空腔上的玻璃窗口、低能带电粒子源和等离子体源；其中，所述玻璃窗口能够使所述激光光源发射的激光入射到所述真空腔内并被所述航天器表面材料或组件的样品接收；所述低能带电粒子源和所述等离子体源位于所述玻璃窗口的两侧，所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收，所述等离子体源发射的等离子体能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收；
所述分光镜位于所述激光光源与所述玻璃窗口的中心连接线上，所述分光镜能够使所述激光光源发射的激光按一定比例入射到所述能量分析器内；所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置位于所述温控装置上，所述温控装置位于所述样品台上，所述温控装置能够调节所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置的温度；所述拍照系统能够记录所述激光光源发射的激光入射到所述航天器表面材料或组件的样品表面的溅射过程、拍摄所述航天器表面材料或组件的样品的形貌和拍摄航天器表面材料或组件的样品表面的放电过程；所述真空系统能够使所述密封腔内保持真空环境；所述微电流计能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的放电脉冲信号；所述物理量监测装置能够监测等离子体的密度或低能带电粒子的通量；所述样品表面电位监测装置能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的表面电位。
可选的，还包括遮挡装置和测试与控制系统；
所述遮挡装置设置在所述真空腔内，位于所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置前方，防止所述低能带电粒子源和所述等离子体源分别发射的带电粒子和等离子体损伤所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置；
所述测试与控制系统用于控制所述激光光源、所述低能带电粒子源、所述等离子体源、所述能量分析器、真空系统、污染成分实时监测系统、拍照系统、温控装置、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置的工作状态。
可选的，所述激光光源包括1064nm脉冲光源、532 nm脉冲光源、355 nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种；所述低能带电粒子源包括低能电子源或质子源；所述等离子体源包括微波等离子体源。
可选的，所述温控装置由高温控制部件和低温控制部件组成，其中高温控制部件使用电加热丝，低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为-80℃～+120℃。
可选的，所述物理量监测装置包括朗缪尔探针和法拉第杯；其中，所述朗缪尔探针用于监测所述等离子体源发射的等离子体的密度，所述法拉第杯用于监测所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子的通量。
本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法基于上述的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，所述测试方法包括：
分析航天器表面材料或组件在轨服役环境；
确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数；
确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制。
可选的，所述分析航天器表面材料或组件在轨服役环境包括：根据航天器的轨道高度和航天器表面材料或组件分析航天器表面材料或组件面临的充电环境、温度和航天器表面材料或组件表面带电模拟参数。
可选的，对低地球轨道，充电环境包括等离子体；对中地球轨道和地球同步轨道，充电环境包括低能带电粒子。
可选的，所述确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数包括：确定低能带电粒子或等离子体和航天器表面材料或组件的样品的试验参数，其中，低能带电粒子的能量范围为0.1keV～30keV, 通量为103～1010cm-2s-1；等离子体环境的温度小于5℃，等离子体密度为106～1012cm-3；航天器表面材料或组件的样品的温度范围为-60℃～+60℃。
可选的，所述确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，并配合使用物理量监测装置监测等离子体或者低能带电粒子的通量，以及使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，直到航天器表面材料或组件的样品发生静电放电，该放电电位即为真空环境下的静电放电阈值电位。
可选的，所述确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置控制航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，当所述充电电位达到时，使用激光光源发射激光，并通过分光镜镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测；
使用拍照系统记录激光损伤航天器表面材料或组件的样品的过程，通过调节激光光源发射的激光的能量或者连续激光的作用时间，并配合使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，以及使用物理量监测装置监测等离子体的密度或者低能带电粒子的通量，得到航天器表面材料或组件的样品在激光作用下的放电电位和激光作用参数之间的关系。
