摘要
宇航电绝缘材料是深空探测器电信号传递和作用的界限，评估宇航电绝缘材料的环境适应性是材料选择，绝缘设计及工艺处理过程中需要考虑和优化的项目。本文从材料电绝缘性能关联的环境因素入手，介绍了深空辐射环境、热环境、气体环境及颗粒物环境及其效应，给出了深空环境适应性评估流程及验证项目及方法，为宇航电绝缘材料的选用和评估提供参考。
现代空间探测器本质上是一台拥有复杂功能的电子学装备，电绝缘材料决定了电信号传递和作用的界限，对于在整个寿命周期内维持空间探测器的性能至关重要。目前空间探测器主要采用真空绝缘和固体绝缘两种形式，其中真空绝缘主要应用于探测器表面及低电压应用，固体绝缘则应用于探测器内部及较高电压应用。所使用的电绝缘材料种类较多，包括涂覆类材料、灌封类材料、印刷电路板材料、绝缘隔离材料等，其中涂覆类材料多采用聚对二甲
以上材料在近地轨道探测器上已经进行了较为充分的应用，表明其具备近地空间环境适应性，但一方面受限于深空探测成本很高且探测数据有限，对深空环境的认知既不充分也不全面，虽然国外机构针对热门探测区域建立了若干环境模型，与真实环境相比尚存在较大的不确定性；另一方面深空探测器对质量和功耗异常敏感，如何以较小的质量和能耗代价保证足够的绝缘效果，以及如何适应极端的深空环境，都是探测器研制过程需要面对的问题。
根据公开的故障统计，在1980年～2005年间，国外研究机构对于129个航天器上出现的156个在轨故障进行了总结，将故障类型分为电子电路类、机械类、软件类和不确定4种，其中电子电路类故障占比高达45
近年来我国在深空探测方面取得了举世瞩目的成就，“嫦娥五号”成功采样返回，“祝融号”成功落火，鼓舞着中国航天向深空不断迈进，对材料环境适应性及热点探测区域环境效应的研究也随之开展。北京卫星环境工程研究所开展了航天器材料空间环境适应性评价与认定准则研
电绝缘材料服务于探测器电系统，使系统内导体内的电流、电荷或电信号在规定的工作/环境条件下都不外泄，从而实现预定的电系统功
大体上，深空辐射环境可分为行星际空间辐射环境、地外天体轨道辐射带环境及地外天体表面辐射环境。行星际辐射环境主要由极低通量的宇宙射线以及偶发的太阳高能粒子事件组成；地外天体辐射带环境是由地外天体的磁场俘获带电粒子形成的，太阳系内木星、土星、天王星、海王星都有较强的磁场，在辐射带内运行的探测器会经受较为严酷的辐射环境，水星也有小的磁层，可能引发暂态的辐射带，但其他天体一般认为没有显著的捕获辐射。木星探测数据显示辐射带内高能质子通量较
深空辐射环境下，电绝缘材料会发生总剂量效应、表面充电效应、内带电效应及太阳电磁辐射效应。
空间带电粒子入射进入电绝缘材料后，会产生电离作用，其能量被材料中的原子电离吸收，从而造成总剂量损伤，表现绝缘材料强度降低、开裂，绝缘性下降等。对于深空辐射环境而言，辐射带电子和质子由于能量适中且作用时间较长，对总剂量贡献最大。多数宇航电绝缘材料都拥有较强的总剂量耐受能力，如
与近地轨道环境类似，深空环境中的低能电子沉积在探测器表面的电绝缘材料表面，会发生表面充放电效应，除了电子温度（Te）和离子温度（Ti）之外，光电流密度（Jp0）也对充电电位有较大影响。与地球同步轨道类似，行星磁尾也存在较为“严酷”低能电子环境，利用北京卫星环境工程研究所编写的数值程序计算了聚酰亚胺材料处于地球同步轨道、月球轨道、木星轨道及土星轨道在光照条件下及阴影条件下的表面充电电压，计算中考虑了电子电流、离子电流、光电流、由电子及离子引起的二次电流，所选用等离子体参数及充电结果如
