随着人类空间活动的日益频繁，人造空间垃圾快速增加，自然空间环境也在逐步恶化，航天器的在轨空间环境显著恶化[1-3]。恶劣的空间环境将对太阳同步轨道(SSO)、极地轨道(PO)和地球同步轨道(GEO)的航天器造成极大威胁。如果空间碎片与航天器撞击，在撞击的过程中，航天器的舱壁内会产生强冲击波，冲击波压缩材料导致材料内能增加，使空间碎片与航天器的舱壁材料部分电离并形成等离子体。若超高速撞击具有梯度电势的航天器，其表面产生的等离子体进入航天器的内部，会对航天器内部的集成电路产生干扰甚至毁伤，进而引发故障[4]。由于空间环境中99%以上的物质都是以等离子体形式存在[5]，这种空间环境会诱发航天器带电，使电荷在航天器表面以及内部产生累积效应[6-10]，进入航天器材料中不同深度处的电荷所形成的电子和离子层可在航天器内保留数周甚至数月[11-12]。空间碎片碰撞航天器所产生的穿孔会在航天器材料内部产生电离路径，当等离子体侵入航天器材料内部时，会沿着电离路径诱发航天器内部集成电路的状态发生改变，对航天器构成严重威胁，甚至导致航天器失踪[13-14]。20世纪末英国研究人员在研究可能会触发放电的空间环境因素中，利用等离子体加速器对碎片碰撞过程进行了碰撞诱发放电的初步尝试并证实了该机制的存在。中国某GEO轨道卫星的计算机由于表面放电引起了多次复位，分析表明即使按照最恶劣的空间等离子体环境考虑也只能产生几百伏的电位差，本身不足以引起放电，但是撞击产生的等离子体诱发的高电压会达到数千伏，可能是导致航天器出现表面放电的重要诱因，该机制诱发的放电对在轨航天器的威胁巨大。为了增加在轨航天器的可靠性，正确理解空间碎片撞击梯度电势航天器产生的等离子体及其诱发放电的放电特性，进行高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电特性研究更显重要。Fukushige等在日本九州工业大学航天器程实验中心开展了LY11铝弹丸超高速撞击太阳能电池阵产生静电放电的实验研究[16-19]。实验中，模拟航天器的在轨工作条件，进行了超高速撞击产生等离子体的特征参量诊断和静电放电的实验测量，证实了超高速撞击太阳能电池阵产生等离子体放电现象的可探测性，并获取了初步实验数据。在静电放电测试系统研究中，Toyoda等[19]通过长期的艰难探索，认为选择电源的关键是固有电容和响应时间。Akahoshi等[17]进行了LY11铝弹丸超高速撞击太阳能电池阵产生放电的实验室实验，得出弹丸在穿透太阳能电池阵衬板的过程中产生的离子流电荷量与弹丸撞击速度的平方成正比；并通过大量的实验，给出了产生持续静电放电的条件，即太阳能电池阵的输入功率高于110 W。笔者[20-22]开展了超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体诱发的放电效应研究，得到了放电特性与碰撞参数的关系。高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电会对航天器构成更严重的威胁，但对此研究仍然较少，主要原因在于甄别撞击诱发故障和地面模拟撞击诱发放电的实验难度极大。目前国内外鲜有关于高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发放电研究方面的相关报道。为了模拟航天器外表面具有梯度电势的特征，在实验室中利用对靶板分割的方法，使分割靶板具有梯度电势，采用二级轻气炮加载系统和相关测试系统开展了相近撞击速度、相同弹丸入射角度、各分割靶板间不同间距条件下高速碰撞梯度电势靶板产生等离子体诱发静电放电的实验研究，实验揭示了分割靶板间间距对放电特性的影响。
1 实验 1.1 实验装置实验系统由弹丸、靶板、弹丸发射系统、支撑连接系统、绝缘系统和测速系统组成(见图 1)。测试系统由对靶板的充放电测试系统及超高速相机采集系统组成。实验在沈阳理工大学强动载研究中心的二级轻气炮上完成，该二级轻气炮能将直径为4.8 mm的球形铝弹丸加速到7 km/s，靶室内的抽真空能力可达10 Pa。
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| 图 1 实验系统 Fig. 1 Experimental system |
