一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，首先，建立航天器結(jié)構(gòu)的三維模型，能夠直觀地對同步軌道航天器表面介質(zhì)材料充電電位進(jìn)行模擬，其次，在滿足雙麥克斯韋分布的帶電粒子環(huán)境中加入二次電子和光電子，模擬獲得航天器表面的充電電位分布和航天器平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系，且通過網(wǎng)格劃分程度來實現(xiàn)想要的計算精度，模擬過程簡單，易實現(xiàn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)同步軌道等離子體環(huán)境下任意三維航天器結(jié)構(gòu)的模擬。
【專利說明】一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及任意結(jié)構(gòu)地球同步軌道航天器表面任意介質(zhì)材料的充電電位計算,屬于空間計算領(lǐng)域，具體涉及一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地球同步軌道(GEO)高度約為6個地球半徑，一般情況下，整個軌道貫穿太陽風(fēng)的高能電子離子云(常引起地磁亞暴)、外范艾倫輻射帶以及地球陰影區(qū)的低能高密度的等離子體環(huán)境。由于同步軌道貫穿的區(qū)域不同，而不同區(qū)域等離子體的能量和溫度存在巨大差異，從而形成了同步軌道航天器極其嚴(yán)酷的充電環(huán)境。
[0003]地球同步軌道附近區(qū)域的高能等離子體可以使航天器表面電勢充至上千伏甚至更高。地球同步軌道的航天器充電一般發(fā)生在其浸沒于地磁亞暴期間的等離子體云中時，這些等離子體云的粒子(數(shù))密度為IO6?IOV3 (IO6?IO7單位每立方米)，能量為I?50keV。計算時，航天器周圍環(huán)境的高能等離子體束流通常是用雙麥克斯韋分布函數(shù)來擬合。地磁亞暴典型地每幾個小時就發(fā)生一次，因此航天器在地球同步軌道出現(xiàn)數(shù)十千伏的帶電情況是很頻繁的。由于航天器表面材料的光照條件、幾何形狀和介電常數(shù)等不同，地磁亞暴環(huán)境中處于向光面和背光面的航天器兩側(cè)會產(chǎn)生電位差，當(dāng)該電位差達(dá)到或超過航天器材料擊穿閾值后，便會在航天器材料表面產(chǎn)生靜電放電(ESD)。同時，放電產(chǎn)生的電磁脈沖會干擾航天器通訊和星上電子設(shè)備的運行。
[0004]目前國際上已有一些在使用的航天器表面充電模擬方法，例如美國NASA的表面充電模擬方法和ESA的航天器等離子體相互作用模擬方法，這些模擬方法原理相似，只是在使用和功能上有些差別，但這些模擬方法的核心代碼未公開而且模擬精度無法評估。國內(nèi)在這方面的研究很少，現(xiàn)有的模擬方法誤差較大，大部分采用一維或二維進(jìn)行模擬，且同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位的模擬還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，首先，建立航天器結(jié)構(gòu)的三維模型，能夠直觀地對同步軌道航天器表面介質(zhì)材料充電電位進(jìn)行模擬，其次，在滿足雙麥克斯韋分布的帶電粒子環(huán)境中加入二次電子和光電子，模擬獲得航天器表面的充電電位分布和航天器平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系，且通過網(wǎng)格劃分程度來實現(xiàn)想要的計算精度，模擬過程簡單，易實現(xiàn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)同步軌道等離子體環(huán)境下任意三維航天器結(jié)構(gòu)的模擬。
[0006]一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，包括下列步驟:
[0007]步驟一、按實際比例建立同步軌道航天器的結(jié)構(gòu)模型，所述結(jié)構(gòu)模型包括航天器主體、太陽能電池板和通訊天線；
[0008]步驟二、設(shè)置航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的表面材料，且所有表面材料的初始電勢設(shè)置為OV;將所述航天器主體與通信天線接觸的一側(cè)定義為向光側(cè)，相對側(cè)為背光側(cè)，在航天器主體的背光面設(shè)置一層厚度為Cl1的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton，其它面設(shè)置一層厚度為d2的ITO導(dǎo)電薄膜，所述太陽能電池板向光面設(shè)置一層厚度為d3的玻璃片，其他面設(shè)置一層厚度為d4的碳纖維結(jié)構(gòu)材料；所述通訊天線的各個面設(shè)置一層厚度為d5的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton ；
