CN103886149B - 确定卫星外露介质组件带电风险的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定卫星外露介质组件带电风险的方法，根据外露介质组件的三维几何构造以及每种材料的物性参数等，在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的三维剂量率分布和单位时间内电荷沉积密度分布；以输运模拟结果为输入条件，建立并求解描述卫星外露介质组件多种带电效应耦合过程的方程组，获得从充电开始至平衡过程中的介质内部三维电场分布；从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值Emax，根据电场最大值的数值范围，确定卫星外露介质组件的放电风险。本发明的风险程度的判定可用于确定介质组件的安全性以及应对空间等离子体环境的适应能力。在卫星研制过程中，有助于降低成本、周期，提升卫星可靠性。
Description
技术领域
本发明属于航天器的空间带电可靠性确定技术领域，具体来说，涉及一种确定卫星外露介质组件带电风险的方法。
背景技术
在低于地球同步轨道的空间等离子体环境中，能量较高的电子(大于50keV)可以注入卫星外露介质组件较深处，由于介质电导率极低，注入电子不易泄漏，导致介质内部充电，称为深层充电或内带电效应。能量较低的电子(小于50keV)和离子在材料中的射程只有微米量级或者更低，它们只能使得外露介质组件表面层产生充电效应，称为表面带电效应。内带电与表面带电效应统称为带电效应。带电效应会使介质中形成电场，当满足一定的条件时，该电场可超过材料击穿阈值，并可能导致放电，放电可直接损毁临近组件，或者通过电磁脉冲干扰卫星电子系统，从而引起故障。因此，有必要确定特定条件下介质组件的带电风险程度，从而优化介质组件的设计。
内带电与表面带电效应具有显著的区别，利用传统方法确定二者的风险时，均采用完全不同的计算方法，并且分开进行。对于卫星内部组件，由于没有表面带电效应，传统方法可以解决问题。但对于卫星外露介质组件，其表面带电与内带电效应都比较显著，传统方法已不再适用。为此，提供一种能够对卫星外露介质组件带电风险进行确定的方法非常必要。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种可以通过计算空间等离子体环境中卫星外露介质组件内带电与表面带电、结构充电效应耦合形成的三维电场分布而确定其带电风险程度的方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
确定卫星外露介质组件带电风险的方法，包括以下步骤：
1根据外露介质组件的三维几何构造以及每种材料的物性参数、大于50keV电子的通量和能谱、电子入射方式在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的用于计算介质辐射诱导电导率的三维剂量率分布和单位时间内电荷沉积密度分布QJ(x，y，z，t)；
2建立描述卫星外露介质组件多种带电效应耦合过程的方程组，根据上述输运模拟结果，介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数(kp和△)、温度，空间等离子体环境参数，以及介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数，利用COMSOLMultiphysics求解方程组，获得从充电开始至平衡过程中的介质内部三维电场分布；
建立内带电偏微分方程
对于卫星外露组件的内带电过程，结构充电、表面带电的产生是为内带电提供边界电流和浮动电位边界条件，在式(1)中引入了新项Qb(x，y，z，t)|s，建立的内带电偏微分方程如下：
其中，Qb(x，y，z，t)|s为介质表面s上由表面带电引起的边界电流；为电场强度矢量；为全电流密度矢量；σ(x，y，z，t)为介质总电导率，等于辐射诱导电导率与介质电场-温度耦合电导率之和；ui(x，y，z，t)为参考卫星结构地电位的介质主体内部电位；εr为相对介电常数；ε0为真空中的介电常数；
建立表面带电平衡方程
内带电的产生是为表面带电提供体传导电流通道和充电初始电位,表面带电是薄层效应，计算中不需考虑表面带电层的厚度和表面带电层两端之间的电位差，建立的表面带电平衡方程如下：
-Jes(us(x，y，z，t))+Jis(us(x，y，z，t))+Je2s+Jps+Jbs+Jc[Es(x，y，z，t)]＝0 (4)
其中，Jes为介质表面法向电子电流、Jis为离子电流、Je2s为次级电流、Jps为光电子电流、Jbs为背散射电流；us(x，y，z，t)为表面带电形成的介质表面电位；Jc为流向介质主体的传导电流(介质表面法向)；Es(x，y，z，t)为介质表面法向电场强度；
建立结构充电方程
将卫星结构等效为电容，内带电过程为结构地提供充电电流，表面带电形成的等离子体鞘层影响空间带电粒子注入结构地外露部分，建立的结构充电方程如下：
