宇航電絕緣材料深空環境適應性研究

王志浩 劉業楠 于瀾濤 王思展 崔乃元

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

現代空間探測器本質上是一臺擁有復雜功能的電子學裝備，電絕緣材料決定了電信號傳遞和作用的界限，對于在整個壽命周期內維持空間探測器的性能至關重要。目前空間探測器主要采用真空絕緣和固體絕緣兩種形式，其中真空絕緣主要應用于探測器表面及低電壓應用，固體絕緣則應用于探測器內部及較高電壓應用。所使用的電絕緣材料種類較多，包括涂覆類材料、灌封類材料、印刷電路板材料、絕緣隔離材料等，其中涂覆類材料多采用聚對二甲苯［1-2］，灌封類材料包括環氧樹脂、有機硅橡膠和聚氨酯［3］；印刷電路板材料主要是環氧玻璃纖維板（FR-4）；絕緣隔離材料包括常用的聚酰亞胺、交聯及非交聯的聚四氟乙烯類材料等。

以上材料在近地軌道探測器上已經進行了較為充分的應用，表明其具備近地空間環境適應性，但一方面受限于深空探測成本很高且探測數據有限，對深空環境的認知既不充分也不全面，雖然國外機構針對熱門探測區域建立了若干環境模型，與真實環境相比尚存在較大的不確定性；另一方面深空探測器對質量和功耗異常敏感，如何以較小的質量和能耗代價保證足夠的絕緣效果，以及如何適應極端的深空環境，都是探測器研制過程需要面對的問題。

根據公開的故障統計，在1980年～2005年間，國外研究機構對于129 個航天器上出現的156 個在軌故障進行了總結，將故障類型分為電子電路類、機械類、軟件類和不確定4 種，其中電子電路類故障占比高達45%［4］，由空間環境誘發的電絕緣問題是導致電子類故障的主要原因。對于復雜多變的深空環境，研究和分析探測器在深空環境下的適應性，確保采用的材料、設計及工藝能夠滿足深空探測的需要，對保證探測器正常運行具有重要意義。

近年來我國在深空探測方面取得了舉世矚目的成就，“嫦娥五號”成功采樣返回，“祝融號”成功落火，鼓舞著中國航天向深空不斷邁進，對材料環境適應性及熱點探測區域環境效應的研究也隨之開展。北京衛星環境工程研究所開展了航天器材料空間環境適應性評價與認定準則研究［5］，提出了航天材料工程學的概念，對航天材料工程的各個組成部分的關聯性進行了分析［6］，試驗研究了電子輻照對絕緣材料力學性能及介電性能的影響［7-8］；北京空間飛行器總體設計部針對木星探測需求，分析了木星環繞探測任務中的內帶電效應［9］，木星探測任務中的總劑量效應及其不確定性［10］，并針對總劑量效應討論了木星系探測器屏蔽材料的選擇和屏蔽結構的設計［11］；南京航空航天大學等單位也開展了深空條件下航天器內輻射環境及表面高水平充電效應的研究［12-13］；國外方面針對木星輻射帶環境提出了Divine-Garrett模型、GIRE模型，為量化分析木星輻射環境提供了依據［14］；深空環境導致的故障方面，伽利略號由于輻射劑量超標導致的故障，多個探測裝置性能都實測到漂移和精度下降的現象［15］。從公開發表的文獻來看，研究人員較為關注深空環境效應問題，但受限于各種因素較少關注電絕緣材料深空環境下的適應性問題。本文以宇航電絕緣材料為研究對象，從關聯環境因素分析入手，針對典型材料的輻射環境及效應、熱環境及效應、大氣環境及效應以及顆粒物環境及效應等方面開展分析，總結分析流程及試驗評估方法，擬為研究和分析電絕緣材料的環境適應性提供借鑒。

1 關聯環境及效應分析

1.1 關聯環境因素

電絕緣材料服務于探測器電系統，使系統內導體內的電流、電荷或電信號在規定的工作∕環境條件下都不外泄，從而實現預定的電系統功能［16］。隨時空動態變化的空間環境是電絕緣材料選用時的重要考慮因素，不同空間環境因素，對絕緣材料及類型的影響程度存在差別，如表1所示［17］。