[0009]步驟三、根據(jù)實際空間中的等離子體環(huán)境的粒子數(shù)密度分布ξ，構(gòu)建同步軌道航天器周圍的等離子體環(huán)境，所述等離子體環(huán)境為六種帶電粒子，具體包括低能電子、低能離子、高能電子、高能離子、二次電子和光電子，其中，所述低能電子和低能離子滿足單麥克斯韋分布，所述的高能電子和高能離子滿足雙麥克斯韋分布，所述的二次電子和光電子，所述的二次電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布在航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的所有表面，光電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布于航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的向光面，兩種粒子的運動方向初始垂直面向外；
[0010]步驟四、對步驟三獲得的等離子體環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中每個網(wǎng)格體元為小于一個德拜長度的預(yù)設(shè)長度L，根據(jù)粒子數(shù)密度分布ξ和每個網(wǎng)格體元的長度獲得每個網(wǎng)格體元的初始粒子數(shù)密度分布ξ C1，根據(jù)麥克斯韋速度分布設(shè)置每個的帶電粒子的初始速度，設(shè)定模擬時間T和步進(jìn)時間t ；
[0011]步驟五、在模擬時間T內(nèi)，對每個帶電粒子的運動進(jìn)行跟蹤，獲得步進(jìn)i次后每個網(wǎng)格體元的粒子數(shù)密度分布Iii,并由泊松方程獲得整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢\ ;
[0012]步驟六、當(dāng)?shù)入x子體環(huán)境的充電電勢Λ V=V1-Vp1達(dá)到預(yù)設(shè)閾值M時，充電電勢Vi即為等離子體環(huán)境的最終充電平衡電勢，進(jìn)而獲得航天器的各個面的充電電位分布。
[0013]較佳的，步驟三中的二次電子，包括離子撞擊產(chǎn)生二次電子、電子撞擊產(chǎn)生二次電子和背散射電子。
[0014]較佳的，步驟二中的屯、d2、d3、d4、d5分別為0.05mm。
[0015]較佳的，步驟四中的每個網(wǎng)格體元的長度L根據(jù)所需計算精度和總模擬時間T確定。
[0016]較佳的，所述航天器結(jié)構(gòu)的表面材料從預(yù)先建立的表面材料庫中導(dǎo)入。
[0017]進(jìn)一步的，根據(jù)步進(jìn)時間t和步驟五獲得的整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢，還獲得航天器的平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系；所述平均表面電勢為航天器所有表面的電勢的算術(shù)平均值。
[0018]有益效果:
[0019]I)首先，在等離子環(huán)境中加入二次電子和光電子成分，將航天器所在空間環(huán)境的光照產(chǎn)生的光電子和高能粒子撞擊航天器產(chǎn)生的二次電子考慮在內(nèi)能夠更真實的模擬同步軌道航天器的空間環(huán)境，進(jìn)而考察到二次電子和光電子的充電電流對航天器表面電勢的影響。
[0020]其次，通過雙麥克斯韋分布來描述地球同步軌道的高能帶電粒子的分布，可以更接近真實的航天器周圍等離子體環(huán)境的分布，為航天器表面的充電電位計算的正確性提供基本的保障。
[0021]再次，對等離子環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，每個網(wǎng)格體元的長度小于一個德拜長度保證了數(shù)值計算過程的穩(wěn)定性，使得計算結(jié)果收斂從而實現(xiàn)電勢的模擬。[0022]2)本發(fā)明較佳的實施例中加入的二次電子，包括離子撞擊產(chǎn)生二次電子、電子撞擊產(chǎn)生二次電子和背散射電子，這樣能夠更真實的反映航天器所在空間環(huán)境，模擬更加真實。
[0023]3)本發(fā)明較佳實施例的步驟二中的“(^、山、‘分別為0.05mm，較符合實際材料厚度，滿足模型計算要求。