其中，JL(x，y，z，t)为介质主体流向结构地泄漏面(SL)的法向电流密度；SO为结构外露部分表面；Jtp为结构充电电流密度和；up(t)为卫星结构地外露部分充电形成的结构地电位；
将卫星外露介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数(kp和△)和温度代入式(1)、式(2)与式(3)；将空间等离子体环境参数，介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数代入式(4)、式(5)；
利用COMSOLMultiphysics软件建立卫星外露介质组件的三维模型并以此为求解域联立求解代入输入条件的式(1)至式(5)，求解过程中，一次内带电充电到平衡的过程中，包含多次表面充电和结构充电过程，每次迭代首先求解结构充电平衡方程式(5)，然后计算表面充电平衡方程式(4)，最后求解内带电时域动态方程式(1)至式(3)，内带电迭代计算时间步长(s1)的选取以一次表面充电典型平衡时间为准，s1＝n×s2,n＝1,2,3……在每次表面充电过程中，内带电形成的电场和电位不变；
2.从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值(Emax)，按如下规则确定卫星外露介质组件的放电风险：
其中，如果Emax<1×106V/m，则无放电风险；如果1×106≤Emax<1×107V/m，则存在潜在放电风险；如果Emax≥1×107V/m，则有放电风险。
其中，所述物性参数为元素成分或密度。
其中，电子入射方式为各向同性入射或单向入射。
其中，结构充电电流密度和包括电子电流Jep＝Jes、离子电流Jip＝Jis、次级电流Je2p、光电子电流Jpp、背散射电流Jbp。
其中，空间等离子体环境参数为低于50keV电子的通量和能谱以及离子通量与能谱。
其中，s2在0.001至1秒之间。
对于卫星外露介质组件，利用本发明，可以计算出充电过程中及达到平衡之后介质内部精确的三维电场分布，进而可以准确评估放电风险。根据电场分布结果可以确定电场畸变位置，迅速定位介质组件设计的缺陷所在，为优化设计提供指导。风险程度的判定可用于确定介质组件的安全性以及应对空间等离子体环境的适应能力。在卫星研制过程中应用本发明，有助于降低研制成本、周期，提升卫星可靠性。
附图说明
图1为本发明的卫星外露介质组件的带电效应原理图。
图1中：1-空间带电粒子；2-介质表面层；3-介质主体；4-卫星结构地。
图2为本发明的卫星外露介质组件的等效电路图。
图2中：4-卫星结构地；5-表面充电电流注入；6-内带电电流注入；7-卫星结构外露部分充电电流；8-空间零电位；Cs-介质表面层等效电容；Ci-介质主体等效电容；Ri-介质主体等效电阻；Cp-卫星结构等效电容；Us-介质表面带电电位；Up-卫星结构电位。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
参见图1，图1为本发明的卫星外露介质组件的带电效应原理图，其中，本发明的卫星外露介质组件的带电效应是指空间带电粒子在介质中沉积并建立电场和电位的现象。空间带电粒子入射卫星外露介质，部分带电粒子会沉积在介质表面层和介质主体，沉积电荷在电场的作用下会形成电流，并流向卫星结构地。图2为本发明的卫星外露介质组件的等效电路图。本发明的卫星外露介质组件可以等效为如下电路，其中，介质表面层和卫星结构地可以等效为电容，介质主体可等效为电容与电阻并联，3个电容均有空间带电粒子引起的电流直接注入。介质表面层、介质主体、卫星结构地整体呈串联关系。所有电位均以无穷远处空间零电位为参考基准。
介质放电的风险与介质内部最大电场相关，电场越大，风险越大。因此，要确定介质带电风险程度，首先需要计算介质内部三维电场分布。计算介质内部由于带电形成的三维电场分布，首先需要建立合适的描述带电过程的物理模型(如图1)，然后据此建立相应的数学方程，最后根据输入条件(空间等离子体环境参数、介质组件构造与材料、边界条件等)求解方程得到电场分布。在地球轨道空间等离子体环境中，带电粒子的总体分布规律是，不同能量粒子所占比例随着能量增加而减少。因此，内带电与表面带电效应的主要区别：内带电是深注入小电流，充电平衡时间长，在小时数量级；表面带电是浅注入大电流，平衡时间短，在秒量级。内带电和表面带电效应之间的相互作用过程主要体现在两方面：内带电效应使材料体电导率升高，从而改变表面带电效应电流收集模型中的传导电流分量；表面带电建立的电位与电场影响内带电深注入电子的流动。除此之外，卫星结构会有部分外露于空间等离子体中，带电粒子对其也会产生充电效应，从而形成结构电位。引起卫星结构充电的主要是低能带电粒子，与表面带电类似，其充电平衡时间在秒量级。表面充电电位和结构地电位之差会作用于介质主体之上(如图1、图2)，给内带电过程形成一个浮动电位边界。反过来，内带电泄漏电流也会给结构地充电，影响结构地的电位。根据上述关于带电过程的描述，可以建立相应的数学方程。利用商业软件COMSOLMultiphysics求解方程可以得到三维电场分布。