弹丸为直径4.8 mm的7075实心铝球，该铝球在发射管内被加速，在膨胀室内飞行一段距离后与弹托分离；弹丸的入射角度为60°。高电势与低电势靶板均为120 mm×120 mm×20 mm的2A12铝分割靶板，用于模拟航天器表面存在的梯度电势，弹丸撞击高电势靶板。实验基本参数如表 1所示。
| 实验编号 | 撞击速度/(km·s-1) | 电势靶板间距/mm | 电压探针编号 | 靶板的稳恒电压/V | 电流探针编号 | 电路中的稳恒电流/A | 靶室内真空压力/Pa |
| No.1 | 3.08 | 2 | VP1 | 298.0 | CP1 | 3.64 | 40 |
| CP2 | 3.01 | ||||||
| CP3 | 2.98 | ||||||
| No.2 | 3.05 | 3 | VP1 | 297.5 | CP1 | 3.57 | 40 |
| CP2 | 2.94 | ||||||
| CP3 | 3.02 | ||||||
| No.3 | 3.05 | 4 | VP1 | 298.2 | CP1 | 3.46 | 39 |
| CP2 | 2.94 | ||||||
| CP3 | 3.10 | ||||||
| No.4 | 2.98 | 5 | VP1 | 297.4 | CP1 | 3.58 | 38 |
| CP2 | 3.02 | ||||||
| CP3 | 2.91 |
实验中，绝缘系统对实验的成败具有决定性意义，靶板及其垫板均采用耐压5 000 V的绝缘纸绝缘，靶架上所有的外露金属均采用绝缘纸绝缘，避免为放电产生的电弧提供电荷泄漏的通道。
2 测试系统测试系统由对靶板的充放电测试系统及超高速相机采集系统组成。
2.1 供电及放电测试系统图 2为供电电路系统及放电测试系统。实现分割靶板具有梯度电势的供电系统由分割靶板和电阻组成；放电测试系统由恒压源、电阻、电压探针、电流探针、二极管及示波器组成。电压探针用于采集放电测试系统中的放电电压，电流探针CP1用于采集放电中干路的放电电流，电流探针CP2用于采集放电中靶板支路的放电电流，电流探针CP3用于采集流过电阻R1的放电电流，采集的放电电压、放电电流数据经示波器存储、记录。实验中，恒压源采用台湾生产的艾德克斯直流电源(ITECH)，工作电压为0~300 V。电路中的电阻R1=100 Ω、R2=100 Ω和R3=2 000 Ω。
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| 图 2 供电及放电测试系统 Fig. 2 Power supply and discharge measurement system |
实验前，将恒压源的电压调至300 V，利用直流电流测试仪(UT211B)测量干路和各支路的稳恒电流。电压探针型号为TMDP0200，带宽可达200 MHz；电流探针的型号为P6021A，带宽可达60 MHz，电流探针是利用感应原理测量电路中电流的变化，对于稳态电流没有输出。待二级轻气炮发射系统准备完毕，将恒压源的电压调至300 V，此时高电势靶板与低电势靶板的电位差之比为21 : 1，此时高低电势靶板的外表面均带有正电荷。当高速飞行的2A12铝弹丸撞击到高电势靶板时，撞击点瞬间产生了高浓度的等离子体。实验中，示波器采集系统与超高速相机采用同一触发系统，保证各系统同步联动，触发系统与弹丸着靶点的距离为355 mm，结合弹丸的撞击速度可知测试系统由触发到着靶的时间约为109 μs。
2.2 超高速相机采集系统实验使用的超高速相机采集系统购自德国PCO公司，型号为HSFC-PRO，该采集系统由超高速相机、工控机和背景光源组成。实验中，将超高速相机安装在靶室的一侧窗口并对准靶板区域进行照片采集，通过数字图像捕捉技术将目标信号转换成图像信号，同时传输给专用的图像处理系统进行处理。相机和背景光源分别置于靶室两侧，调整相机或背景光源的高度使相机和背景光源的镜头分别透过靶室观察窗口正对靶板安装位置，使用相机镜头焦距来调整预览画面清晰度。再结合弹丸撞击速度、辅助触发到着靶点间的距离和对应条件下放电照片的演化时间，调整相机开始捕捉时刻、采集时间间隔和曝光时间。当弹丸穿透辅助触发薄膜时，辅助触发电路导通输出电信号触发超高速相机采集系统开始捕捉碰撞过程的图像。相机可在Windows环境下控制，使用自带的Camware软件，可以实时显示于数字显示屏上，背景光源在相机采集影像的瞬时发光，为超高速相机采集图像的区域提供适量的光强以使采集到的图像更清晰。
