CN108459351B - 电阻型的空间碎片探测装置及探测方法 - Google Patents

电阻型的空间碎片探测装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电阻型的空间碎片探测装置，包括探测壳体、第一膜组、第二膜组以及压电效应检测层，其中，第一膜组与第二膜组结构相同，且分别由两层聚合物薄膜叠置而成，每层聚合物薄膜都在聚合物薄膜上镀制有等间距的平行金属导电线且相邻膜层之间的金属导电线是相互垂直的，形成正方形的格子密排结构。本发明也公开了利用该探测装置进行空间碎片探测的方法。本发明结构简单、控制方便，能实现对空间碎片大小、速度、方向以及质量的探测。

Description

电阻型的空间碎片探测装置及探测方法
技术领域
本发明属于空间碎片环境探测技术领域，具体涉及一种电阻型空间碎片的探测装置。
背景技术
在太空环境中，“空间碎片”(亦称太空垃圾)是人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染源。从1957年发射第一颗人造地球卫星以来，空间碎片总数已经超过4千万个，总质量已达数百万公斤，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片平均每年增加大约200个，大于10厘米的空间碎片现在已经超过了9200个。空间碎片主要分布在2000公里以下的低轨道区，它们对近地空间的航天器构成严重威胁。
空间碎片尺寸范围包含微米级、毫米级、厘米级，甚至米级，其中，厘米级及其以上空间碎片主要是运载火箭上面级、任务终了的航天器、工作时遗弃的物体、意外的解体碎片、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒等；毫米级空间碎片主要是航天器表面剥落碎片、溅射物、三氧化二铝残渣、钠钾颗粒、微流星体、意外的解体碎片等；微米级空间碎片主要包含剥落碎片、溅射物、三氧化二铝粉尘、微流星体等。
大于10厘米的空间碎片将导致航天器毁灭性损坏，由于目前能够通过地基望远镜或雷达测定其轨道，可以采取预警规避的策略有效地防止其伤害；厘米级空间碎片也可以导致航天器彻底损坏，目前尚无切实可行的防护措施，唯一办法是在航天器设计及运营上，设法降低使航天员及航天器发生致命性损害的风险；毫米级空间碎片能够导致航天器表面产生撞坑甚至使舱壁穿孔，撞击部位不同，危害的程度也会有很大差异。
目前，为了探测空间碎片的位置，需要设计不同的空间碎片的探测装置，其中，空间碎片探测器按照撞击感知传感器的不同可以分为压电型探测器、半导体型探测器、电离型探测器等。
压电型探测器采用高性能的压电材料作为传感器，主要有聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器和压电陶瓷(PZT)传感器。其中，PVDF探测器是常用的探测手段，其探测原理是利用PVDF薄膜的压电效应，即当空间粉尘高速碰撞PVDF薄膜时，在撞击力作用下会产生一个不可逆的弹坑，同时在薄膜的两个电极上产生电荷信号。测量电路对该电荷信号进行分析可以得到粉尘粒子的速度和质量等信息，适合用作微小空间碎片和微流星体的探测传感器。
半导体型探测器的工作原理是在高纯度硅(Si)晶片上氧化出一层很薄的二氧化硅(SiO2)，再在二氧化硅(SiO2)膜上镀一层铝膜，硅、二氧化硅膜和铝膜形成一个平板电容器，常称为MOS半导体传感器。用MOS传感器制作成空间粉尘探测器，称之为半导体型探测器。当探测器工作时，由外部电路给电容器提供偏置电压。当空间粉尘与传感器发生碰撞穿过铝膜和二氧化硅膜时，电容就会放电产生电流，在外部电路中产生一个电信号，通过对该信号的分析可得到微小空间碎片或微流星体的信息。
