卫星多层隔热组件表面等电位控制工艺

左颖萍，周传君，朱兴鸿，范庆梅



卫星多层隔热组件表面等电位控制工艺

左颖萍，周传君，朱兴鸿，范庆梅

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

文章基于电磁监测卫星的空间等离子体表面带电环境和等电位要求，对卫星多层隔热组件表面等电位的控制方法进行分析和优化，给出多层隔热组件制作、安装、接地、检测和保护工艺方法，从而满足整星表面的电位差在±2V以内的控制要求。

电磁监测卫星；多层隔热组件；空间等离子体环境；表面带电；等电位控制；接地

0 引言

运行于低地球轨道的航天器与周围等离子体和太阳辐射等环境因素相互作用，其表面产生不等量带电。某电磁监测卫星轨道高度为500km，主要用于获取全球电磁场、等离子体和高能粒子的观测数据，来识别地震前相关的电磁、电离层和高能粒子异常信息。500km轨道高度的等离子体为冷稠等离子体，电子和离子的能量约0～1eV，根据电磁监测卫星的等离子体分析仪和相关载荷的探测需求，在通常等离子体条件下，需要将星体表面电位差控制在±2V之内。

该电磁监测卫星体外布有太阳电池阵，外表面主要覆有多层隔热组件和OSR片，其中多层隔热组件占据整星表面的50%以上。因多层表面电阻、光照条件、电搭接方式等不同，表面之间会产生电位差，对整星探测影响较大。因此，必须对多层隔热组件表面进行等电位控制。

本文主要分析计算该电磁监测卫星的电位情况，对卫星多层隔热组件表面等电位的控制方法进行设计和优化，以确保多层隔热组件表面等电位控制的有效性和可行性。

1 卫星电位控制

卫星绝对电位指卫星的结构“地”相对周围空间等离子体环境的电位。理想情况下，卫星的表面各部位导电性能良好时，其电位接近卫星结构地电位并处于一个较小的负值；但由于周围等离子体环境、光照条件、卫星表面材料、表面接地导体面积（导电层电阻）和接地点数量等多种因素决定卫星表面存在一定电位差。一般当卫星处于向阳面时，由于有光电效应，卫星一般带正电荷；而当卫星运行到背阳面时，卫星一般带负电荷，处于负电位[1-2]。

根据电磁监测卫星等电位控制要求，通常等离子体条件下，卫星表面各部分的电位差要在±2V以内。多层隔热组件占据整星表面绝大部分面积，故本文重点研究控制多层隔热组件表面相对空间等离子体的电位在要求范围内。

2 多层的星表接地设计

为了减小卫星表面静电积累，星表多层隔热组件一般通过表面导电处理并导电层接卫星“地”控制电位。多个单元的多层通过风琴叶片接地，将铝箔裁剪为宽20mm的长条状，折叠成风琴式，风琴层数与多层隔热组件单元层数一致，折成后的风琴片为边长20mm的正方形。将风琴片的每一层镶嵌在每层双面镀铝聚酯膜之间，用接地铆钉焊片与风琴片铆接成一体。根据热控需求，多层隔热组件的面膜主要为表面镀ITO膜和具有良好导电性的黑色渗碳膜，黑膜的实测方块电阻0在10～100kΩ。按照工艺要求，星表每隔500mm设置一个接地桩，星表多层均匀布置风琴叶片接地，参见图1。从图中可以看出，只要控制每个风琴叶片单元的面积，即可控制整个热控多层的接地特性。

图1 星表热控多层接地示意

假设风琴叶片接地孔的半径为0，相邻2个接地点的距离为，薄膜方块电阻为0，图2为单个风琴叶片接地示意图。

图2 单个风琴叶片接地示意

距离风琴叶片接地孔中心处的圆环到结构地的电阻为

接地电阻最大值按方块的外接圆来计算：

风琴叶片中间的铆接接地通孔半径为2mm，即0=0.002m。0=100kΩ，=0.5m，经计算max=82.4kΩ，即对于阻值为100kΩ的多层面膜，通过面积为0.25m2的接地单元接地的电阻应不大于82.4kΩ。

