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冬日里煩人的靜電竟還是航天器的大敵

[ 來源:中國航天科普微信公眾號 | 作者:本站 | 發布時間:2020-01-13 | 瀏覽:424次 ]

北方的冬天天氣干燥寒冷,小伙伴們經常會遭遇這樣的尷尬吧,與身邊的人不小心碰觸或者觸摸金屬物體時,冷不防地會被電到。如果是在晚上關上燈的時候,還能聽到噼啪的聲響,看到藍色的電光,讓人不勝其煩。

生活中常見的靜電放電現象

導致這種情況發生的元兇就是靜電。干燥寒冷的天氣容易使人身體帶上靜電,當人接觸零電位物體或與人體有電位差的物體時就會發生電荷轉移,從而產生放電現象。與人體帶電放電的原理類似,在軌飛行的航天器也會帶電,當帶電積累到一定程度時,就會產生靜電放電現象,嚴重時就會引發航天器故障。

1973年6月2號,在軌運行的美國國防衛星通信系統(DSCS-2)在經歷了一系列電子設備異常后,衛星電源發生了中斷現象,造成衛星失效。事后,經專家分析認為造成事故的原因正是航天器帶電而引發的靜電放電現象。據有關統計表明,在空間環境引起的航天器故障、異常中,靜電放電引起的航天器故障、異常約占1/3。

DSCS衛星

航天器帶電的危害如此大,那么在軌飛行的航天器為什么會帶電?有沒有哪些有效的防護措施呢?

眾所周知,空間環境是十分復雜的。在軌飛行的航天器會遭遇空間等離子體環境和高能帶電粒子輻射環境,這些環境中的帶電粒子與航天器相互作用,會在航天器局部產生沉積電荷,電荷的積累就會使航天器帶電。輕微的帶電不一定會引發異?;蚬收?,但當航天器帶電積累到一定程度時,會引發靜電放電。靜電放電所形成的電磁脈沖,會對航天器內的電子系統造成干擾,從而引發儀器故障,嚴重時還會造成航天火災等危險事故。

復雜的空間環境會影響航天器的安全運行

常見的航天器帶電類型有兩種,即表面充電和深層充電。

表面充電是指航天器表面的電荷積累現象。當一些帶電粒子的能量較低時,這些帶電粒子是不能穿透航天器表面材料的,其能量將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,會改變航天器材料的微觀結構,從而使其性能發生變化,造成航天器表面材料加速退化。航天器表面的充電水平和性能改變的情況與空間等離子體環境、航天器的形狀、結構、表面材料、光照條件以及空間電場和磁場等諸多因素都有關聯。

深層充電是指空間環境中那些具有足夠能量的高能帶電粒子可以穿過航天器表面,在航天器殼體材料的內部傳輸和沉積。能量不同的電子,沉積的深度也不同,最終會在材料內形成層間電荷結構,建立內部電場。航天器深層充電的水平取決于高能電子環境情況和航天器材料等因素。

深層充電嚴重時,可能會導致航天器系統失去控制甚至癱瘓。1994年1月20日,耗資30億美元的加拿大通信衛星阿尼克E1和阿尼克E2因深層充放電,導致動量輪控制系統出現問題而失去控制。故障導致全加拿大有線電視、電話、有線新聞、數據傳輸服務中斷。據估計,當時造成的經濟損失達30億美元之多。

阿尼克衛星

生活中,我們會有很多防靜電的小妙招,這些小妙招能夠幫助我們避免靜電帶來的煩惱。那么,航天器又該如何避免由于帶電造成的危害呢?

就像人可以依據天氣預報來安排出行一樣,為確保航天器的安全運行,科研工作者們也要提前了解空間環境中有什么,可能會發生什么。這就需要科研工作者們加強對空間環境的監測與預報,然后在研究和分析的基礎上,幫助航天器規避易造成航天器帶電的空間天氣環境。

空間環境預報中心

再者,俗話說得好,打鐵還需自身硬,所以在航天器殼體材料上下的功夫也不能少。面對復雜的空間環境,需要科研工作者對航天器殼體進行防帶電設計,從而幫助航天器阻擋或減少高能帶電粒子輻射造成的損傷。此外,航天器內使用了大量體積小、功耗低、存儲量大、運行速度快的電子器件。這些電子器件較易受到航天器靜電放電損傷,因而科研工作們也會通過加固微電子器件的方法,提高電子器件的抗靜電能力。

針對航天器帶電的問題,國際上早已開展相關的研究,比如,美國在1979年就曾發射斯卡塔(SCATHA)衛星,專門用于研究航天器帶電的原因、特征,幫助科學家深入研究空間等離子體環境和航天器帶電之間的關系。我國在1971年3月,發射了實踐一號科學實驗衛星,開始進行空間輻射環境研究。40多年來,我們先后發射了幾十顆用于空間環境探測的專業衛星和搭載衛星,進行包括高能帶電粒子、低能帶電粒子、單粒子效應、衛星表面充電等相關問題的研究。

實踐一號科學實驗衛星

如今,空間環境科學研究早已成為航天安全保障的重要支持系統,與工程任務聯系得越來越緊密。但宇宙空間浩瀚無垠,空間環境深不可測,我們還無法完全避免航天器帶電造成的事故,更好、更有效的防護方法還等待著科研人員去探索和發現。

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