3 实验结果与分析 3.1 放电电流和放电电压图 3~图 6为No.1~No.4实验放电电压和放电电流波形图。
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| 图 3 No.1实验中的放电电压和放电电流 Fig. 3 Discharge voltage and discharge current in experiment No.1 |
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| 图 4 No.2实验中的放电电压和放电电流 Fig. 4 Discharge voltage and discharge current in experiment No.2 |
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| 图 5 No.3实验中的放电电压和放电电流 Fig. 5 Discharge voltage and discharge current in experiment No.3 |
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| 图 6 No.4实验中的放电电压和放电电流 Fig. 6 Discharge voltage and discharge current in experiment No.4 |
由图 3(a)、(b)和图 4(a)、(b)可以看出，电流探针CP1与CP2的波形基本相同，说明放电过程中R1所在的支路几乎没有电流流过，由流过电阻R1的电流CP3很弱的特点恰好证实了R1对放电测试系统的影响微弱。该物理现象的出现可微观描述为：当弹丸与靶板作用瞬间，等离子体产生，由于等离子体中电子的运动速度远大于离子的运动速度，等离子体中的电子首先与高电势靶板表面的部分正电荷中和，使高电势靶板的电势降低；与此同时，高低电势靶板间由于电势差的存在而产生了电场，电场力会吸引大量电子或离子奔向高低电势靶板间，导致离子和电子在高低电势靶板间导通，电阻R3被瞬间短路，形成放电路径，很快高低电势靶板变成了等势体，此时的等势体是处于高电势还是低电势呢？结合图 3(d)和图 4(d)可知，等势体尽最大能力维持高电势，然而，此时低电势靶板的电位又不能满足形成等势体的电量要求，因此，瞬间电源的负电荷迅速上行来维持高低电势的靶板以高电势的状态处于平衡，此过程经历约250 μs，此时高低电势靶板间出现了强放电电流，带电粒子还会在建立的电场中受到电场力的作用做往复运动。此外，由于该物理过程中高低电势靶板的间距相对较小，相伴而生的磁场作用表现不明显。等离子体的存在使带电靶板支路的电荷损失较大，恒压源对电路电势的补偿主要作用于该支路，因此，流过电阻R1支路的电势相对稳定，只是使该支路出现了小幅度的振荡电流，其表现形式如图 3(c)和图 4(c)所示。图 7为高低电势靶板间建立的电场示意图。
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| 图 7 高低电势靶板间建立的电场示意图 Fig. 7 Schematic diagram of electric field between high-potential and low-potential target |
基于前文分析，结合图 5(d)和图 6(d)可知，等势体尽最大能力维持高电势。然而，此时低电势靶板的电位又不能满足形成等势体的电量要求。因此，瞬间恒压源的负电荷迅速上行去维持高低电势的靶板以高电势的状态处于平衡，此过程经历约780 μs，此时高低电势靶板间出现了强放电电流，带电粒子还会在建立的电场中受到电场力的作用周而复始地做往复运动。等离子体的存在使带电靶板支路的电荷损失较大，恒压源对电路电势的补偿作用更多地施加于该支路，流过电阻R1支路的电势相对稳定，只是使该支路出现了小幅度的振荡电流，其表现形式如图 5(c)和图 6(c)所示。此外，由于该物理过程中高低电势靶板的间距比No.1实验和No.2实验大，相伴而生的磁场作用表现较为明显，带电粒子在磁场中还受到洛伦兹力的作用，导致高低电势靶板间出现了更为复杂的放电通道，多通道的出现是使该高低电势靶板出现二次放电的源泉。图 8为高低电势靶板间建立的电磁场示意图。