表1中的真空絕緣多用于探測器表面，優點是不占用額外的質量且無光學遮擋，但卻與空間環境因素強相關，極端條件下的放電閾值極低，例如在低氣壓等離子體環境下可能僅有24 V［18］。而固體絕緣雖然對多數空間環境影響不敏感，但卻需要占用額外的質量。在分析空間環境因素對電絕緣材料的影響時，對單一環境因素的靜態分析可能是不足的，主要原因是宇航電絕緣材料一般都會降額使用［19］，大多數材料對輻射劑量及放電的耐受能力也遠超電子器件［16］。即便如此，多環境因素綜合作用下仍可能出現十分嚴重的絕緣問題。在軌的絕緣問題實際上是環境、設計及工藝等因素復雜作用的結果，例如日本先進地球觀測衛星（ADEOS-Ⅱ）在運行中發生失效，后證實熱設計存在缺陷，衛星外部的功率電纜工作溫度超過實際耐受能力，導致電纜絕緣材料開裂，固體絕緣退化為真空絕緣；另外工藝上也存在問題，星表熱控多層未接地處理；失效發生時，空間環境導致了多層充電并發生靜電放電，放電產生的等離子體使電纜短路并燒毀，該探測器隨后失去能源供給并最終失效［20］。

表1 空間電絕緣關聯環境因素分析Tab.1 Analysis of electrical insulation related space environmental factors

1.2 輻射環境及效應

大體上，深空輻射環境可分為行星際空間輻射環境、地外天體軌道輻射帶環境及地外天體表面輻射環境。行星際輻射環境主要由極低通量的宇宙射線以及偶發的太陽高能粒子事件組成；地外天體輻射帶環境是由地外天體的磁場俘獲帶電粒子形成的，太陽系內木星、土星、天王星、海王星都有較強的磁場，在輻射帶內運行的探測器會經受較為嚴酷的輻射環境，水星也有小的磁層，可能引發暫態的輻射帶，但其他天體一般認為沒有顯著的捕獲輻射。木星探測數據顯示輻射帶內高能質子通量較高［21］，其他擁有強磁場的行星輻射帶內也存在類似的情況。地外天體表面輻射環境是天體表面吸收一次輻射之后發生的二次輻射，對于沒有顯著磁場的行星而言，其軌道環境與行星際環境類似，區別是行星的立體角會提供一些屏蔽，特別是對低軌。此外還有普遍存在的太陽風等離子及太陽電磁輻射背景。

深空輻射環境下，電絕緣材料會發生總劑量效應、表面充電效應、內帶電效應及太陽電磁輻射效應。

1.2.1 總劑量效應

空間帶電粒子入射進入電絕緣材料后，會產生電離作用，其能量被材料中的原子電離吸收，從而造成總劑量損傷，表現絕緣材料強度降低、開裂，絕緣性下降等。對于深空輻射環境而言，輻射帶電子和質子由于能量適中且作用時間較長，對總劑量貢獻最大。多數宇航電絕緣材料都擁有較強的總劑量耐受能力，如表2所示。

表2 典型電絕緣材料耐受總劑量輻射量級［16］Tab.2 Radiation levels of total dose tolerance of typical electrical insulating materials

表2列出材料的抗總劑量輻射能力普遍較強，即便是其中最差的聚四氟乙烯也能達到100 krad 的水平，與宇航級電子器件的抗總劑量能力持平。因此對于深空探測器而言，總劑量防護的短板是電子器件，無需考慮艙內電絕緣材料的總劑量效應。但仍需要指出，對于艙外的電絕緣材料，需要單獨分析電絕緣材料總劑量耐受能力是否與輻射環境相匹配。

1.2.2 充放電效應

與近地軌道環境類似，深空環境中的低能電子沉積在探測器表面的電絕緣材料表面，會發生表面充放電效應，除了電子溫度（Te）和離子溫度（Ti）之外，光電流密度（Jp0）也對充電電位有較大影響。與地球同步軌道類似，行星磁尾也存在較為“嚴酷”低能電子環境，利用北京衛星環境工程研究所編寫的數值程序計算了聚酰亞胺材料處于地球同步軌道、月球軌道、木星軌道及土星軌道在光照條件下及陰影條件下的表面充電電壓，計算中考慮了電子電流、離子電流、光電流、由電子及離子引起的二次電流，所選用等離子體參數及充電結果如表3所示［21-22］。

表3 典型空間環境下聚酰亞胺材料表面充電電位值Tab.3 Surface charge potential of polyimide in typical space environment

在近地及月球軌道，光照條件下光電流占主導作用，平衡電壓分別為5.47 V（地球同步軌道）及6.92 V（月球軌道），陰影條件下由于地球同步軌道占據主導作用的是電子電流，充電電位約為-15.5 kV，月球軌道的太陽風電子能量較低，充電電位約為-26.8 V；對于木星軌道由于光電子電流大幅度降低，即便在光照條件下，充電電位仍為負值（約-412 V），陰影條件下則達到了約-8.4 kV；對于土星軌道，光電子電流進一步減小，因此聚酰亞胺材料在光照條件及陰影下充電電位分別為-11.5和-16.0 kV。

