本發(fā)明屬于航天器空間環(huán)境防護(hù)技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及一種航天器電位自主控制膜的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

地磁暴和地磁亞暴期間，地球輻射帶中能量大于1mev電子通量大幅增加。這些電子穿透航天器的蒙皮，進(jìn)入航天器內(nèi)部，造成航天器結(jié)構(gòu)電位快速下降，而航天器表面絕緣介質(zhì)材料由于二次電子發(fā)射、光電子發(fā)射、離子吸收等原因，則會呈現(xiàn)相對于結(jié)構(gòu)的正電位。當(dāng)二者電位差達(dá)到一定值時就會引發(fā)靜電放電(esd)，擊穿絕緣材料。這種充放電方式也是航天器充放電現(xiàn)象中產(chǎn)生危害最嚴(yán)重的一種方式在空間中航天器帶電會有可能引發(fā)放電現(xiàn)象，導(dǎo)致航天器材料、器件損毀。

目前,航天器電位控制的主要方法之一就是發(fā)射帶電粒子(包括電子和質(zhì)子)(中國航天,2008,6:36,航天器表面電位的主動控制；真空與低溫,2014,20(4):243,leo大型載人航天器主動電位控制技術(shù)進(jìn)展；航空學(xué)報,2016,37(5),大型低軌道載人航天器電位主動控制)。這種方法是利用粒子發(fā)射裝置，通過指令控制噴射帶電粒子降低航天器電位，從而將航天器電位保持在安全水平。由于需要指令命令粒子發(fā)射裝置開始發(fā)射粒子，故又稱為主動電位控制。目前航天器的主動電位控制，常用的、典型的有電子源和等離子體源兩種。

電子源：發(fā)射電子，主要有熱燈絲、空心陰極等，目前國際空間站上采用的電位控制設(shè)備等離子體接觸單元(pcu)，就是利用空心陰極發(fā)射電子進(jìn)行電位控制的。

離子源：發(fā)射正電離子，主要是將工質(zhì)電離，形成離子流，發(fā)射出去。

由此可見，目前發(fā)射電子或者離子的電位控制方式，都屬于主動電位控制方式，不僅需要控制系統(tǒng)，判斷航天器電位狀況，從而發(fā)射指令控制何時發(fā)射電子、離子，何時停止發(fā)射，而且需要耗費(fèi)電能，設(shè)備相對沉重(公斤級)。

本發(fā)明基于先進(jìn)納米材料場致發(fā)射性能，提出一種可以在航天器發(fā)生帶電時自主發(fā)射電子的電位控制膜的結(jié)構(gòu)，該基于該結(jié)構(gòu)的控制膜首先不需要發(fā)射指令，當(dāng)航天器電位達(dá)到一定值時，可以自動發(fā)射電子，其次不需外加供電系統(tǒng)，能自主發(fā)射電子，降低航天器結(jié)構(gòu)地與表面絕緣材料間的電壓差，第三，該控制膜為一個薄膜，重量輕(十克量級)。因此，該技術(shù)為航天器提供更簡單可靠的電位控制，保障航天器在軌安全。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述情況下航天器電位控制的需求，本發(fā)明提出了一種可以無功耗自主發(fā)射電子的控制膜結(jié)構(gòu)。該電位控制膜結(jié)構(gòu)不需要對航天器電位進(jìn)行監(jiān)控，而是當(dāng)航天器結(jié)構(gòu)與絕緣介質(zhì)電位差達(dá)到一定數(shù)值時，自動開始發(fā)射電子，從而使得電位差一直處于發(fā)生放電現(xiàn)象閾值電位差之下，從而避免發(fā)生放電現(xiàn)象，保證航天器安全。該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于地球軌道航天器的電位控制。