3 卫星电位控制计算

3.1 初步计算

等离子体在卫星周围产生的鞘层厚度一般为数个德拜半径[3-4]。在低地球轨道高度，德拜半径为数mm。因此，鞘层厚度远小于卫星的尺度，故采用无限大平板模型计算卫星对电子与离子电流的吸收。电子和离子密度分别为

式中：eo、io分别为电子和离子饱和电流，eo=1/4e·eo，io=1/4iio，e、i分别为电子和离子的平均热运动速度；eo、io分别为电子和离子密度；e、i分别为电子和离子温度。

根据电流平衡关系有：

式中：ir为离子撞击电流密度；n为接地单元的面积；n为单元表面电阻，V为卫星各单元表面相对等离子体的电位，0为卫星结构的绝对电位。在已经针对卫星表面进行了接地等多方面电位控制考虑的基础上，如果卫星处于强等离子体环境下，其各表面相对结构地的电位计算结果如表1所示。可以看出，计算结果无法完全满足相对结构地的电位在±2V以内的指标要求[5]，需要进一步优化卫星的表面接地。

表1 强等离子体环境中卫星表面电位计算结果

3.2 电位控制优化设计

分析表1数据发现，卫星部分表面电位过大的主要原因是多层接地电阻过大，阻碍等离子体撞击电流，从而影响其平衡电位。在进行多层表面优化时，首先考虑增加表面的接地点数量，其次考虑热控多层的面膜阻值的控制。

黑色渗碳膜的方块电阻指标为10～100kΩ，表1是按100kΩ进行计算的。为优化整星的导电性能，须减小方块电阻，故选择方块阻值10kΩ左右的黑膜，并将原来每0.25m2的面积内设一个接地点更改为每0.05m2的面积内设置一个接地点。优化设计后的计算结果见表2，卫星表面各部位相对结构地的电位满足要求。

表2 强等离子体环境中增加接地点数量后计算结果

4 热控多层的星表接地实施

4.1 控制要求

多层隔热组件的接地形式和接地数量对其整体电位控制有较大影响，所以需要对多层隔热组件进行必要的接地处理。根据卫星的表面电位差优于±2V的要求，计算出多层隔热组件面膜选择阻值小于10kΩ的带ITO镀膜（氧化铟锡透明导电膜）的单面镀铝黑色聚酰亚胺薄膜，每0.05m2的方块，即=0.22m的正方形多层方块内设置一个接地点，实测接地阻值不大于7kΩ。

4.2 黑膜的特性及工艺性

带ITO镀膜的单面镀铝黑色聚酰亚胺薄膜材料是在黑色聚酰亚胺渗碳膜为基膜的基础上，外表面以成熟工艺镀ITO层、内表面镀铝，在不影响基膜热光学性质的基础上，大大降低了材料表面任意两点之间的电阻。从其结构和性能可以看到，该材料满足基膜（黑色聚酰亚胺渗碳膜）导电的基本要求；表面ITO镀层具有抗原子氧的表面特性；同时还具有比原选材料更低的接地电阻。

从其制备工艺可行性上看：1）基膜为目录内材料，已经通过热循环（热冲击）、空间辐照（质子和电子）、紫外辐照等各项环境适应性试验验证，并在轨应用多年；2）外表面镀ITO层为成熟工艺，利用该工艺已生产制备的目录内材料（导电型F46镀银二次表面镜和ITO型单面镀铝聚酰亚胺膜等）广泛应用于各个型号；3）内表面镀铝也是成熟工艺，已经广泛应用于生产ITO型单面镀铝聚酰亚胺膜。

综上，带ITO镀膜的单面镀铝黑色聚酰亚胺薄膜满足电磁监测卫星电位控制和温度控制需求，并具有防原子氧、电性能优异、电导率高等特点，其成型工艺良好，工程可实现。

4.3 制作与接地安装

多层隔热组件的每一层反射屏与多层面膜需铆接成一体并与星体接地桩连接，接地桩布置方格尺寸为不大于220mm×220mm，方块面积为0.05m2，即边缘每隔约220mm设置一个接地点。