[0024]5)本發(fā)明的較佳實施例的步驟四中的每個網(wǎng)格體元的長度L可以根據(jù)所需計算精度確定。在小于一個德拜長度的基礎(chǔ)上，長度越短，計算出的結(jié)果越精確，但總的模擬時間就越長，通過優(yōu)化網(wǎng)格體元的長度L可以實現(xiàn)所要求的計算精度。。
[0025]6)本發(fā)明較佳的實施例的航天器結(jié)構(gòu)的表面材料從預(yù)先建立的表面材料庫中導(dǎo)入，通過預(yù)先建立空間常用材料數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)值模擬時直接調(diào)用，特別是在進(jìn)行多批次同步軌道航天器表面介質(zhì)材料充電電位計算時，不用每次都手工輸入，節(jié)省整個數(shù)值模擬的時間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為地球同步軌道航天器的結(jié)構(gòu)模型和等離子體環(huán)境示意圖；
[0027]圖2為航天器的表面介質(zhì)材料的充電電位分布；
[0028]圖3為航天器的平均表面電勢隨時間的變化。
具體實施方 式
[0029]下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0030]本發(fā)明提供了一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，
[0031]一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，包括下列步驟:
[0032]步驟一、按實際比例建立同步軌道航天器的結(jié)構(gòu)模型，所述結(jié)構(gòu)模型包括航天器主體、太陽能電池板和通訊天線，如圖1所示。
[0033]本實施例航天器主體為立方體，邊長為0.7m ;太陽能電池板長寬分別為4m和0.7m,厚0.1m ;通訊天線為拋物面，半徑0.25m,厚0.lm。
[0034]步驟二、設(shè)置航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的表面材料，且所有表面材料的初始電勢設(shè)置為OV ;將所述航天器主體與通信天線接觸的一側(cè)定義為光照射側(cè)，相對側(cè)為背光側(cè)，在航天器主體的背光面設(shè)置一層厚度為Cl1的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton，其它面設(shè)置一層厚度為d2的ITO導(dǎo)電薄膜，所述太陽能電池板向光面設(shè)置一層厚度為d3的玻璃片CERS，其他面設(shè)置一層厚度為d4的碳纖維結(jié)構(gòu)材料；所述通訊天線的各個面設(shè)置一層厚度為d5的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton, Kapton材料的相對介電常數(shù)和表面電容分別為3和5.3X10_7F.m_2，光照方向如圖1所示，為z軸負(fù)方向。
[0035]本發(fā)明較佳的實施例的航天器結(jié)構(gòu)的表面材料從預(yù)先建立的表面材料庫中導(dǎo)入，通過預(yù)先建立空間常用材料數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)值模擬時直接調(diào)用，特別是在進(jìn)行多批次同步軌道航天器表面介質(zhì)材料充電電位計算時，不用每次都手工輸入，節(jié)省整個數(shù)值模擬的時間，屯、d2、d3、d4、d5分別為0.05mm,較符合實際材料厚度,滿足模型計算要求。
[0036]步驟三、根據(jù)實際空間中的等離子體環(huán)境的粒子數(shù)密度分布ξ，構(gòu)建同步軌道航天器周圍的等離子體環(huán)境，所述等離子體環(huán)境為六種帶電粒子，具體包括低能電子、低能離子、高能電子、高能離子、二次電子和光電子，其中，所述低能電子和低能離子滿足單麥克斯韋分布，所述的高能電子和高能離子滿足雙麥克斯韋分布，所述的二次電子和光電子，所述的二次電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布在航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的所有表面，光電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布于航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的向光面，兩種粒子的運動方向初始垂直面向外。
[0037]本實施例中在等離子環(huán)境中加入二次電子和光電子成分，二次電子，包括離子撞擊產(chǎn)生二次電子、電子撞擊產(chǎn)生二次電子和背散射電子，將航天器所在空間環(huán)境的光照產(chǎn)生的光電子和高能粒子撞擊航天器產(chǎn)生的二次電子考慮在內(nèi)能夠更真實的模擬同步軌道航天器的空間環(huán)境，進(jìn)而考察到二次電子和光電子的充電電流對航天器表面電勢的影響。