从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值(Emax)，与材料击穿阈值比较可以确定介质放电风险。介质材料击穿阈值一般大于1×107V/m，为取得保守评估结果，选取1×107V/m作为材料击穿阈值。风险程度定义为三种：无放电风险；潜在放电风险；有放电风险。
具体来说如下：
根据外露介质组件详细三维几何构造以及每种材料的物性参数(元素成分、密度)、大于50keV电子的通量和能谱、电子入射方式(如各向同性、单向入射)在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的三维剂量率分布(用于计算介质辐射诱导电导率)和单位时间内电荷沉积密度分布QJ(x，y，z，t)。
建立内带电偏微分方程。对于卫星外露组件的内带电过程，结构充电、表面带电的产生是为内带电提供边界电流和浮动电位边界条件，在式(1)中引入了新项Qb(x，yz，t)|s，建立的内带电偏微分方程如下：
其中，Qb(x，y，z，t)|s为介质表面s上由表面带电引起的边界电流；为电场强度矢量；为全电流密度矢量；σ(x，y，z，t)为介质总电导率，等于辐射诱导电导率与介质电场-温度耦合电导率之和；ui(x，y，z，t)为参考卫星结构地电位的介质主体内部电位；εr为相对介电常数；ε0为真空中的介电常数；
建立表面带电平衡方程。内带电的产生是为表面带电提供体传导电流通道和充电初始电位,表面带电是薄层效应，计算中不需考虑表面带电层的厚度和表面带电层两端之间的电位差，建立的表面带电平衡方程如下：
-Jes(us(x，y，z，t))+Jis(us(x，y，z，t))+Je2s+Jps+Jbs+Jc[Es(x，y，z，t)]＝0 (4)
其中，Jes为介质表面法向电子电流、Jis为离子电流、Je2s为次级电流、Jps为光电子电流、Jbs为背散射电流；us(x，y，z，t)为表面带电形成的介质表面电位；Jc为流向介质主体的传导电流(介质表面法向)；Es(x，y，z，t)为介质表面法向电场强度；
建立结构充电方程。将卫星结构等效为电容，内带电过程为结构地提供充电电流，表面带电形成的等离子体鞘层影响空间带电粒子注入结构地外露部分，建立的结构充电方程如下：
其中，JL(x，y，z，t)为介质主体流向结构地泄漏面(SL)的法向电流密度；SO为结构外露部分表面；Jtp为结构充电电流密度和；up(t)为卫星结构地外露部分充电形成的结构地电位；
将介质的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数(kp)和温度代入式(1)、式(2)与式(3)；将空间等离子体环境参数(低于50keV电子的通量和能谱，离子通量与能谱)，介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数代入式(4)、式(5)。
利用COMSOLMultiphysics软件建立介质三维模型并以此为求解域联立求解代入输入条件的式(1)至式(5)。求解过程中，一次内带电充电到平衡的过程中，包含多次表面充电和结构充电过程。每次迭代首先求解结构充电平衡方程式(5)，然后计算表面充电平衡方程式(4)，最后求解内带电时域动态方程式(1)至式(3)。内带电迭代计算时间步长(s1)的选取以一次表面充电典型平衡时间(s2，在0.001至1之间选取)为准，s1＝n*s2,n＝1,2,3……在每次表面充电过程中，内带电形成的电场和电位不变。
从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值(Emax)，按如下规则确定介质放电风险：
如果Emax<1×106V/m，则无放电风险；
如果1×106≤Emax<1×107V/m，则存在潜在放电风险；
如果Emax≥1×107V/m，则有放电风险。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (5)
1.确定卫星外露介质组件带电风险的方法，包括以下步骤：
1)根据外露介质组件的三维几何结构以及每种材料的物性参数、大于50keV电子的通量和能谱、电子入射方式在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的用于计算介质辐射诱导电导率的三维剂量率分布和单位时间内电荷沉积密度分布QJ(x，y，z，t)；
2)建立描述卫星外露介质组件多种带电效应耦合过程的方程组，根据上述输运模拟结果，介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数kp、温度，空间等离子体环境参数，以及介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数，利用COMSOLMultiphysics求解方程组，获得从充电开始至平衡过程中的介质内部三维电场分布；其特征在于，
