CN101276378A - 卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，它包括确定太阳电池阵所处的空间环境参数、太阳阵表面材料特性及结构参数、建立卫星太阳阵表面充电数值模拟模型、对模型进行数值模拟计算、建立卫星太阳阵表面充电电位图五个步骤；它以动态等离子体模型为基础，结合卫星结构及材料表面的特性，利用PIC方法，设计了粒子沉积判断算法和粒子－电流结合的模拟算法，对复杂的航天器结构与空间等离子体带电环境相互作用进行精确的数值分析，大大节约了卫星研制设计成本，可为卫星防护设计提供直接的参考数据，非常适用于航天器表面各种结构材料的充电数值分析。

Description

卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法
技术领域
本发明涉及空间应用技术，具体地说是一种卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法。
背景技术
空间太阳阵一次电源系统作为航天器最重要的有效载荷之一，由于它完全暴露于空间等离子体环境中，容易受到空间带电环境的影响而产生表面充电的问题，引发航天器与空间等离子体相互作用的充放电效应。目前国际上在航天器与空间等离子体相互作用的数值模拟方面，都采用了先进的单元粒子(PIC)方法作为其数值模拟计算方法，单元粒子(PIC)数值分析方法是一种以动态等离子体模型为基础的功能强大的数值计算方法，它能够比较精确地对航天器与空间等离子体之间的互相作用进行分析计算，特别是在处理空间太阳阵这样具有复杂结构的目标方面具有其他同类数值方法无法比拟的优点。ESA/TOS-EMA开发了LEO/PEO(Polar Earth Orbit)轨道的处理航天器等离子体相互作用和电磁效应软件，其中数值计算采用二维PIC方法。由欧洲IRF-K、CNRS-UVSQ/CETP和ESA/TOS-EMA共同开发研制的PicUp3D/Spis航天器与等离子体相互作用模拟软件，它以3D PIC(三维单元粒子法)为基础，在航天器几何形状描述中使用了非结构图形，可用于航天器与等离子体相互作用的精确数值模拟计算，以上模拟计算方法虽能满足计算精度，但模拟计算的时间、过程太长，不利于进一步开展空间太阳阵表面带电方面的研究工作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，它利用PIC方法，根据卫星结构及材料表面特性对表面带电的影响，设计了粒子沉积判断算法和粒子-电流结合算法，并对PIC算法进行了优化，在满足计算精度要求下可将模拟计算时间减少至原来的几十到几百分之一，本发明可直接应用于卫星太阳阵表面充电规律研究，节约了卫星研制设计成本。
实现本发明目的的技术方案是：一种卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，特点包括下列步骤：
1、确定太阳电池阵所处的空间环境参数；
2、确定太阳电池阵表面材料特性、太阳阵结构参数；
3、建立卫星太阳阵表面充电数值模拟模型；
4、对模型进行数值模拟计算；
5、由MATLAB软件建立卫星太阳阵表面充电电位图形。
所述的空间环境参数为电子数密度、电子温度、离子数密度、离子温度。
所述的太阳电池阵表面材料特性为垂直入射最大二次电子发射系数δm和垂直入射最大二次电子发射系数对应能量，太阳阵结构参数为太阳阵表面材料所处位置、厚度和面积。
所述卫星太阳阵表面充电数值模拟模型是以动态的等离子体模型为基础，模拟空间等离子体及太阳阵结构并将其分解成许多小网格单元，由此确定电荷密度和电流，得到太阳阵表面电位分布规律。
所述的模拟计算方法包括以下步骤：
a.根据环境参数确定模拟粒子初始位置和速度分布，设置计算时间与循环计算的时间步；
b.通过描述电磁场演化的Maxwell方程组，求出各网格单元处的电场和磁场，然后由洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；
c.根据模拟粒子所受的力及运动状况，得到粒子速度分布和空间分布；
d.循环进行上述运算直至达到预定时间为止，输出计算出每一个时间段内计算出的电位。
本发明以动态等离子体模型为基础，结合卫星结构及材料表面特性，利用PIC方法，设计了粒子沉积判断算法和粒子-电流结合的模拟算法，它能够对复杂的航天器结构与空间等离子体带电环境相互作用进行精确的数值分析，有效地控制了模拟时间，大大节约了卫星研制设计成本，可为卫星防护设计提供直接的参考数据，非常适用于航天器表面各种结构材料的充电数值分析。
附图说明
附图为本发明的太阳阵表面充电电位图
具体实施方式
参阅附图，本发明按下述步骤进行：
1、确定太阳电池阵所处的空间环境参数
针对地球同步轨道中的太阳阵表面充电电位进行数值模拟，采用GEO轨道恶劣亚暴环境参数其电子温度为12keV，电子密度为1.12×106/m3，离子温度为29.5keV，离子密度为0.236×106/m3。
2、确定太阳电池阵表面材料特性、太阳阵结构参数
太阳能电池阵表面材料包括玻璃盖片和聚酰亚胺(kapton)基底。玻璃盖片最大垂直二次电子发射系数设定为5.6，最大垂直二次电子发射系数对应能量为800eV；Kapton最大二次电子发射系数为1.7，最大垂直二次电子发射系数对应能量为300eV。玻璃盖片面积为0.019×0.019m2。玻璃盖片之间间隙距离为0.001m，间隙材料为kapton。
3、建立卫星太阳阵表面充电数值模拟模型
根据GEO轨道环境特点，太阳阵表面充电数值模拟采用静电模型。根据太阳电池阵所处的空间环境与太阳电池阵表面材料特性、太阳阵结构参数建立卫星太阳阵表面充电数值模拟模型。模型以动态的等离子体模型为基础，模拟空间等离子体及太阳阵结构并将其分解成许多小网格单元。每个网格单元中包含不同数量的带电粒子，根据每个网格单元具体结构、表面材料特性和背景等离子体环境的电场变化规律来确定网格内运动粒子的数量及其运动轨迹，并由此确定电荷密度和电流，最终得到太阳阵表面电位分布规律。
4、对建立的模型进行数值模拟计算
通过跟踪大量电子和离子在电场中的运动来对空间等离子体粒子进行运动模拟，数值模拟计算过程为：
(a)初始化：确定材料参数(包括二次电子发射特性等)及边界条件，根据环境参数确定模拟粒子初始位置和速度分布，设置计算时间与循环计算的时间步。
(b)求解方程：通过Maxwell方程组，求出各网格单元处的电场，然后由洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；
(c)模拟粒子受力及运动：通过模拟粒子所受的力及运动状况，得到粒子速度分布和空间分布。
(d)结束运算：判断是否已到预定时间，若时间已到，则结束，否则，继续循环运算，直至达到预定时间为止，输出计算出的结果，结果包括每一个时间段内计算出的电位。
5、建立太阳阵表面充电电位图
运用MATLAB软件对输出的计算数据进行整理，建立太阳阵表面充电电位图形，根据电位图对卫星太阳阵表面充电规律作出模拟预估。