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| 图 8 高低电势靶板间建立的电磁场示意图 Fig. 8 Schematic diagram of electromagnetic field between high-potential and low-potential target |
图 9为放电电流随高低电势靶板间间距的变化关系。由图 5~图 9可以看出，在撞击速度约为3 km/s、弹丸入射角度为60°时放电产生的等离子体形成了高电势与低电势靶板间的放电通道，且在梯度电势靶板间距分别为2、3 mm时诱发了一次放电，放电电流随高低电势靶板间间距的增加而减小；在同样碰撞参数条件下，梯度电势靶板间距分别为4、5 mm时诱发了二次放电，放电电流随高低电势靶板间间距的增加变化不明显。
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| 图 9 放电电流随高低电势靶板间距的变化关系 Fig. 9 Variation of discharge current with distance between high-potential and low-potential target |
图 10为典型实验条件下超高速相机采集的不同时刻的放电照片。实验中，触发到着靶点的距离均为333 mm。
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| 图 10 典型实验条件下超高速相机采集的不同时刻的放电照片 Fig. 10 Discharge photos at different moments acquired by ultra-high speed camera under typical experimental conditions |
由No.1、No.2和No.3实验中不同时刻采集的实验照片可以看出，由于高速碰撞产生的等离子体与放电等离子体的耦合作用，超高速相机采集到的实验照片出现火光的持续时间更长，亮度更高。而且在实验过程结束时肉眼依然能看到光亮的带电粒子在建立的电磁场间往返运动。
图 11为No.2实验放电过程的视频截图，由图中可以看出，超高速碰撞梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电过程可分为3个阶段。第1阶段为超高速碰撞过程中产生的等离子体；第2阶段为碰撞产生等离子体与放电产生等离子体的耦合等离子体；第3阶段为放电诱发的等离子体。第1阶段对应图 11(a)、(b)，该阶段持续的时间较短而且膨胀速度相对较低；第2阶段对应于图 11(c)、(d)，放电蒸气云持续膨胀，颜色由黄变蓝，膨胀持续时间较第1阶段更长；第3阶段对应于图 11(e)~(h)，而且火球经历着由膨胀到消失的过程，该阶段火球为由放电等离子体所决定的完全蓝光，放电持续时间明显长于第1、2阶段。
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| 图 11 No.2实验放电在不同时刻的视频截图 Fig. 11 Discharge video screenshot at different moments in experiment No.2 |
为了在实验室模拟航天器表面存在梯度电势的真实情况，采用对航天器外表面分割的方法，在分割的表面间预留不同间距且在2靶板间加装电阻的方法创造具有梯度电势的高电势表面作为靶板。利用自行建立的对靶板的充放电测试系统、超高速相机采集系统和二级轻气炮加载系统，开展高速撞击梯度电势2A12铝靶的实验室实验。在撞击速度约为3 km/s、弹丸入射角度为60°时得出如下结论：
1) 放电产生的等离子体形成了高电势与低电势靶板间的放电通道，且在梯度电势靶板间距分别为2、3 mm时诱发了一次放电，放电电流随高低电势靶板间间距的增加而减小。
2) 在梯度电势靶板间距分别为4、5 mm时诱发了二次放电，放电电流随高低电势靶板间间距的增加变化不明显。
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