空间站快速充电机理研究

The Rapid Charging Event (RCE) is a new category of spacecraft charging effect, which was first observed on the International Space Station (ISS) in 2006. It's driven by high voltage solar arrays in LEO plasma environment, and displays as a rapid pulse of floating potential lasting for tens of seconds. The mechanism of RCE hasn't been clearly understood till present. This project aims to investigate the detailed process of RCE in the frame of the existing charging theory. We expect to construct a reazonable circuit model for RCE process considering its characteristics of occuring at exit from eclipse, LEO plasma environment and driven by high voltage solar arrays etc. Based on the circuit model, a physical model quantitively discribs the floating potential evolvement can be developed. The model will be compared with the typical observation data from ISS to verify its reasonability. This work helps to clarify the Rapid Charging Events, which has kept a puzzle till now, and eventually deepen and widen our understandings to the interaction of spacecrafts with space environment. Therefore it will lay theoretical foundation to space station charging prevent design, and make important contribution to chinese future space station design against charging effects.

"快速充电事件"是国际空间站（ISS）2006年以来新近发现的一种由高压太阳电池阵驱动的LEO航天器充电效应，表现为结构体悬浮电位在航天器出地影瞬间呈现一个快速充电脉冲，通常都显著超过了空间站结构体电位的安全阈值（-40V），目前对其机理的认识尚不清楚。 本项目在现有充电理论的基础上，拟针对快速充电事件的时间特征（出地影瞬间）、环境特征（LEO等离子体）、结构特征（高压太阳电池阵）等研究充电发生的细致过程，建立空间站快速充电的物理模型，从而初步揭示快速充电效应的发生条件、过程和机理；并将模型计算结果与国际空间站典型观测数据进行比较，检验模型的合理性。 本项目旨在解决航天器充放电领域的未解问题，深化和拓展对空间环境及效应机理的认识和应用，对我国未来空间站的带电防护设计更具有现实的指导意义。

快速充电是国际空间站（ISS）近年来发现的一种新的充电现象，是由高压太阳电池阵（空间站太阳阵母线电压160V）与空间等离子体相互作用引起的，表现为空间站出地影时结构体悬浮电位（结构体相对空间等离子体环境的电位）在几秒钟内突然升高到负几十伏（严重时可到-70V），随后在十几秒到几十秒的时间内回落到正常水平。快速充电产生的电位经常超出空间站的安全设计水平（-60V），对航天员安全构成严重威胁，可引起表面阳极化铝击穿放电，对星内电子学系统形成电磁干扰。因此，快速充电一经发现便引起国际航天界高度重视。.本项目针对快速充电时间的时间行为、环境特征等研究充电发生的细致过程，建立空间站快速充电的物理模型，从而初步揭示快速充电效应的发生条件、过程和机理，并将模型计算结果与国际空间站典型观测数据进行比较，检验模型的合理性。本项目旨在解决航天器充放电领域的未解问题，深化和拓展对空间环境及效应机理的认识和应用，对我国空间站的带电防护设计和在轨运行安全保障提供指导意义。.通过项目研究，构建了高压太阳电池阵驱动下航天器与空间等离子体环境的相互作用等效电路模型，进而建立了定量反应快速充电物理过程和充电行为的物理模型，基于模型的计算结果全面揭示了快速充电的发生条件、电位脉冲特征、各种物理机制在充电过程中发挥的作用、快速充电随空间环境的演化趋势等等，全面认识了充电规律和特征全貌，主要计算结果与国际空间站观测结果也高度吻合，反应了物理模型的合理性。.本项目的意义不仅在于研究和揭示新的充电现象和规律，更在于为我国自己的空间站以及未来采用高压太阳电池阵的空间系统的空间安全防护设计提供理论指导和技术支撑，对于保障未来更多的航天任务运行安全具有重要意义。