在所計算的典型充電環境下，聚酰亞胺表面雖然充電至較高電位，但其相對探測器結構的相對電位一般不會達到這么高的量級。另外，由于光電子的影響會隨著距離太陽變遠而顯著降低，因此從光照-非光照電壓梯度的角度出發，地內行星軌道要比地外行星軌道更為嚴酷。

即便有靜電放電發生，其放電能量也非常有限（按照放電防護的要求，需按照一定的距離要求對電絕緣材料做接地處理［23］），如果不考慮靜電放電誘發的二次放電問題，探測器表面的靜電放電主要以電干擾的形式影響探測器電信號，很難造成電絕緣材料本身絕緣性能的顯著退化。深空環境中較高能量的電子會穿透探測器艙板并沉積在艙內電絕緣材料內部，引起內帶電效應，當電絕緣材料內部的電子累積到一定程度，也會發生靜電放電，與表面靜電放電問題類似，靜電放電會對電子電路形成干擾或者損傷，但除非引發二次放電，很難對電絕緣材料本身造成顯著損傷。

1.2.3 太陽電磁輻射效應

暴露于深空環境下的探測器表面的電絕緣材料，還會受到太陽電磁輻射的影響，材料損傷主要來源于太陽紫外輻射，雖然太陽紫外輻射通量較低，但電絕緣材料中常見的C—C、C—N 及C—O 鍵的鍵能3.17～9.24 eV 不等［24］，對應光子波長為130～390 nm，而紫外光波長為10～400 nm，可以離解化學鍵使物質性能發生變化，長期作用會導致電絕緣材料變脆、變硬甚至開裂，導致絕緣性能退化甚至失效。因此電絕緣材料需通過全壽命周期紫外輻照試驗，以驗證絕緣性能滿足設計要求。

1.3 熱環境及效應

熱環境是宇航電絕緣材料退化的重要因素，宇航電絕緣材料的熱環境是空間熱環境與探測器熱控系統相互作用誘發的二次環境，主要影響因素包括太陽輻射熱流，材料熱輻射熱流及熱傳導熱流。其中太陽輻射熱流與太陽距離呈指數衰減規律［24］，材料熱輻射熱流是材料溫度的函數，熱傳導熱流取決于材料自身的性質及幾何參數。北京衛星環境工程研究所利用所建立的簡化數值模型，計算了太陽系內主要天體軌道環境且無主動熱控條件下，聚酰亞胺材料光照面及非光照面的平衡溫度，如圖1所示。

圖1 聚酰亞胺材料溫度及太陽熱輻射隨距離變化規律Fig.1 Variation of temperature and solar radiation of polyimide with distance to the sun

圖1中，Th和Tl分別為同一塊聚酰亞胺材料，在光照區域和陰影區域的平衡溫度，兩者之間的溫差隨太陽距離增加而減少，這種溫差在水星軌道高達約300 ℃。所形成的熱循環對電絕緣材料有顯著影響，主要作用機制是不同材料熱物理性能存在差別，熱循環過程中的熱錯配應力累積，可能導致電絕緣材料裂紋或者剝離［25］。相對于低溫環境，高溫環境對電絕緣材料的影響更大，北京衛星環境工程研究所測試了FR-4材料體電導率隨溫度的變化規律，發現當超過某個閾值時，電絕緣材料由剛性的“玻璃態”轉變為“橡膠態”，電導率急劇上升［26］，性能退化非常顯著。

對于采用主動熱控的艙內電絕緣材料而言，環境溫度一般會維持在-15～50℃［24］，此時無需考慮電絕緣材料的熱效應。但對于地外行星探測任務而言，太陽電池的光電轉化效率大幅降低，即便配備了核電源，能夠用于主動熱控的功率有限，需要針對具體任務計算和分析艙外和艙內的電絕緣材料的溫度包絡。

1.4 氣體環境及效應

深空探測過程中探測器還可能深入行星大氣，不同天體大氣環境差異較大，如表4所示。

表4 行星大氣成分［21］Tab.4 Compositions of planetary atmosphere

不考慮特殊的腐蝕環境（例如金星的酸性環境），氣體環境會對真空絕緣帶來顯著影響，根據帕邢定律，電極放電電壓可以表述為氣體壓力和距離乘積的函數［28］：

式中，Vs為起火電壓，P是氣體壓力，d為電極間距離，A是電子平均自由程與壓力乘積的倒數，B是參數A與氣體電離電位的乘積，γ為湯生第三電離系數。

不同的氣體成分帕邢曲線存在較大差異，氦氣條件下最低放電閾值略大于100 V，因此對于低氣壓環境而言，并不存在一個絕對安全的距離，能夠保證不會發生放電，這也是要求高壓電子產品（峰值電壓＞100 V）采用固體絕緣的重要原因。對于確定的氣體成分及溫度條件，式（1）中的A、B和γ均為常數，那么存在一個Pd值對應最小的放電閾值電壓。北京衛星環境工程研究所測試了不同P、d值組合條件下，不同電極組合對應的最小放電閾值，如圖2所示。