本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

航天器電位自主控制膜結(jié)構(gòu)，基于碳納米管的場致發(fā)射性能制成，所述控制膜結(jié)構(gòu)由三部分組成，基板為金屬膜，金屬膜厚度在100微米至5mm之間，更優(yōu)選200微米至500微米，進(jìn)一步優(yōu)選300微米到450微米，粘貼或壓緊在金屬膜上的電子發(fā)射層，電子發(fā)射層為碳納米管漿料涂覆層或碳納米管紙，碳納米管漿料涂覆層的厚度在50nm-1mm之間，優(yōu)選100nm-1mm之間，更優(yōu)選200nm-500nm之間，電子發(fā)射層上設(shè)置有聚合物膜，聚合物膜為多孔膜，中間孔為方形、圓形、三角形等，孔的邊長在100nm-1mm之間，孔的間距在1μm-1mm之間，聚合物膜厚度在1μm-1mm之間，優(yōu)選10μm-1mm之間,50μm-1mm之間，超出該范圍也應(yīng)在本專利保護(hù)范圍內(nèi)。

其中，金屬膜選用銅箔或者鋁箔。

其中，碳納米管漿料涂覆層由碳納米管漿料涂覆而成，所述碳納米管漿料為單壁碳納米管或多壁碳納米管與銀漿料的混合物，碳納米管含量在1％-50％之間。

其中，聚合物膜可以為聚酰亞胺材料、含氟聚合物材料如聚四氟乙烯等。

進(jìn)一步地，聚合物表面可以鍍ito膜，也可以不鍍；

其中，電位自主控制膜的面積1mm²-1m²。

聚合物膜可選取單面壓敏膠帶，例如聚酰亞胺、聚四氟乙烯單面壓敏膠帶等，粘貼在導(dǎo)電膜上。

聚合物膜也可以利用液態(tài)聚合物，通過涂膠的方式，涂敷在導(dǎo)電膜上。

自主控制膜結(jié)構(gòu)簡單，為一個薄膜，安裝方便，直接貼附在航天器表面即可。

自主控制膜可以在航天器電位達(dá)到一定值時(低于航天器發(fā)生放電的閾值)自動開始發(fā)射電子，無需控制指令。

自主控制膜發(fā)射電子不需要提供電源系統(tǒng)。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明的航天器電位自主控制膜的俯視圖。

圖1b為本發(fā)明航天器電位自主控制膜的正視圖。

圖中：1.1-金屬膜；1.2-碳納米管膜；1.3-聚合物膜。

圖2是控制膜發(fā)射電流隨電位差變化的測量曲線。

具體實施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實施方式，下面通過具體實施方式對本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步說明：

參見圖1，圖1a和圖1b分別顯示了本發(fā)明的航天器電位自主控制膜的俯視圖和正視圖，其中，該航天器電位自主控制膜是在金屬膜1.1的上方設(shè)置電子發(fā)射層即碳納米管膜1.2(紙)，接著在電子發(fā)射層上設(shè)置聚合物膜1.3而制成的，以下給出各種制備實施方式。

制備實施方式1碳納米管紙粘貼在金屬膜上的方式

將市購的單壁碳納米管紙(厚度為100微米)，利用壓印的方法粘在0.5mm厚的銅箔上，用一個有1mm孔洞的13μm厚聚酰亞胺膜(聚酰亞胺膜為市場購買，利用激光打孔，做出孔洞)做聚合物膜，孔洞在聚合物膜上形成4×4的陣列圖形。

市場上購買0.5mm銅箔(1cm×1cm，其他膜的面積與之相配)，市場上購買單壁碳納米管紙(厚度為100微米)，利用機(jī)械壓印的方法，將單壁碳納米管紙壓在銅箔上。市購的13μm厚單面壓敏聚酰亞胺膜，利用激光在膜上燒蝕出1mm孔洞，孔洞數(shù)量4×4個，形成方形陣列，再粘貼到碳納米管紙上，從而得到了控制膜。