撞击电离型探测器最常用的是等离子体型探测器，其基本原理是当微小空间碎片与探测器的纯金靶心发生碰撞时，巨大动能产生等离子体云；通过对等离子体的测量，可以获得空间碎片的质量、速度和成分等信息。
然而，压电型探测器通常只能给出空间碎片的个数、速度和质量的信息，无法给出空间碎片的大小和方向的信息；半导体型探测器能够给出空间碎片的个数、大小的信息，无法给出空间碎片的方向和速度等信息；电离型探测器能够给出空间碎片质量、速度和成分的信息，也无法给出空间碎片的方向。本发明则通过上下两层的电阻线的十字交叉排列并与压电传感器进行组合，能够给出空间碎片的个数、方向、尺寸大小、速度、重量等信息，具有结构简单、原理清晰、响应速度快、探测信息全面等优点。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种利用不同膜层上电阻线电阻的变化来实现空间碎片大小、速度和入射角度探测的探测器，该探测器利用传统的压电原理实现碎片的质量的探测。
本发明的电阻型的空间碎片探测装置，包括具有顶部开口的探测壳体、第一膜组、第二膜组以及压电效应检测层，其中，第一膜组设置在探测壳体的顶部开口位置处，第二膜组设置在探测壳体内的中间位置，压电效应检测层位于探测壳体内的底部，其中，第一膜组与第二膜组结构相同，且分别由两层聚合物薄膜叠置而成，每层聚合物薄膜都在聚合物薄膜上镀制有等间距的平行金属导电线且相邻膜层之间的金属导电线是相互垂直的，形成正方形的格子密排结构。
其中，聚合物薄膜为有机聚合物薄膜。
进一步地，有机聚合物薄膜的厚度为25微米-50微米。
进一步地，所述有机聚合物薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜或聚酯薄膜如Mylar等，或者以其为基体的各类改性聚合物薄膜。
其中，金属导电线彼此之间的间距为30微米至70微米。
其中，金属导电线通过磁控溅射法或涂覆法在聚合物薄膜上进行制备。
其中，金属导电线的宽度为微米量级，且金属导电线的材质为铜、铝或铂。
其中，第一组膜和第二组膜的上下两层均采用简单的叠直结构即可，膜的四边通过夹持等固定装置固定在支撑结构上。压电效应检测层可采用聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器或压电陶瓷(PZT)传感器等，直接平铺在探测装置的底部。
利用上述电阻型的空间碎片探测装置进行空间粒子探测的方法，包括以下步骤：
1)当空间碎片撞击到空间碎片探测装置并穿过第一膜组后，将分别在面对空间碎片进入方向上的第一层、第二层两层膜中穿过，切断两层膜中对应位置的金属导电线，根据金属导电线通电性能的变化计算在膜层二维方向上空间碎片穿过的位置和大小，得到空间碎片穿过的中心点为[(X11+X12)/2,(Y11+Y12)/2]；
2)当空间碎片进一步击穿第二膜组后，根据第三膜层和第四膜层中导电线通电性能的变化，计算在第三膜层和第四膜层击穿的位置和大小，得到空间碎片穿过第3和第4膜层的中心点为[(X21+X22)/2,(Y21+Y22)/2]；
3)将空间碎片击穿第一膜层和第二膜层的时间与击穿第三膜层和第四膜层的时间进行对比，计算出空间碎片击穿膜层的速度；
4)由空间碎片击穿第一膜层和第二膜层的位置与击穿第三膜层和第四膜层的位置，得到空间碎片的撞击方向[((X11+X12)/2,(Y11+Y12)/2,Z2),((X21+X22)/2,(Y21+Y22)/2,Z1)]；
5)空间碎片穿越第一膜组和第二膜组的导电线膜层后，将撞击到压电效应检测层上，根据撞击产生的压电信号，确定出撞击空间碎片的质量。