可选的，所述分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制包括：分析真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值和真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值，得到空间激光对航天器表面材料或组件静电放电的阈值。
可选的，所述测试方法还包括：将真空环境下的航天器表面材料或组件的样品和真空环境下具有激光辐照的航天器表面材料或组件的样品进行成分、形貌等进行微观分析和比对，得到空间激光影响航天器表面材料或组件诱发静电放电的微观机制。
可选的，所述预设电位小于所述真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值。
本申请提出的空间激光诱发航天器表面材料或组件放电的测试方案能够为研究空间激光对航天器表面充电和放电提供试验装置、建立合理的试验平台，该装置布局合理，紧密围绕航天器在轨期间的服役环境布局适应的部件，并配备了监测航天器表面材料或组件性质的相关装置，以及监测模拟试验环境是否与真实环境相符的检测组件，使用本申请实施例得到的结论可靠性高，部件连接关系清晰易懂，有利于研究者开展试验，为航天器表面材料的选取及航天器的整体设计提供研究基础。
附图说明
下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
图1是根据本申请的实施例的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置的结构示意图；
图2是根据本申请的实施例的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法的流程框图。
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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
图1示意性地示出了本申请的实施例的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置的结构示意图，如图1所示，激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置包括：位于真空腔106外的激光光源101、分光镜103、能量分析器104、真空系统114、微电流计116和监测与控制装置115；位于真空腔106内的拍照系统107、污染成分实时监测系统108、污染监测装置110、温控装置112、航天器表面材料或组件的样品109、样品台111、物理量监测装置117和样品表面电位监测装置113；位于真空腔106上的玻璃窗口104、低能带电粒子源1021和等离子体源1022；其中，玻璃窗口104能够使激光光源101发射的激光入射到真空腔106内并被航天器表面材料或组件的样品109接收；低能带电粒子源1021和等离子体源1022位于玻璃窗口104的两侧，低能带电粒子源1021发射的低能带电粒子能够被航天器表面材料或组件的样品109和物理量监测装置117接收，等离子体源1022发射的等离子体能够被航天器表面材料或组件的样品109和物理量监测装置接收117；
分光镜103位于激光光源101与玻璃窗口104的中心连接线上，分光镜103能够使激光光源101发射的激光按一定比例入射到能量分析器104内；航天器表面材料或组件的样品109和污染监测装置110位于温控装置112上，温控装置112位于样品台111上，温控装置112能够调节航天器表面材料或组件的样品109和污染监测装置110的温度；拍照系统107能够记录激光光源101发射的激光入射到航天器表面材料或组件的样品109表面的溅射过程、拍摄航天器表面材料或组件的样品109的形貌和拍摄航天器表面材料或组件的样品109表面的放电过程；真空系统114能够使密封腔106内保持真空环境；微电流计116能够监测航天器表面材料或组件的样品109的放电脉冲信号；物理量监测装置117能够监测等离子体的密度或低能带电粒子的通量；样品表面电位监测装置113能够监测航天器表面材料或组件的样品109的表面电位。
本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置能够为研究空间激光对航天器表面充电和放电提供试验装置、建立合理的试验平台，该装置布局合理，紧密围绕航天器在轨期间的服役环境布局适应的部件，并配备了监测航天器表面材料或组件性质的相关装置，以及监测模拟在轨环境是否与真实环境相符的检测组件，确保使用本申请提出的试验装置得到的结论可靠，部件连接关系清晰易懂，有利于研究者开展试验，为航天器表面材料的选取及航天器的整体设计提供研究基础。
如图1所示的实施例，还包括遮挡装置118和测试与控制系统115；遮挡装置118设置在真空腔内，位于拍照系统107、污染成分实时监测系统108、污染监测装置110、样品表面电位监测装置113和物理量监测装置117前方，防止低能带电粒子源1021和等离子体源1022分别发射的带电粒子和等离子体损伤拍照系统107、污染成分实时监测系统108、污染监测装置110、样品表面电位监测装置113和物理量监测装置117；
测试与控制系统用于控制激光光源101、低能带电粒子源1021、等离子体源1022、能量分析器104、真空系统114、污染成分实时监测系统108、拍照系统107、温控装置112、污染监测装置110、样品表面电位监测装置113和物理量监测装置117的工作状态。
在本申请的一些实施例中，激光光源101包括1064nm脉冲光源、532 nm脉冲光源、355 nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种；低能带电粒子源1021包括低能电子源或质子源；等离子体源1022包括微波等离子体源。
在本申请的一些实施例中，温控装置112由高温控制部件和低温控制部件组成，其中高温控制部件使用电加热丝，低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为-80℃～+120℃。