a.建立内带电偏微分方程
对于卫星外露组件的内带电过程，结构充电、表面带电的产生是为内带电提供边界电流和浮动电位边界条件，在式(1)中引入了新项Qb(x，y，z，t)|s，建立的内带电偏微分方程如下：
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其中，Qb(x，y，z，t)|s为介质表面s上由表面带电引起的边界电流；为电场强度矢量；为全电流密度矢量；σ(x，y，z，t)为介质总电导率，等于辐射诱导电导率与介质电场-温度耦合电导率之和；ui(x，y，z，t)为参考卫星结构地电位的介质主体内部电位；εr为相对介电常数；ε0为真空中的介电常数；其中，x,y,z表示笛卡尔坐标；t为时间；
b.建立表面带电平衡方程
内带电的产生是为表面带电提供体传导电流通道和充电初始电位,表面带电是薄层效应，计算中不需考虑表面带电层的厚度和表面带电层两端之间的电位差，建立的表面带电平衡方程如下：
-Jes(us(x，y，z，t))+Jis(us(x，y，z，t))+Je2s+Jps+Jbs+Jc[Es(x，y，z，t)]＝0(4)
其中，Jes为介质表面法向电子电流、Jis为离子电流、Je2s为次级电流、Jps为光电子电流、Jbs为背散射电流；us(x，y，z，t)为表面带电形成的介质表面电位；Jc为流向介质主体的传导电流；Es(x，y，z，t)为介质表面法向电场强度；
c.建立结构充电方程
将卫星结构等效为电容，内带电过程为结构地提供充电电流，表面带电形成的等离子体鞘层影响空间带电粒子注入结构地外露部分，建立的结构充电方程如下：
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其中，JL(x，y，z，t)为介质主体流向结构地泄漏面的法向电流密度；SO表示结构外露部分表面；Jtp为结构充电电流密度和；up(t)为卫星结构地外露部分充电形成的结构地电位；Cp为卫星结构等效电容；
d.将卫星外露介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数kp和温度代入式(1)、式(2)与式(3)；将空间等离子体环境参数，介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数代入式(4)、式(5)；
e.利用COMSOLMultiphysics软件建立卫星外露介质组件的三维模型并以此为求解域联立求解代入输入条件的式(1)至式(5)，求解过程中，一次内带电充电到平衡的过程中，包含多次表面充电和结构充电过程，每次迭代首先求解结构充电平衡方程式(5)，然后计算表面充电平衡方程式(4)，最后求解内带电时域动态方程式(1)至式(3)，内带电迭代计算时间步长的选取以一次表面充电典型平衡时间为准，s1＝n×s2,n＝1,2,3……在每次表面充电过程中，内带电形成的电场和电位不变；
3)从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值Emax，按如下规则确定卫星外露介质组件的放电风险：其中，如果Emax<1×106V/m，则无放电风险；如果1×106≤Emax<1×107V/m，则存在潜在放电风险；如果Emax≥1×107V/m，则有放电风险。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物性参数为元素成分或密度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电子入射方式为各向同性入射或单向入射。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，空间等离子体环境参数为低于50keV电子的通量和能谱以及离子通量与能谱。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，s2在0.001至1秒之间。
Priority Applications (1)
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| CN201410100791.5A CN103886149B (zh) | 2014-03-18 | 2014-03-18 | 确定卫星外露介质组件带电风险的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| 基于Geant4的介质深层充电电场计算;秦晓刚等;《物理学报》;20090115;第58卷(第1期);第684-689页 * |
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