其中，压电效应检测层为采用聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器或压电陶瓷(PZT)传感器。
其中，压电信号与空间碎片的质量关系预先通过地面模拟试验获得。
本发明利用在四层薄膜上镀制或喷涂等间距的电阻线，当碎片撞击穿过后，将电阻线切断，利用电阻的变化的位置来判断碎片的大小、速度和撞击的角度。最后，结合传统的压电原理，来实现空间碎片的撞击质量的探测。利用本发明的电阻型空间碎片探测装置，可以实现对空间碎片大小、速度、方向以及质量的探测。
附图说明
图1为本发明的电阻型空间碎片探测装置中相同结构的第一膜层、第三膜层的金属导电线结构示意图。
图2为本发明的电阻型空间碎片探测装置中相同结构的第二膜层、第四膜层的金属导电线结构示意图。其中，设置时第二膜层与第一膜层的金属导电线相互垂直，设置时第四膜层与第三膜层的金属导电线相互垂直。
图3为本发明的第一膜组的结构示意图，其中，第一膜层和第二膜层叠层后的金属导电线俯视图。
图4为空间碎片穿过本发明的电阻型空间碎片探测器中的第一膜层和第二膜层位置的示意图。
图5为空间碎片穿过本发明的电阻型空间碎片探测器中的第三膜层和第四膜层位置的示意图。
图6为本发明的电阻型空间碎片探测器使用中空间碎片撞击路线示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。
本发明的电阻型空间碎片探测装置，包括具有顶部开口的探测壳体、第一膜组、第二膜组以及压电效应检测层，其中，第一膜组设置在探测壳体的顶部开口位置处，第二膜组设置在探测壳体内的中间位置，压电效应检测层位于探测壳体内的底部，其中，第一膜组与第二膜组结构相同，且分别由两层聚合物薄膜叠置而成，每层聚合物薄膜都在聚合物薄膜上镀制有等间距的平行金属导电线且相邻膜层之间的金属导电线是相互垂直的，形成正方形的格子密排结构。
其中，参见图1，图1显示了第一膜组中第一膜层、第三膜层的金属导电线结构示意图。首先是在100平方厘米的聚四氟乙烯薄膜镀制间距平行50微米、水平方向的银导电线，聚四氟乙烯薄膜的厚度为25微米，铜导电线通过磁控溅射方法进行镀覆，本底真空为3×10-3Pa；溅射气体为氩气，纯度大于99.99％，流量为3sccm；溅射过程中，真空度优于1.0×10-1Pa；直流偏压为50V，无脉冲偏压。
参见图2，图2显示了相同结构的第二膜组中第二膜层、第四膜层的金属导电线结构示意图，设置时第二膜层与第一膜层的金属导电线相互垂直，设置时第四膜层与第三膜层的金属导电线相互垂直。制备与第一膜组的制作过程完全一致，只是金属导电线的方向制作为垂直方向。
参见图3，图3显示了本发明的第一膜组的结构示意图，其中，第一膜层和第二膜层叠层后的金属导电线俯视图，第二膜组与第一膜组完全相同。具体而言，将第一膜层与第二膜层按照导电线相互垂直的方式进行上下叠加在一起，即上下两层靠在一起即可，但相互间不连接，每层膜的四边通过夹持等固定装置固定在支撑机构上。
采用上述电阻型空间碎片探测装置进行空间碎片探测的方法如下：
首先可通过地面模拟试验，获得不同质量不同速度的空间碎片撞击压电效应检测层对应的压电信号，以便后续与空间探测的信号进行对比，得到在轨撞击的空间碎片的质量。当空间碎片撞击穿过后，将分别在两层膜中穿过，切断导电线，根据导线通电性能的变化可以判断在二维方向上空间碎片穿过的位置和大小。如图4，在第1层膜中，切断导线的位置分别为X11和X12，在第2膜层中，切断导线的位置分别为Y11和Y12，则可以得到空间碎片的大小范围。同时，可以得到空间碎片穿过的中心点为[(X11+X12)/2,(Y11+Y12)/2]。
当空间碎片穿过第1膜层和第2膜层后将进一步击穿第3膜层和第4膜层，根据第3膜层和第4膜层中导电线通电性能的变化，可以判断在第3膜层和第4膜层击穿的位置和大小，见图5，可以得到空间碎片穿过第3和第4膜层的中心点为[(X21+X22)/2,(Y21+Y22)/2]。