[0038]步驟四、對步驟三獲得的等離子體環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中每個網(wǎng)格體元為小于一個德拜長度的預(yù)設(shè)長度L，根據(jù)粒子數(shù)密度分布ξ和每個網(wǎng)格體元的長度獲得每個網(wǎng)格體元的初始粒子數(shù)密度分布ξ C1，根據(jù)麥克斯韋速度分布設(shè)置每個的帶電粒子的初始速度，設(shè)定模擬時間T和步進(jìn)時間t。
[0039]地球同步軌道的背景等離子體的德拜長度約為330m，本實施例的橢球形等離子體區(qū)域長半軸長7m，短半軸長4m，在小于一個德拜長度的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化網(wǎng)格體元的長度L，可獲得符合誤差要求的航天器主體表面充電電位分布。一般情況下，每個網(wǎng)格體元接近規(guī)則形狀，所述的每個網(wǎng)格體元的長度L為最長的體對角線的長度，其小于德拜長度即可。實際中，由于劃分的網(wǎng)格越細(xì)，計算時間越長，一般根據(jù)實際計算時間對網(wǎng)格進(jìn)行劃分。本實施例的每個網(wǎng)格體元的預(yù)設(shè)平均長度L為0.7m,模擬時間T為105s，步進(jìn)時間t為0.0002s。
[0040]根據(jù)等離子區(qū)域的體積和離子數(shù)密度可以得出在等離子體區(qū)域中的帶電粒子數(shù)，為了簡化計算，我們用大的帶電粒子代表實際空間等離子體中的小的帶電粒子，如用一個50電荷的大粒子代表10個5電荷的小粒子，如果大帶電粒子的個數(shù)S，則將麥克斯韋速度分布曲線劃分成S份，將S份的速度值分別設(shè)置為S個大帶電粒子的初始速度。
[0041]步驟五、在模擬時間T內(nèi)，對每個帶電粒子的運動進(jìn)行跟蹤，獲得步進(jìn)i次后每個網(wǎng)格體元的粒子數(shù)密度分布Iii,并由泊松方程獲得整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢V
[0042]由于網(wǎng)格節(jié)點處分配的電荷會產(chǎn)生電場，各個帶電粒子在電場作用下，產(chǎn)生加速度運動，進(jìn)而使得粒子數(shù)密度重新分布。通過對每個帶電粒子的運動進(jìn)行跟蹤，獲得每次步進(jìn)后，每個網(wǎng)格體元內(nèi)的粒子數(shù)密度分布情況，根據(jù)每個網(wǎng)格體元的粒子數(shù)密度利用泊松方程就可以獲得每次步進(jìn)后的充電電勢情況。其中i為步進(jìn)次數(shù)，每次步進(jìn)時間t。
[0043]步驟六、當(dāng)?shù)壬凶芋w環(huán)境的充電電勢AV=V1-Vp1達(dá)到預(yù)設(shè)閾值M時,充電電勢Vi即為等離子體環(huán)境的最終充電平衡電勢，進(jìn)而獲得航天器的各個面的充電電位分布，如圖2所示，為航天器主體背光面的充電電位分布。
[0044]當(dāng)步進(jìn)到1-Ι次獲得的充電電勢和步進(jìn)到i次時獲得的充電電勢的差值達(dá)到預(yù)設(shè)閾值M時，此時的充電電勢可以作為最終充電平衡電勢，通過等離子體的最終充電平衡電勢，就可以得出航天器結(jié)構(gòu)模型的各個面的最終充電電位分布。
[0045]此外，預(yù)設(shè)閾值M越小，越接近實際的最終充電分布，本實施例中的預(yù)設(shè)閾值M為10V。[0046]進(jìn)一步的，根據(jù)步進(jìn)時間t和步驟五獲得的整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢，還獲得航天器的平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系；所述平均表面電勢為航天器所有表面的電勢的算術(shù)平均值。還獲得航天器的平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系，所述平均表面電勢為每種類型材料表面的電勢的算術(shù)平均值，如圖3所示，為航天器平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系，計算終止的時間為6.3X 104s，在IXlO4S時充電電位的變化已經(jīng)很平緩，我們可以認(rèn)為航天器已經(jīng)達(dá)到充電平衡狀態(tài)。相比于低地球軌道航天器的典型的充電平衡時間10_4s，同步軌道航天器充電時間要長得多，這是因為同步軌道航天器表面充電主要是來自地磁亞暴注入的高能電子引起的，而高能電子具有低密度(< IcnT3)的特點，因此航天器表面充電時間會持續(xù)幾個小時。