在近地及月球轨道，光照条件下光电流占主导作用，平衡电压分别为5.47 V（地球同步轨道）及6.92 V（月球轨道），阴影条件下由于地球同步轨道占据主导作用的是电子电流，充电电位约为-15.5 kV，月球轨道的太阳风电子能量较低，充电电位约为-26.8 V；对于木星轨道由于光电子电流大幅度降低，即便在光照条件下，充电电位仍为负值（约-412 V），阴影条件下则达到了约-8.4 kV；对于土星轨道，光电子电流进一步减小，因此聚酰亚胺材料在光照条件及阴影下充电电位分别为-11.5和-16.0 kV。
在所计算的典型充电环境下，聚酰亚胺表面虽然充电至较高电位，但其相对探测器结构的相对电位一般不会达到这么高的量级。另外，由于光电子的影响会随着距离太阳变远而显著降低，因此从光照-非光照电压梯度的角度出发，地内行星轨道要比地外行星轨道更为严酷。
即便有静电放电发生，其放电能量也非常有限（按照放电防护的要求，需按照一定的距离要求对电绝缘材料做接地处
热环境是宇航电绝缘材料退化的重要因素，宇航电绝缘材料的热环境是空间热环境与探测器热控系统相互作用诱发的二次环境，主要影响因素包括太阳辐射热流，材料热辐射热流及热传导热流。其中太阳辐射热流与太阳距离呈指数衰减规
图1 聚酰亚胺材料温度及太阳热辐射随距离变化规律
Fig.1 Variation of temperature and solar radiation of polyimide with distance to the sun
对于采用主动热控的舱内电绝缘材料而言，环境温度一般会维持在-15~50
深空探测过程中探测器还可能深入行星大气，不同天体大气环境差异较大，如
不考虑特殊的腐蚀环境（例如金星的酸性环境），气体环境会对真空绝缘带来显著影响，根据帕邢定律，电极放电电压可以表述为气体压力和距离乘积的函
| (1) |
式中，Vs为起火电压，P是气体压力，d为电极间距离，A是电子平均自由程与压力乘积的倒数，B是参数A与气体电离电位的乘积，γ为汤生第三电离系数。
不同的气体成分帕邢曲线存在较大差异，氦气条件下最低放电阈值略大于100 V，因此对于低气压环境而言，并不存在一个绝对安全的距离，能够保证不会发生放电，这也是要求高压电子产品（峰值电压>100 V）采用固体绝缘的重要原因。对于确定的气体成分及温度条件，
（a） 针板电极
（b） 板板电极
图2 低气压条件下典型电极放电阈值
Fig.2 Discharge threshold of typical electrode at low pressure
在
在深空探测器的飞行过程中，可能会穿越小行星带，宇宙尘埃和微流星体可能会撞击在探测器表面，对探测器表面材料造成损伤，碰撞产生的等离子体也可能诱发太阳电池的静电放
天体表面的颗粒物环境是在空间风化的作用下逐渐形成的，其主要形成机制是陨石和微流星体的撞击、宇宙辐射和太阳风持续轰击、昼夜温度交变导致岩石热胀冷缩破碎共同作用形成的。月球及火星表面都存在颗粒物质分布，主要化学成分按质量数倒序如
由
图3 不同环境下的摩擦曲线对比
Fig.3 Comparison of friction curves in different environments
大多数在用的宇航电绝缘材料，已经具备近地轨道环境适应性的要求，但仍需针对深空特殊环境，分析其相对于近地轨道环境的“恶劣”或“缓和”程度，如果深空探测环境相对“缓和”，可认为所评估的材料具有所针对深空环境的适应性；如果深空探测环境相对“严苛”，则需要量化分析环境及效应，采用试验验证的方式加以验证，分析流程如
图4 电绝缘材料深空环境适应性评估流程