在本申请的一些实施例中，物理量监测装置117包括朗缪尔探针和法拉第杯；其中，朗缪尔探针用于监测等离子体源发射的等离子体的密度，法拉第杯用于监测低能带电粒子源发射的低能带电粒子的通量。
图2示意性地示出了本申请的实施例的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法的流程框图，如图2所示，本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法基于激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，所述测试方法包括：
S101,分析航天器表面材料或组件在轨服役环境；
S102,确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数；
S103,确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
S104,确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
S105,分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制。
本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法能够准确评价在航天器表面材料或组件表面充电的情况下，空间激光对航天器表面材料或组件发生静电放电的放电阈值的影响，并且能够得出空间激光诱发静电放电的损伤机制。
在本申请的一些实施例中，分析航天器表面材料或组件在轨服役环境包括：根据航天器的轨道高度和航天器表面材料或组件分析航天器表面材料或组件面临的充电环境、温度和航天器表面材料或组件表面带电模拟参数。
在本申请的一些实施例中，对低地球轨道，充电环境包括等离子体；对中地球轨道和地球同步轨道，充电环境包括低能带电粒子。
在本申请的一些实施例中，确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数包括：确定低能带电粒子或等离子体和航天器表面材料或组件的样品的试验参数，其中，低能带电粒子的能量范围为0.1keV～30keV, 通量为103～1010cm-2s-1；等离子体环境的温度小于5℃，等离子体密度为106～1012cm-3；航天器表面材料或组件的样品的温度范围为-60℃～+60℃。
在本申请的一些实施例中，确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，并配合使用物理量监测装置监测等离子体或者低能带电粒子的通量，以及使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，直到航天器表面材料或组件的样品发生静电放电，该放电电位即为真空环境下的静电放电阈值电位。
在本申请的一些实施例中，确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置控制航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，当所述充电电位达到时，使用激光光源发射激光，并通过分光镜镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测；
使用拍照系统记录激光损伤航天器表面材料或组件的样品的过程，通过调节激光光源发射的激光的能量或者连续激光的作用时间，并配合使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，以及使用物理量监测装置监测等离子体的密度或者低能带电粒子的通量，得到航天器表面材料或组件的样品在激光作用下的放电电位和激光作用参数之间的关系。
在本申请的一些实施例中，分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制包括：分析真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值和真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值，得到空间激光对航天器表面材料或组件静电放电的阈值。
在本申请的一些实施例中，测试方法还包括：将真空环境下的航天器表面材料或组件的样品和真空环境下具有激光辐照的航天器表面材料或组件的样品进行成分、形貌等进行微观分析和比对，得到空间激光影响航天器表面材料或组件诱发静电放电的微观机制。
在本申请的一些实施例中，预设电位小于真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值。
以上通过多个实施例描述了本申请实施例的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法的实现方式以及带来的优势。下面通过具体的例子，详细描述本申请实施例的具体处理过程。
实施例一
选取空间太阳电池阵作为样品，服役轨道为地球同步轨道，充电为低能电子。
根据航天器的轨道为地球同步轨道，分析其充电环境主要为低能带电粒子，这里主要为低能电子；
确定低能电子的能量范围为0.1keV～30keV, 通量为103～1010cm-2s-1，在本申请的实施例中，低能电子的能量取值为20keV，通量为5×109cm-2s-1，样品温度取值25℃±2℃。
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，利用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制，开启低能带电粒子源，将电压调整到20keV，通量调整到5×109cm-2s-1，使用监测充电电位、高速摄像拍照系统监测放电现象和微电流计监测样品的放电电路脉冲信号，使用法拉第杯监测低能电子的通量，直到样品发生静电放电，记录样品的放电脉冲电流和放电时的充电电位，该电位即为真空环境下的静电放电阈值电位；
