冬日里烦人的静电竟还是航天器的大敌

来源:科普中国发布时间:2020-01-16

据有关统计表明,在空间环境引起的航天器故障、异常中,静电放电引起的航天器故障、异常约占1/3。  

  北方的冬天天气干燥寒冷,小伙伴们经常会遭遇这样的尴尬吧,与身边的人不小心碰触或者触摸金属物体时,冷不防地会被电到。如果是在晚上关上灯的时候,还能听到噼啪的声响,看到蓝色的电光,让人不胜其烦。  

  生活中常见的静电放电现象

  导致这种情况发生的元凶就是静电。干燥寒冷的天气容易使人身体带上静电,当人接触零电位物体或与人体有电位差的物体时就会发生电荷转移,从而产生放电现象。与人体带电放电的原理类似,在轨飞行的航天器也会带电,当带电积累到一定程度时,就会产生静电放电现象,严重时就会引发航天器故障。

  1973年6月2号,在轨运行的美国国防卫星通信系统(DSCS-2)在经历了一系列电子设备异常后,卫星电源发生了中断现象,造成卫星失效。事后,经专家分析认为造成事故的原因正是航天器带电而引发的静电放电现象。据有关统计表明,在空间环境引起的航天器故障、异常中,静电放电引起的航天器故障、异常约占1/3。  

  DSCS卫星

  航天器带电的危害如此大,那么在轨飞行的航天器为什么会带电?有没有哪些有效的防护措施呢?

  众所周知,空间环境是十分复杂的。在轨飞行的航天器会遭遇空间等离子体环境和高能带电粒子辐射环境,这些环境中的带电粒子与航天器相互作用,会在航天器局部产生沉积电荷,电荷的积累就会使航天器带电。轻微的带电不一定会引发异常或故障,但当航天器带电积累到一定程度时,会引发静电放电。静电放电所形成的电磁脉冲,会对航天器内的电子系统造成干扰,从而引发仪器故障,严重时还会造成航天火灾等危险事故。  

  复杂的空间环境会影响航天器的安全运行

  常见的航天器带电类型有两种,即表面充电和深层充电。

  表面充电是指航天器表面的电荷积累现象。当一些带电粒子的能量较低时,这些带电粒子是不能穿透航天器表面材料的,其能量将全部被航天器表面的材料吸收。航天器的表面材料吸收能量后,会改变航天器材料的微观结构,从而使其性能发生变化,造成航天器表面材料加速退化。航天器表面的充电水平和性能改变的情况与空间等离子体环境、航天器的形状、结构、表面材料、光照条件以及空间电场和磁场等诸多因素都有关联。

  深层充电是指空间环境中那些具有足够能量的高能带电粒子可以穿过航天器表面,在航天器壳体材料的内部传输和沉积。能量不同的电子,沉积的深度也不同,最终会在材料内形成层间电荷结构,建立内部电场。航天器深层充电的水平取决于高能电子环境情况和航天器材料等因素。

  深层充电严重时,可能会导致航天器系统失去控制甚至瘫痪。1994年1月20日,耗资30亿美元的加拿大通信卫星阿尼克E1和阿尼克E2因深层充放电,导致动量轮控制系统出现问题而失去控制。故障导致全加拿大有线电视、电话、有线新闻、数据传输服务中断。据估计,当时造成的经济损失达30亿美元之多。

  

  阿尼克卫星

  生活中,我们会有很多防静电的小妙招,这些小妙招能够帮助我们避免静电带来的烦恼。那么,航天器又该如何避免由于带电造成的危害呢?

  就像人可以依据天气预报来安排出行一样,为确保航天器的安全运行,科研工作者们也要提前了解空间环境中有什么,可能会发生什么。这就需要科研工作者们加强对空间环境的监测与预报,然后在研究和分析的基础上,帮助航天器规避易造成航天器带电的空间天气环境。

  

  空间环境预报中心

  再者,俗话说得好,打铁还需自身硬,所以在航天器壳体材料上下的功夫也不能少。面对复杂的空间环境,需要科研工作者对航天器壳体进行防带电设计,从而帮助航天器阻挡或减少高能带电粒子辐射造成的损伤。此外,航天器内使用了大量体积小、功耗低、存储量大、运行速度快的电子器件。这些电子器件较易受到航天器静电放电损伤,因而科研工作们也会通过加固微电子器件的方法,提高电子器件的抗静电能力。

  针对航天器带电的问题,国际上早已开展相关的研究,比如,美国在1979年就曾发射斯卡塔(SCATHA)卫星,专门用于研究航天器带电的原因、特征,帮助科学家深入研究空间等离子体环境和航天器带电之间的关系。我国在1971年3月,发射了实践一号科学实验卫星,开始进行空间辐射环境研究。40多年来,我们先后发射了几十颗用于空间环境探测的专业卫星和搭载卫星,进行包括高能带电粒子、低能带电粒子、单粒子效应、卫星表面充电等相关问题的研究。

  

  实践一号科学实验卫星

  如今,空间环境科学研究早已成为航天安全保障的重要支持系统,与工程任务联系得越来越紧密。但宇宙空间浩瀚无垠,空间环境深不可测,我们还无法完全避免航天器带电造成的事故,更好、更有效的防护方法还等待着科研人员去探索和发现。

  参考文献/

  [1]顾逸东.探秘太空——浅析空间资源开发与利用[M].北京:中国宇航出版社,2011.

  [2]沈自才.空间辐射环境工程[M].北京:中国宇航出版社,2013.

  [3]冯伟泉,徐焱林. 归因于空间环境的航天器故障与异常[J].航天器环境工程,2011,04:375-388.

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