0 引 言
太阳帆板驱动机构（Solar Array Drive Assembly，SADA）的作用是驱动航天器太阳能电池阵列转动，以求最大效率获得太阳能，其内部通过导电滑环实现功率的传输[1]。
目前，国内外学者对于磨屑运动的研究多采用扫描电子显微镜（SEM）对实际工况下跑合出的磨屑进行形貌和大小上的观察[7]，在滑环磨屑的产生规律及特征上已经取得了较为统一的成果与结论[8]，但基于滑环跑合平台对磨屑产生后的动力学行为研究较为匮乏，缺少明确的实验结论。对金属微粒的迁移研究主要是气体绝缘装备（GIS/GIL）中的金属微粒与绝缘介质碰撞的粒子动力学，揭示了微米级金属微粒在范德华力和电场作用下的动力学特性及吸附规律[9-10]。Sakai等[11]和Ari等[12]建立了导电粒子的详细动力学模型，考虑了电极板上的涂层膜、颗粒形状等（板材、球形、圆柱形等），以及颗粒启动位置、传输线路电压、绝缘介质形状等影响因素。然而，金属带电颗粒在真空、微重力和深层充电电场作用下的动态行为尚未得到充分研究。
本文通过建立滑环模型并开展磨屑运动仿真模拟，研究了带电磨屑迁移运动的理论规律。以在轨试验结果为基准，验证了仿真分析中磨屑颗粒运动轨迹的合理性，进一步得出磨屑颗粒的迁移规律。
1 试验设置与模拟方法
1.1 试验设置
1.1.1 在轨观测试验设置
电刷-滑环机构磨屑在轨长期迁移成像试验项目是空间站试验舱首批舱内技术试验之一，目的是为了研究导电环磨屑在真空、失重以及复杂电磁场环境作用下的运动规律，为导电环的优化设计提供理论支撑和试验依据，进而提高空间机电产品的可靠性和寿命。
试验装置由北京控制工程研究所研制，主要由驱动控制系统、导电滑环子样、成像系统等组成，如图1 所示。
试验装置中，驱动控制系统负责提供旋转动力以模拟导电环在实际工作环境中的运动，包括步进电机、直齿轮、霍尔传感器、轴系等组件，能够精确地控制并记录滑环子样的转速、圈数和转动状态；导电滑环子样包括导电环体以及与之配合的接触部件电刷，其摩擦对材料和设计状态可基本覆盖目前国内已在轨使用导电环种类的60%；成像系统包括可见光相机、红外相机以及图像处理线路、照明光源等，负责拍摄和记录试验过程中磨屑产生和迁移运动的现象。图2 为磨屑试验装置中子样区1内部的结构示意图。
1.1.2 导电环仿真模型设置
1.2 模拟方法
1.2.1 绝缘介质电子输运和沉积模型
金属屏蔽会阻挡绝大部分高能电子，但仍有一部分电子会穿透金属屏蔽，最后沉积在绝缘介质和贵金属环道中，沉积在绝缘介质中的高能电子会通过与贵金属环道连通形成的泄放通道进行泄放。航天器驱动滑环的深层充电过程分为高能电子在静电力作用下的减速沉积和在电场力作用下的泄放。本文主要采用蒙特卡罗法模拟高能电子的入射沉积过程，采用有限元法模拟电子的输运过程。
表 1 电子输运与沉积模型公式Table 1 Formulas for electronic transport and sedimentation models |
| 序号 | 计算表达式 | 参量 |
| （1） | T为辐射模拟时间，单位为s；Ne为模拟粒子数；Ji为辐射电子通量，单位为A∙m−2；Ai为辐射电子源面积，单位为m2；EG4为单位路径上的能量沉积，单位为MeV；A为分块的面积，单位为m2；ρm为聚酰亚胺介质密度，单位为kg∙m−3；x为分块厚度，单位为m；NG4为沉积电子数量；eQ为电子电量（1.6×10−19 C）；J为介质内传导电流密度和位移电流密度之和；E为电场强度，单位为V/m；σ是介质电导率，单位为S/m；U为电位，单位为V | |
| （2） | ||
| （3） | ||
| （4） | ||
| （5） | ||
| （6） |
有机介质在受到高能电子辐射时，其电导率会有明显的增加，辐射诱导电导率和辐射剂量率$ \dot{D} $ 有关。当有机绝缘介质内的电场和温度发生变化时，其电导率也会出现相应的变化，因此空间绝缘介质的电导率由本征电导率和辐射诱导电导率组成，其计算公式为[13]：
式中，σr为辐射诱导电导率；σ0为本征电导率，主要受电场和温度的影响。
σr和σr的计算表达式为[15]：
式中，kRIC为与材料性质相关的常量，单位为S∙m−1∙rad−1∙s；Δ与材料自身的性质相关，取值范围在0.5~1之间；k为玻尔兹曼常数；β由介质的介电常数决定；T为温度，单位为K；δ为电子在介电晶格之间的跳跃距离，一般为1 nm；A为介质在293 K环境温度下的电导率；Ea为聚酰亚胺介质激发能，一般为1 eV。