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制，开启低能电子源，将电压调整到20keV，通量调整到5×109cm-2s-1，使用样品表面电位监测装置监测充电电位，直到达到某一充电电位（取值小于上述步骤中得到的放电阈值电位），然后再使用选定的激光光源发射的激光的波长和入射能量，并通过分光镜分束，利用能量分析器对激光能量进行监测，使用拍照系统进行激光损伤材料的实时监测，使用微电流计监测样品的放电电流脉冲信号，利用法拉第杯监测低能电子的通量，通过调整激光光源中脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间直到发生静电放电，即可以得到样品在激光作用下的放电电位和激光作用参数之间的关系；
对上述步骤得到的数据进行比对分析，即可得到空间激光对航天器敏感外露材料或组件静电放电的阈值。进一步，将上述步骤中的样品进行成分、形貌等进行微观分析和比对，则可分析出空间激光作用影响航天器材料或组件诱发静电放电的微观机制。
实施例二
选取空间太阳电池阵作为样品，服役轨道为低地球空间站运行轨道，充电环境主要为等离子体，轨道高度为400~450 km,倾角42~43度，在本申请的实施例中，取高度为420km。
确定等离子体的温度约为1eV，等离子体密度为5×1010cm-3，样品温度为25℃±2℃。
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制，开启等离子体源，将等离子体温度调整到约为1eV，等离子体密度为5×1010cm-3，使用样品表面电位监测装置监测充电电位，利用拍照系统监测放电现象、使用微电流计监测放电电路脉冲信号，使用朗缪尔探针监测等离子体的通量，直到样品发生静电放电，记录放电脉冲电流和放电时的充电电位，该电位即为真空环境下的静电放电阈值电位；
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持样品和污染沉积量监测装置的温度控制，开启等离子体源，将等离子体温度调整到约为1eV，等离子体密度为5×1010cm-3，利用样品表面电位监测装置监测充电电位，直到达到某一充电电位（取值小于上述步骤中得到的放电阈值电位），调节激光光源发射的波长和入射能量，并通过分光镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测，使用拍照系统进行激光损伤材料的实时监测，使用微电流计监测放电电流脉冲信号，使用朗缪尔探针监测等离子体的通量，通过调整激光光源发射的脉冲激光的能量或者连续激光的作用时间直到发生静电放电，即可以得到样品在激光作用下的放电电位和激光作用参数之间的关系；
对上述步骤中得到的数据进行比对分析，即可得到空间激光对航天器敏感外露材料或组件静电放电的阈值。进一步，将上述步骤中的样品进行成分、形貌等进行微观分析和比对，则可分析出空间激光作用影响航天器材料或组件诱发静电放电的微观机制。
本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置能够为研究空间激光对航天器表面充电和放电提供试验装置、建立合理的试验平台，使用本申请提出的试验装置得到的结论可靠，部件连接关系清晰易懂，有利于研究者开展试验，为航天器表面材料的选取及航天器的整体设计提供研究基础。基于激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，本申请提出的激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法能够准确评价在航天器表面材料或组件表面充电的情况下，空间激光对航天器表面材料或组件发生静电放电的放电阈值的影响，并且能够得出空间激光诱发静电放电的损伤机制，为后续研究提供理论基础。
上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开和保护的范畴。
Claims (13)
1.一种激光诱发航天器材料或组件放电的测试方法，其特征在于，其基于激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置，所述激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置包括：
位于真空腔外的激光光源、分光镜、能量分析器、真空系统和微电流计；
位于真空腔内的拍照系统、污染成分实时监测系统、污染监测装置、温控装置、航天器表面材料或组件的样品、样品台、物理量监测装置和样品表面电位监测装置；
位于真空腔上的玻璃窗口、低能带电粒子源和等离子体源；其中，
所述玻璃窗口能够使所述激光光源发射的激光入射到所述真空腔内并被所述航天器表面材料或组件的样品接收；所述低能带电粒子源和所述等离子体源位于所述玻璃窗口的两侧，所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收，所述等离子体源发射的等离子体能够被所述航天器表面材料或组件的样品和物理量监测装置接收；
所述分光镜位于所述激光光源与所述玻璃窗口的中心连接线上，所述分光镜能够使所述激光光源发射的激光按一定比例入射到所述能量分析器内；所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置位于所述温控装置上，所述温控装置位于所述样品台上，所述温控装置能够调节所述航天器表面材料或组件的样品和所述污染监测装置的温度；所述拍照系统能够记录所述激光光源发射的激光入射到所述航天器表面材料或组件的样品表面的溅射过程、拍摄所述航天器表面材料或组件的样品的形貌和拍摄航天器表面材料或组件的样品表面的放电过程；所述真空系统能够使所述真空腔内保持真空环境；所述微电流计能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的放电脉冲信号；所述物理量监测装置能够监测等离子体的密度或低能带电粒子的通量；所述样品表面电位监测装置能够监测所述航天器表面材料或组件的样品的表面电位；
所述测试方法包括：
分析航天器表面材料或组件在轨服役环境；
确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数；
确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值；