Fig.4 Assessment process of deep space environmental adaptability of electrical insulating materials
如
对于深空探测器，高电压组件的电绝缘问题无疑是最关键的，理论上所采用的固体绝缘隔离了大部分深空环境因素的影响，但不能简单地认为只要采用固体绝缘就不存在环境适应性问题，为了验证电绝缘材料深空环境下的极端退化状态，可先实施可靠性试验再进行环境适应性试验。
在电绝缘试验中，按照加载电压的大小可将试验分为L1和L2级，其中L1级测试用于检验产品是否满足要求，属验收性质；L2级则用来确定设计余量。在设计试验时，先实施L1级试验，之后再进行L2级试验，试验加载电压的值可参考：L1级试验试验加载电压Utest与最大工作电压Umax一致；L2级试验Utest可根据实际情况调整为1.5Umax～2Umax。推荐采用交流信号，周期性信号检测效果更好，也有利于捕捉放电信号和保护试验样
利用空间环境模拟试验系统实施电绝缘试验，增加相应的测试手段，实现较为复杂的环境模拟、工艺检查及可靠性验证的需求。较为完备的电绝缘试验系统包括真空容器系统、空间环境模拟源装置、外接的补偿电路、放电特性测量系统、温度调节系统，如
图5 电绝缘试验系统组成图
Fig.5 Composition diagram of electrical insulation test system
其中真空容器系统包括真空容器、真空获取及真空度测量装置，空间环境模拟源包括电子枪、等离子体源、紫外源等，补偿电路主要通过外接器件调节试验对象的放电特性，放电特性测量系统包括瞬态放电脉冲测量装置（电压/电流探头及示波器）、局部放电测试仪、光谱仪、图像采集装置等，温度调节系统包括必要的液氮管路（图中未标出）、温度测量装置、电加热系统等，再通过控制计算机对模拟源、测量装置及控制系统进行统一控制。
为了保证深空探测器的可靠运行，应开展材料电绝缘性能关联环境因素的分析，总结辐射、热、气体及颗粒物环境对材料性能的影响如下：
（1）辐射环境会引起总剂量、表面充放电及内带电效应，对于舱内应用的电绝缘材料，一般条件下可忽略总剂量效应的影响；特定区域表面充电电压较高，需考虑静电放电对舱外电绝缘材料影响；舱内电绝缘材料还需要考虑内带电对临近的电子电路的干扰；
（2）热环境是电绝缘材料需要重点关注的深空环境因素，在深空探测器飞行过程中可能经历巨大的温差变化，这种热循环过程中累积的热错配应力，会导致电绝缘材料裂纹或者剥离，逐渐从固体绝缘退化为真空绝缘，严重时可能产生二次放电；
（3）对于气体环境，应尽可能避免采用真空绝缘形式，采用固体绝缘的产品需要确保绝缘材料及工艺可靠有效；
（4）颗粒物环境主要对运动部件产生影响，导致临近的电绝缘材料产生磨损，应针对具体的设计就可能磨损问题进行分析和评估，规避电绝缘材料可能出现的绝缘退化甚至失效。
针对电绝缘材料深空环境效应，应开展风险分析与评估工作，通过电绝缘试验的方式对材料、工艺及防护效果进行检验和验证：
（1）选取关键性的环境因素进行模拟和试验，如果有多种环境因素都可能拉低放电阈值，推荐同时施加多种环境因素以验证电绝缘的有效性；
（2）建议针对电绝缘组件开展试验，综合验证材料、设计及工艺的综合绝缘效果。
电绝缘材料是深空探测器工作的基础性保障，在深空环境的影响下，材料的电绝缘性能可能发生退化甚至失效，这种过程一般不可逆转，一旦出现会对探测器造成巨大的影响，因此必须重视宇航电绝缘材料环境保证工作，针对性地进行分析和验证工作，确保电绝缘材料深空环境下的适应性。
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