1.2.2 磨屑颗粒受力模型
SADA内的磨屑颗粒受到电场力、库仑力、洛伦兹力、微粒间的范德华力，具体公式由表2 中式（11）~式（14）给出。由于导电滑环工作在空间环境中，磨屑颗粒只受到微重力的作用。当磨屑颗粒与边界碰撞时，设置了冻结边界，因此在此仿真计算中不考虑附着力。
表 2 磨屑颗粒受力分析公式Table 2 Formulas for force analysis of abrasive particles |
| 序号 | 计算表达式 | 参量 |
| (11) | K为静电力常量，单位为N·m2/C；q为带电粒子的电荷量，C；E为电场强度，单位为V/m；v电子粒子的速度，单位为m/s；B为磁感应强度，单位为T；X、Y由原子性质决定。 | |
| (12) | ||
| (13) | ||
| (14) |
2 磨屑迁移运动仿真分析
2.1 磨屑电荷量的理论计算
磨屑颗粒从电刷部分产生，当接触滑道表面后，会通过接触带有极性的滑道表面出现电荷的传导，从而带有电性。磨屑颗粒是金属导体，在接触滑道时，由于滑道的电位为正，正电荷会传导并均匀分布在磨屑颗粒的表面。因此可以通过公式获得单个球形颗粒在滑道表面因传导所获得的荷电量Qsphere[15]：
式中，ε0为真空介电常数8.85×10−12 F/m；E0为球形颗粒所在的电场强度，单位为V/m；D为球形颗粒粒径，单位为m。
若磨屑形状接近于片状，则通过式（16）计算出聚集在导电滑道表面因传导电荷所获得的荷电量Qslice[16]：
式中，a为片状颗粒的短半轴长，单位为m；b为片状颗粒的长半轴长，单位为m；Qslice为片状磨屑颗粒荷电量，单位为C。
参考滑环内部电磁场仿真计算结果，滑道表面电场取5×103 V/m，通过传导电荷计算公式计算0~100 μm磨屑颗粒的带电量如图4 所示。
2.2 静电场下磨屑迁移运动仿真
2.2.1 滑环电势、电场、磁场分布仿真
电滑环电磁场分布的仿真结果如图5 、图6 和图7 所示。由图5 可以观察到，滑环的上盘面电势较高，最大电势为100 V，且这一电势值出现在上盘面滑道表面，下盘面的电势较低，基本保持在0 V，因此滑环的电势在0~100 V的区间内变化。
图 5 滑环截面电势分布情况Fig.5 Distribution of potential at the cross-section of the slip ring |
图 6 滑环截面电场分布情况Fig.6 Distribution of electric field at the cross-section of the slip ring |
从图6 中可知，导电滑环内部电场最大值约为2.65×104 V/m，出现在内外侧滑道与绝缘介质的交接处，并且随着与滑道的距离变远，电场强度逐渐减弱；同时可以较为直观地发现，绝缘介质挡板两侧的电场强度远远大于周围的电场强度。由于最内侧和最外侧滑道局部电场更强，磨屑颗粒受局部电场的影响将会更为显著，所以本文中运动迁移仿真分析的对象选择处于最外侧滑道处的磨屑颗粒。
从图7 中可以看出，导电滑环内部的最大磁感应强度为2.03 T，位于电刷与滑环滑道电接触区域，且较大的磁感应强度仅局限于较小的范围内。上盘面滑道表面的磁感应强度波动较大，但其他大部分位置的磁感应强度约为10−2 T，磁感应强度波动的幅度较小。
2.2.2 滑环内部磨屑迁移运动仿真
本文对导电滑环内磨屑运动迁移特性进行仿真计算分析，设置了如下初始条件：磨屑颗粒的形貌设置为球形，磨屑的粒径设定为55 μm，根据第2.1.2节的内容，磨屑电荷量为4000 e。由于最内侧和最外侧滑道表面上的磨屑颗粒受局部电场的影响较为显著，故磨屑颗粒的位置设定为上盘面的最外侧滑道表面。同时，磨屑颗粒所受的电场力和磁场力基于上述仿真计算获得的电场和磁场分布进行设置。
磨屑迁移运动仿真结果如图8 所示，由于上盘面滑道处电极带有正极性，而滑道上方的金属屏蔽结构接地，所以带正电的磨屑颗粒受电场力作用，大部分都运动至导电滑环屏蔽内侧，出现堆积现象。然而，也有少部分磨屑颗粒静止在滑道表面，这主要是由于局部电场梯度导致磨屑颗粒受向下作用力的影响。磨屑颗粒的运动轨迹表明，电场是影响其运动的主要因素。