1）将铝箔裁剪为宽20mm的长条状，折叠成风琴式，风琴层数与多层隔热组件单元层数一致，折成后的风琴片为边长20mm的正方形。

2）将接地处的每层间的涤纶网剪除，将风琴片的每一层镶嵌在每层双面镀铝聚酯膜之间。

3）用4mm的开孔器在风琴片上打孔，贯穿风琴片的每一层，多层隔热组件用4mm接地铆钉将接地导线的双向焊片与风琴片铆接成一体。

4）多层接地桩的连接方式采用双向焊片、且并串联后连接至整星接地点，如图3所示。

图3 多层接地桩连接方式

4.4 控制与检测措施

多层隔热组件制作完成后，对其进行阻值检验，主要流程和要求包括：

1）检测中使用的与多层接触的探头使用直径为1cm的圆盘形，并在检测中采用面接触的方式进行测试，将万用表量程调至kΩ档；

2）制作多层前测量面膜表面电阻率，实测值应小于10kΩ/□；

3）多层接地制作完成后，使用万用表在面膜表面纵、横2个方向上按照=0.22m的步长进行电阻测量，如图4所示，风琴叶片接地点到结构参考点的连接阻值不大于100mΩ，测试点到结构接地点的连接阻值不大于7kΩ。

图4 热控多层隔热组件表面接地电阻测试点

电磁监测卫星经过热控星和正样星热试验前后的多次验证，选取方块阻值小于10kΩ的黑色渗碳膜，测试点到结构接地点的连接阻值均小于7kΩ。

4.5 多层隔热组件的保护

1）对多层隔热组件进行真空除污染。将多层隔热组件放置在真空容器内，抽真空至容器内真空度优于1.0×10-3Pa，多层摆放不折叠并进行烘烤，烘烤温度60℃，且在此温度下保持24h。

2）由于制作多层的黑膜较软，而膜表面的ITO镀层质地较硬，因此在卫星表面铺设多层隔热组件时，严禁对膜进行折叠和按压，以防ITO层断裂而影响表面导电特性。

3）将经过除气处理的多层隔热组件放在有干燥剂、防氧化剂的密封塑料袋内，在塑料袋表面标识出多层隔热组件的名称、代号、数量，并将包装袋放入专用包装箱。

4）在对星表铺设多层隔热组件时，如果遇到不规则的、不易处理的区域，不允许对多层隔热组件进行随意的弯折，要求在尽可能保持多层平整的前提下，使用导电的铜基胶带进行剩余区域的处理。

5 结束语

本文基于低轨空间等离子体环境对电磁监测卫星的影响分析，对卫星多层隔热组件表面等电位的控制方法进行设计，优化卫星多层隔热组件材料的选择、制作、接地处理、保护存储等工艺，将整星表面电位差控制在±2 V以内，从而有效减少卫星在轨运行时对周围等离子体中低能粒子的干扰，满足了电磁监测卫星科学探测任务的需求。

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（编辑：冯露漪、闫德葵）

Process for surface equipotential control of satellite multilayer insulation

ZUO Yingping, ZHOU Chuanjun, ZHU Xinghong, FAN Qingmei

(DFH Satellite Co., Ltd, Beijing 100094, China)

This paper analyzes and optimizes the method of equipotential control on the surface of the multilayer heat insulation of an electromagnetic monitoring satellite in the space plasma charging environment of the satellite and with consideration of its surface equipotential requirements. The desirable working processes for the multilayer components are proposed, including the fabrication, the installation, the grounding, the detection, and the protection, to meet the requirement of controlling the surface potential difference of the whole satellite within ±2V.

electro-magnetic monitoring satellite;multilayer insulation; space plasma environment; surface charging; equipotential control; grounding

V444.3

B

1673-1379(2018)02-0195-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.016

左颖萍（1985—），女，硕士学位，从事小卫星总装工艺技术研究。E-mail: psyche0220@163.com。

2017-09-13；

2018-04-20