分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述分析航天器表面材料或组件在轨服役环境包括：根据航天器的轨道高度和航天器表面材料或组件分析航天器表面材料或组件面临的充电环境、温度和航天器表面材料或组件表面带电模拟参数。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，对低地球轨道，充电环境包括等离子体；
对中地球轨道和地球同步轨道，充电环境包括低能带电粒子。
4.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，所述确定航天器表面材料或组件表面带电模拟参数包括：确定低能带电粒子或等离子体和航天器表面材料或组件的样品的试验参数，其中，低能带电粒子的能量范围为0.1keV～30keV,通量为103～1010cm-2s-1；等离子体环境的温度小于5℃，等离子体密度为106～1012cm-3；航天器表面材料或组件的样品的温度范围为-60℃～+60℃。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述确定真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置保持航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，并配合使用物理量监测装置监测等离子体或者低能带电粒子的通量，以及使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，直到航天器表面材料或组件的样品发生静电放电，该放电电位即为真空环境下的静电放电阈值电位。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述确定真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值包括：
关闭真空腔，使用真空系统抽真空至0.1Pa以下，启动污染成分实时监测系统和污染沉积监测装置，使用温控装置控制航天器表面材料或组件的样品和污染沉积量监测装置的温度为设定温度；
对处于低地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启等离子体源；对处于中地球轨道和高地球轨道的航天器表面材料或组件的样品，开启低能带电粒子源；
使用样品表面电位监测装置监测航天器表面材料或组件的样品的充电电位，当所述充电电位达到时，使用激光光源发射激光，并通过分光镜镜分束，使用能量分析器对激光能量进行监测；
使用拍照系统记录激光损伤航天器表面材料或组件的样品的过程，通过调节激光光源发射的激光的能量或者连续激光的作用时间，并配合使用微电流计监测航天器表面材料或组件的样品的放电电路的脉冲信号，以及使用物理量监测装置监测等离子体的密度或者低能带电粒子的通量，得到航天器表面材料或组件的样品在激光作用下的放电电位和激光作用参数之间的关系。
7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述分析激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值变化机制包括：分析真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值和真空环境下激光辐照诱发航天器表面材料或组件表面静电放电阈值，得到空间激光对航天器表面材料或组件静电放电的阈值。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：将真空环境下的航天器表面材料或组件的样品和真空环境下具有激光辐照的航天器表面材料或组件的样品进行成分、形貌等进行微观分析和比对，得到空间激光影响航天器表面材料或组件诱发静电放电的微观机制。
9.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述充电电位小于真空环境下航天器表面材料或组件表面静电放电阈值。
10.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述激光诱发航天器材料或组件放电的试验装置还包括遮挡装置和测试与控制系统；
所述遮挡装置设置在所述真空腔内，位于所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置前方，防止所述低能带电粒子源和所述等离子体源分别发射的带电粒子和等离子体损伤所述拍照系统、所述污染成分实时监测系统、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置；
所述测试与控制系统用于控制所述激光光源、所述低能带电粒子源、所述等离子体源、所述能量分析器、真空系统、污染成分实时监测系统、拍照系统、温控装置、所述污染监测装置、所述样品表面电位监测装置和所述物理量监测装置的工作状态。
11.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述激光光源包括1064nm脉冲光源、532nm脉冲光源、355nm脉冲光源、1.0μm～1.1μm的连续光源中的一种；所述低能带电粒子源包括低能电子源或质子源；所述等离子体源包括微波等离子体源。
12.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述温控装置由高温控制部件和低温控制部件组成，其中高温控制部件使用电加热丝，低温控制部件使用液氮或浴油，温度范围为-80℃～+120℃。
13.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述物理量监测装置包括朗缪尔探针和法拉第杯；其中，所述朗缪尔探针用于监测所述等离子体源发射的等离子体的密度，所述法拉第杯用于监测所述低能带电粒子源发射的低能带电粒子的通量。
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