圖2 低氣壓條件下典型電極放電閾值Fig.2 Discharge threshold of typical electrode at low pressure

在圖2中，無論是針板電極，還是板板電極，實測的最小放電閾值約為350 V，對應的壓力距離乘積均為0.5 Pa·m。因此對于典型的絕緣距離（假設這個距離為1 mm），則危險氣體壓力約為500 Pa，與火星表面的氣體壓力大致相當。因此對于火星探測任務，首先應根據電壓等級利用電絕緣材料涂敷或灌封電子產品，為了保證產品在火星表面低氣壓環境下的適應性，還應當在模擬火星低氣壓環境下檢驗電絕緣材料的絕緣效果。

1.5 顆粒物環境及效應

在深空探測器的飛行過程中，可能會穿越小行星帶，宇宙塵埃和微流星體可能會撞擊在探測器表面，對探測器表面材料造成損傷，碰撞產生的等離子體也可能誘發太陽電池的靜電放電［29］，然而致命性（大顆粒）的碰撞概率極低，因此深空探測器一般不進行碎片防護。

天體表面的顆粒物環境是在空間風化的作用下逐漸形成的，其主要形成機制是隕石和微流星體的撞擊、宇宙輻射和太陽風持續轟擊、晝夜溫度交變導致巖石熱脹冷縮破碎共同作用形成的。月球及火星表面都存在顆粒物質分布，主要化學成分按質量數倒序如表5所示［30-31］。

表5 月壤及火星土壤主要化學成分Tab.5 Main chemical composition of Lunar soil and Martian soil

由表5 可知，無論是月壤還是火星土壤，均以硅酸鹽成分為主，這些顆粒物質本身雖然不導電，但在光照及空間等離子體環境的作用下會發生荷電效應，并隨著人為活動或自然作用發生激揚［32］，激揚而起的顆粒物質會沉積并粘附在電絕緣材料上。當探測器上的運動部件執行展開、旋轉等操作時，粘附的顆粒物質會對電絕緣材料造成摩擦磨損。北京衛星環境工程研究所試驗研究了載塵（模擬月塵）條件下典型絕緣材料（聚四氟乙烯）與鋁合金材料的摩擦因數變化規律，如圖3所示。由圖3 可知相對于無塵大氣條件，載塵真空條件下的摩擦因數有非常明顯的提升。地外天體表面的顆粒物質會加劇對電絕緣材料的磨損，真空環境會進一步強化這種趨勢，因此應評估臨近運動部件的電絕緣材料在顆粒物環境下的適應性，保證電絕緣材料在顆粒物環境下不被磨損。另外，顆粒物質本身也會拉低真空絕緣的擊穿電壓，被顆粒污染的電極的擊穿電壓比未污染狀態要低，根據污染程度不同，擊穿電壓可能會相差一個數量級［33］。因此，在顆粒物環境下不推薦采用真空絕緣形式。

圖3 不同環境下的摩擦曲線對比Fig.3 Comparison of friction curves in different environments

2 適應性評估方法

大多數在用的宇航電絕緣材料，已經具備近地軌道環境適應性的要求，但仍需針對深空特殊環境，分析其相對于近地軌道環境的“惡劣”或“緩和”程度，如果深空探測環境相對“緩和”，可認為所評估的材料具有所針對深空環境的適應性；如果深空探測環境相對“嚴苛”，則需要量化分析環境及效應，采用試驗驗證的方式加以驗證，分析流程如圖4所示。如果分析結果認為存在多種環境因素同時作用于電絕緣材料，則推薦采用多環境因素疊加的方式實施驗證試驗。

圖4中的電絕緣試驗針對部組件，主要原因是材料級測試較為規范［34-38］，且不涉及空間環境因素，為了貼近工程實際，需要基于電絕緣材料并結合設計和工藝綜合驗證其絕緣效果。表6 所列出的電絕緣試驗項目參考國外規范［28］并結合了國內工程應用內容。

圖4 電絕緣材料深空環境適應性評估流程Fig.4 Assessment process of deep space environmental adaptability of electrical insulating materials