将空间碎片击穿第1和第2膜层的时间与击穿第3和第4膜层的时间进行对比，可以计算出空间碎片击穿膜层的速度。如图6。假设穿过第1和第2层的时间与第3和第4层的时间差为t,则空间碎片的速度v为：
由空间碎片击穿第1和第2膜层的位置与击穿第3和第4膜层的位置，可以知道空间碎片的撞击方向[((X11+X12)/2,(Y11+Y12)/2,Z2),((X21+X22)/2,(Y21+Y22)/2,Z1)]。
第七，空间碎片穿越4层导电线膜层后，将撞击到压电效应检测层(第5层)上，根据撞击产生的压电信号，可以判断撞击空间碎片的质量m。
尽管上文对本专利的具体设计方式和思路给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。

Claims (8)

1.电阻型的空间碎片探测装置，包括具有顶部开口的探测壳体、第一膜组、第二膜组以及压电效应检测层，其中，第一膜组设置在探测壳体的顶部开口位置处，第二膜组设置在探测壳体内的中间位置，压电效应检测层位于探测壳体内的底部，其中，第一膜组与第二膜组结构相同，且分别由两层聚合物薄膜叠置而成，每层聚合物薄膜都在聚合物薄膜上镀制有等间距的平行金属导电线且相邻膜层之间的金属导电线是相互垂直的，形成正方形的格子密排结构，其中，聚合物薄膜为有机聚合物薄膜，有机聚合物薄膜的厚度为25微米-50微米。
2.如权利要求1所述的空间碎片探测装置，其中，所述有机聚合物薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜或聚酯薄膜或者以其为基体的各类改性聚合物薄膜。
3.如权利要求1所述的空间碎片探测装置，其中，金属导电线彼此之间的间距为30微米至70微米。
4.如权利要求1所述的空间碎片探测装置，其中，金属导电线通过磁控溅射法或涂覆法在聚合物薄膜上进行制备。
5.如权利要求1所述的空间碎片探测装置，其中，金属导电线的宽度为微米量级，且金属导电线的材质为铜、铝或铂。
6.利用权利要求1-5任一项所述的电阻型的空间碎片探测装置进行空间粒子探测的方法，包括以下步骤：
1）当空间碎片撞击到空间碎片探测装置并穿过第一膜组后，将分别在面对空间碎片进入方向上的第一层、第二层两层膜中穿过，切断两层膜中对应位置的金属导电线，根据金属导电线通电性能的变化计算在膜层二维方向上空间碎片穿过的位置和大小，得到空间碎片穿过的中心点为[（X11+X12）/2, （Y11+Y12）/2]；
2）当空间碎片进一步击穿第二膜组后，根据第三膜层和第四膜层中导电线通电性能的变化，计算在第三膜层和第四膜层击穿的位置和大小，得到空间碎片穿过第3和第4膜层的中心点为[（X21+X22）/2, （Y21+Y22）/2]；
3）将空间碎片击穿第一膜层和第二膜层的时间与击穿第三膜层和第四膜层的时间进行对比，计算出空间碎片击穿膜层的速度；
4）由空间碎片击穿第一膜层和第二膜层的位置与击穿第三膜层和第四膜层的位置，得到空间碎片的撞击方向[(（X11+X12）/2, （Y11+Y12）/2,Z2),(（X21+X22）/2, （Y21+Y22）/2,Z1)]；
5）空间碎片穿越第一膜组和第二膜组的导电线膜层后，将撞击到压电效应检测层上，根据撞击产生的压电信号，确定出撞击空间碎片的质量。
7.如权利要求6所述的方法，其中，压电效应检测层采用聚偏二氟乙烯（PVDF）传感器或压电陶瓷（PZT）传感器。
8.如权利要求6所述的方法，其中，压电信号与空间碎片的质量关系预先通过地面模拟试验获得。
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