其中，單面壓敏聚酰亞胺膜也可以是單敏壓敏聚四氟乙烯膜，或者鍍ito單面壓敏聚酰亞胺膜、鍍ito單敏壓敏聚四氟乙烯膜等。

制備實施方式2碳納米管紙粘貼在金屬膜上的方式

將市購的多壁碳納米管紙(厚度為100微米)，利用壓印的方法粘在0.5mm厚的銅箔上，用一個有1mm孔洞的13μm厚聚酰亞胺膜(聚酰亞胺膜為市場購買，利用激光打孔，做出孔洞)做聚合物膜，孔洞在聚合物膜上形成4×4的陣列圖形。

市場上購買0.5mm銅箔(1cm×1cm，其他膜的面積與之相配)，市場上購買多壁碳納米管紙(厚度為100微米)，利用機(jī)械壓印得方法，將多壁碳納米管紙壓在銅箔上。市場購買13μm厚單面壓敏聚酰亞胺膜，利用激光在膜上燒蝕出1mm孔洞，孔洞數(shù)量4×4個，形成方形陣列，再粘貼到碳納米管紙上，從而得到了控制膜

其中，單面壓敏聚酰亞胺膜也可以是單敏壓敏聚四氟乙烯膜，或者鍍ito單面壓敏聚酰亞胺膜、鍍ito單敏壓敏聚四氟乙烯膜等。

制備實施方式3碳納米管漿料壓印在金屬膜上的方式

市場上購買0.5mm銅箔(1cm×1cm，其他膜的面積與之相配)，在市場上購買單壁碳納米管，將其與導(dǎo)電銀漿料(市場購買)按1：50混合，形成漿料，涂敷在銅箔上，厚度20微米。市場購買13μm厚單面壓敏聚酰亞胺膜，利用激光在膜上燒蝕出1mm孔洞，孔洞數(shù)量4×4個，形成方形陣列，再粘貼到碳納米管漿料涂覆層上，從而得到了控制膜。

其中，單面壓敏聚酰亞胺膜也可以是單敏壓敏聚四氟乙烯膜，或者鍍ito單面壓敏聚酰亞胺膜、鍍ito單敏壓敏聚四氟乙烯膜等。

制備實施方式4碳納米管漿料壓印在金屬膜上的方式

市場上購買0.5mm銅箔(1cm×1cm，其他膜的面積與之相配)，在市場上購買多壁碳納米管，將其與導(dǎo)電銀漿料(市場購買)按1：50混合，形成漿料，涂敷在銅箔上，厚度20微米。市場購買13μm厚單面壓敏聚酰亞胺膜，利用激光在膜上燒蝕出1mm孔洞，孔洞數(shù)量4×4個，形成方形陣列，再粘貼到碳納米管漿料涂覆層上，從而得到了控制膜。

其中，單面壓敏聚酰亞胺膜也可以是單敏壓敏聚四氟乙烯膜，或者鍍ito單面壓敏聚酰亞胺膜、鍍ito單敏壓敏聚四氟乙烯膜等。

航天器在地磁亞暴期間，結(jié)構(gòu)地與表面介質(zhì)間電位可達(dá)數(shù)百伏至千伏，表面介質(zhì)由于受空間等離子體、太陽光作用，電位相當(dāng)于空間等離子體。因此，在地面模擬時，聚合物(鍍ito聚酰亞胺)表面施加空間電位，相當(dāng)于正電極，金屬膜施加航天器結(jié)構(gòu)電位，相當(dāng)于負(fù)電極。研究兩者間電位差增加時是否有電子可以發(fā)射出來。

具體實施時，在聚合物表面連接正電極，金屬箔連接負(fù)電極，通過升高電壓，測量發(fā)射電流。圖2是控制膜發(fā)射電流隨電位差變化的測量曲線。根據(jù)圖2，可以看出，當(dāng)電壓差達(dá)到200伏開始有發(fā)射電流，而且電壓差越大，發(fā)射電流越大。由于地磁亞暴爆發(fā)期間，航天器結(jié)構(gòu)地與絕緣聚合物之間的電壓差可以達(dá)到數(shù)百伏至上千伏，因此，該控制膜可以發(fā)射電子起到電位控制的作用。

盡管上文對本發(fā)明的具體實施方式給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對上述實施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。