如表6所示，可將電絕緣試驗按目的分為3 類：（1）工藝檢查試驗，主要對電絕緣材料的處理工藝進行檢查確認；（2）環境適應性試驗，主要對真空環境、低壓力環境、等離子體環境等與電子產品作用導致的放電進行模擬和驗證；（3）可靠性試驗，主要針對固體絕緣的壽命及極端工況進行驗證和評估［42］。

表6 電絕緣試驗項目及用途Tab.6 Items and applications of electrical insulation tests

對于深空探測器，高電壓組件的電絕緣問題無疑是最關鍵的，理論上所采用的固體絕緣隔離了大部分深空環境因素的影響，但不能簡單地認為只要采用固體絕緣就不存在環境適應性問題，為了驗證電絕緣材料深空環境下的極端退化狀態，可先實施可靠性試驗再進行環境適應性試驗。

在電絕緣試驗中，按照加載電壓的大小可將試驗分為L1 和L2 級，其中L1 級測試用于檢驗產品是否滿足要求，屬驗收性質；L2 級則用來確定設計余量。在設計試驗時，先實施L1 級試驗，之后再進行L2 級試驗，試驗加載電壓的值可參考：L1 級試驗試驗加載電壓Utest與最大工作電壓Umax一致；L2 級試驗Utest可根據實際情況調整為1.5Umax～2Umax。推薦采用交流信號，周期性信號檢測效果更好，也有利于捕捉放電信號和保護試驗樣品［43］。

利用空間環境模擬試驗系統實施電絕緣試驗，增加相應的測試手段，實現較為復雜的環境模擬、工藝檢查及可靠性驗證的需求。較為完備的電絕緣試驗系統包括真空容器系統、空間環境模擬源裝置、外接的補償電路、放電特性測量系統、溫度調節系統，如圖5所示。

圖5 電絕緣試驗系統組成圖Fig.5 Composition diagram of electrical insulation test system

其中真空容器系統包括真空容器、真空獲取及真空度測量裝置，空間環境模擬源包括電子槍、等離子體源、紫外源等，補償電路主要通過外接器件調節試驗對象的放電特性，放電特性測量系統包括瞬態放電脈沖測量裝置（電壓∕電流探頭及示波器）、局部放電測試儀、光譜儀、圖像采集裝置等，溫度調節系統包括必要的液氮管路（圖中未標出）、溫度測量裝置、電加熱系統等，再通過控制計算機對模擬源、測量裝置及控制系統進行統一控制。

3 總結及建議

為了保證深空探測器的可靠運行，應開展材料電絕緣性能關聯環境因素的分析，總結輻射、熱、氣體及顆粒物環境對材料性能的影響如下：

（1）輻射環境會引起總劑量、表面充放電及內帶電效應，對于艙內應用的電絕緣材料，一般條件下可忽略總劑量效應的影響；特定區域表面充電電壓較高，需考慮靜電放電對艙外電絕緣材料影響；艙內電絕緣材料還需要考慮內帶電對臨近的電子電路的干擾；

（2）熱環境是電絕緣材料需要重點關注的深空環境因素，在深空探測器飛行過程中可能經歷巨大的溫差變化，這種熱循環過程中累積的熱錯配應力，會導致電絕緣材料裂紋或者剝離，逐漸從固體絕緣退化為真空絕緣，嚴重時可能產生二次放電；

（3）對于氣體環境，應盡可能避免采用真空絕緣形式，采用固體絕緣的產品需要確保絕緣材料及工藝可靠有效；

（4）顆粒物環境主要對運動部件產生影響，導致臨近的電絕緣材料產生磨損，應針對具體的設計就可能磨損問題進行分析和評估，規避電絕緣材料可能出現的絕緣退化甚至失效。

針對電絕緣材料深空環境效應，應開展風險分析與評估工作，通過電絕緣試驗的方式對材料、工藝及防護效果進行檢驗和驗證：

（1）選取關鍵性的環境因素進行模擬和試驗，如果有多種環境因素都可能拉低放電閾值，推薦同時施加多種環境因素以驗證電絕緣的有效性；

（2）建議針對電絕緣組件開展試驗，綜合驗證材料、設計及工藝的綜合絕緣效果。

電絕緣材料是深空探測器工作的基礎性保障，在深空環境的影響下，材料的電絕緣性能可能發生退化甚至失效，這種過程一般不可逆轉，一旦出現會對探測器造成巨大的影響，因此必須重視宇航電絕緣材料環境保證工作，針對性地進行分析和驗證工作，確保電絕緣材料深空環境下的適應性。