Claims (5)

1. 一种卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，其特征在于包括下列步骤：
a.确定太阳电池阵所处的空间环境参数；
b.确定太阳电池阵表面材料特性、太阳阵结构参数；
c.建立卫星太阳阵表面充电数值模拟模型；
d.对模型进行数值模拟计算；
e.由MATLAB软件建立电位图，对卫星太阳阵表面充电数值进行模拟预估。
2. 根据权利要求1所述卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，其特征在于所述的空间环境参数为电子数密度、电子温度、离子数密度、离子温度。
3. 根据权利要求1所述卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，其特征在于所述的太阳电池阵表面材料特性为垂直入射最大二次电子发射系数δm和垂直入射最大二次电子发射系数对应能量Em，太阳阵结构参数为太阳阵表面材料所处位置、厚度和面积。
4. 根据权利要求1所述卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，其特征在于所述的卫星太阳阵表面充电数值模拟模型是以动态的等离子体模型为基础，模拟空间等离子体及太阳阵结构并将其分解成许多小网格单元，由此确定电荷密度和电流，得到太阳阵表面电位分布规律。
5. 根据权利要求1所述卫星太阳阵表面充电数值模拟预估的方法，其特征在于所述的模拟进行数值模拟计算包括：
(a)根据环境参数确定模拟粒子初始位置和速度分布，设置计算时间与循环计算的时间步；
(b)通过描述电磁场演化的Maxwell方程组，求出各网格单元处的电场和磁场，然后由洛伦兹力公式求出每个粒子所受的洛伦兹力；
(c)根据模拟粒子所受的力及运动状况，得到粒子速度分布和空间分布；
(d)循环进行上述运算直至达到预定时间为止，并输出计算出每一个时间段内计算出的电位。
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