由图8 还可知，在电磁场作用下，大多数磨屑颗粒在从滑道表面运动至导电滑环屏蔽内侧的过程中，其运动速度低于10−3 m/s。仅有电刷附近的少量磨屑颗粒可以达到最大速度3.92×10−3 m/s，这说明电刷会对少部分磨屑运动造成影响。
因此，本文对电刷附近的磨屑运动进行了研究，并对滑环结构进行了简化分析。在仿真过程中，设置磨屑的初速度为v=0 m/s，磨屑的放置位置和运动情况如图9 所示。仿真结果显示，电刷附近的磨屑颗粒呈现出两种主要的运动趋势：一部分磨屑颗粒运动至上屏蔽的内侧，另一部分则移动到绝缘挡板的侧面。这表明电刷周围的电磁场分布对磨屑颗粒的运动具有显著影响。进一步研究这些运动趋势可以帮助优化滑环结构设计，从而减少磨屑堆积对滑环性能的影响。
2.3 电子辐照环境和静电场联合作用下磨屑迁移运动仿真
导电滑环经过高能电子辐照得到电场和电势的分布情况如图10 所示。从图10 电场分布图可以看出，在1 mm铝壳的屏蔽下，航天器导电滑环内部存在着明显的电场畸变，最大电场强度为3.7×108 V/m，超过绝缘介质的放电阈值，存在放电发生的可能性，且最大值出现在“三结合”（绝缘介质、电极和真空）点处。原因是沉积在聚酰亚胺绝缘挡板中的电子会选择与接地点电阻最小的通路进行泄放，而绝大部分沉积的电子距离贵金属环道上边缘更近，所以相比于通过真空或聚酰亚胺材料到达接地金属屏蔽这条路径来说，通过铜质电极到达接地的下盘面是更容易泄放的路径，于是电子在铜质电极上边缘与绝缘挡板的夹角处形成电荷的积聚。因此最大电场出现在“三结合”点处。
由图10 电势分布图可知，电子辐照下导电滑环内部电势的最小值为−2.32×105 V，出现在导电滑环绝缘挡板的上表面。在绝缘挡板中心区域，由于沉积电子的数量随着深度的增加而逐渐减少，电势的绝对值随着深度的增加而逐渐降低。在绝缘挡板内部，电势表现出“U”形分布的特点，这是由于沉积在绝缘挡板中心区域的电子相较于沉积在两侧的电子具有更远的泄放距离。
在图6 和图10 所示的联合电场作用下，磨屑的运动轨迹如图11 所示。仿真发现，在联合电场作用下部分磨屑迁移至金属屏蔽的内侧，但更多的磨屑运动至绝缘挡板的侧面。这种迁移路径表明，联合电场的影响使得磨屑更易向绝缘挡板侧面运动和聚集，提高了滑道间放电的风险。
3 磨屑颗粒在轨运动观测
3.1 磨屑迁移运动现象分析
磨屑试验装置自2022年11月17日启动试验，至今已经安全运行了两年多，数据传输正常，试验按照预期正常进行。截至目前，子样区1内的导电滑环已运行20万转，等效低轨运转约35年。
由理论分析与上述仿真分析可知，带电磨屑受到电子辐照电场与静电场的复合电场力，会向绝缘挡板侧面移动，出现磨屑堆积现象；磨屑在绝缘挡板侧面堆积的现象首先在最外侧滑道产生，之后在次外侧滑道产生，且最外侧滑道磨屑量远多于次外侧滑道磨屑量，原因是最外侧滑道电场畸变更强，带电磨屑受到更强的电场力，滑道中的磨屑更快地向绝缘挡板迁移。
3.2 在轨试验与仿真研究的对比分析
总结在轨试验现象与仿真研究结果后，本文将两者进行对比，并进行以下分析。
在轨试验与仿真结果相互印证，证明带电磨屑会向绝缘挡板侧面移动和聚集；最外侧滑道的电场畸变更为严重，导致磨屑的迁移运动更为明显。
仿真研究结果显示，磨屑不仅在绝缘挡板侧面聚集，还会在上金属屏蔽层聚集，而在轨试验无法观测到子样区箱体的上金属屏蔽层是否有磨屑堆积现象；在轨试验还观测到有磨屑聚集在环道磨痕处，仿真分析对这方面的研究还较为缺乏。
对比两者结果，可以揭示磨屑迁移运动规律，为导电环环间绝缘的研究提供基础，也为之后的磨屑迁移运动研究带来了启发。
4 结 语
（1）静电场下，大部分磨屑运动至导电滑环屏蔽内侧，出现堆积现象，少部分磨屑颗粒静止在滑道表面，电场是影响其运动的主要因素。
（2）在电子辐照环境与静电场联合作用下，少部分磨屑向金属屏蔽迁移，但更多的磨屑向绝缘挡板侧面聚集，与静电场单一作用相比较，发现电子辐照环境会促使磨屑向绝缘挡板侧面移动和聚集，提高滑道间放电的风险。
（3）通过空间站磨屑在轨试验研究，首次直接观测到空间微重力条件下电刷-滑环机构磨屑的迁移运动现象，结果证实：导电环正常工况下，磨屑聚集现象更易在最外侧滑道发生，且聚集位置在绝缘挡板侧面。由此证明以上仿真分析的合理性，为磨屑迁移运动的研究提出了新的研究方法，为提高导电环工作可靠性提供了理论基础。