[0047]綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，包括下列步驟: 步驟一、按實際比例建立同步軌道航天器的結(jié)構(gòu)模型，所述結(jié)構(gòu)模型包括航天器主體、太陽能電池板和通訊天線； 步驟二、設(shè)置航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的表面材料，且所有表面材料的初始電勢設(shè)置為OV;將所述航天器主體與通信天線接觸的一側(cè)定義為向光側(cè)，相對側(cè)為背光偵牝在航天器主體的背光面設(shè)置一層厚度為Cl1的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton，其它面設(shè)置一層厚度為d2的ITO導(dǎo)電薄膜，所述太陽能電池板向光面設(shè)置一層厚度為d3的玻璃片，其他面設(shè)置一層厚度為d4的碳纖維結(jié)構(gòu)材料；所述通訊天線的各個面設(shè)置一層厚度為d5的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)材料Kapton ； 步驟三、根據(jù)實際空間中的等離子體環(huán)境的粒子數(shù)密度分布ξ，構(gòu)建同步軌道航天器周圍的等離子體環(huán)境，所述等離子體環(huán)境為六種帶電粒子，具體包括低能電子、低能離子、高能電子、高能離子、二次電子和光電子，其中，所述低能電子和低能離子滿足單麥克斯韋分布，所述的高能電子和高能離子滿足雙麥克斯韋分布，所述的二次電子和光電子，所述的二次電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布在航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的所有表面，光電子按照預(yù)設(shè)粒子數(shù)密度分布于航天器主體、太陽能電池板和通訊天線的向光面，兩種粒子的運動方向初始垂直面向外； 步驟四、對步驟三獲得的等離子體環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中每個網(wǎng)格體元為小于一個德拜長度的預(yù)設(shè)長度L，根據(jù)粒子數(shù)密度分布ξ和每個網(wǎng)格體元的長度獲得每個網(wǎng)格體元的初始粒子數(shù)密度分布Ιο，根據(jù)麥克斯韋速度分布設(shè)置每個的帶電粒子的初始速度，設(shè)定模擬時間T和步進(jìn)時間t ； 步驟五、在模擬時間T內(nèi)，對每個帶電粒子的運動進(jìn)行跟蹤，獲得步進(jìn)i次后每個網(wǎng)格體元的粒子數(shù)密度分布Ili,并由泊松方程獲得整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢Vi; 步驟六、當(dāng)?shù)入x子體環(huán)境的充電電勢AV=V1-Vp1達(dá)到預(yù)設(shè)閾值M時，充電電勢Vi即為等離子體環(huán)境的最終充電平衡電勢，進(jìn)而獲得航天器的各個面的充電電位分布。
2.如權(quán)利要求1所述的一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，步驟三中的二次電子，包括尚子撞擊產(chǎn)生二次電子、電子撞擊產(chǎn)生二次電子和背散射電子。
3.如權(quán)利要求1所述的一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，步驟二中的屯、d2、d3、d4、d5分別為0.05mm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，步驟四中的每個網(wǎng)格體元的長度L根據(jù)所需計算精度和總模擬時間T確定。
5.如權(quán)利要求1所述的一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，所述航天器結(jié)構(gòu)的表面材料從預(yù)先建立的表面材料庫中導(dǎo)入。
6.如權(quán)利要求1所述的一種地球同步軌道航天器表面介質(zhì)材料電位模擬方法，其特征在于，根據(jù)步進(jìn)時間t和步驟五獲得的整個等離子體環(huán)境步進(jìn)i次后的充電電勢，還獲得航天器的平均表面電勢隨時間的變化關(guān)系；所述平均表面電勢為航天器所有表面的電勢的算術(shù)平均值。
【文檔編號】G06F17/50GK103853878SQ201310706946
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】趙呈選, 李得天, 楊生勝, 秦曉剛, 陳益峰, 王俊, 湯道坦, 史亮 申請人:蘭州空間技術(shù)物理研究所