CN105528507B - 一种用于评估卫星深层充电的风险的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航天器空间环境防护设计和在轨管理应用中的空间辐射环境效应评估领域，具体涉及一种卫星深层充电评估方法，适合于自旋稳定平台、三轴稳定平台为代表的各类静止轨道卫星内平板结构、同轴线套等介质充电评估。本发明在已有的电流平衡理论的深层充电评估方法基础上，提出采用卫星实测高能电子连续数据进行卫星深层充电评估，克服了过去常用基于平衡理论的充电评估的过量和不足，从而具有更好的科学性和更高的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及卫星在轨空间辐射环境效应管理领域，尤其涉及一种用于评估地球轨道卫星深层充电的风险的方法。
背景技术
空间辐射环境的高能电子、高能质子及重离子等要素都会对卫星造成辐射效应危害。空间高能电子除了对卫星造成辐射剂量效应之外，还会穿透卫星蒙皮而沉积在卫星内部绝缘材料或非接地导体中而发生充电现象，即发生卫星深层充电。卫星深层充电会像地面静电带电一样，当超过一定的容忍值时，就会产生放电，就如地面静电放电一般，放电期间会在短时间内释放出大量电荷、电磁波，这类静电放电会直接或间接耦合进电子系统中造成危害。受到深层充电影响的卫星可能会出现跳变等异常现象，甚至严重情况下会发生整星的失效。
由于卫星深层充电会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展卫星深层充电评估是一种降低由于深层充电造成的危害的重要手段。目前卫星深层充电的评估方法包括采用电流平衡和电流非平衡两类方法，其中电流平衡方法认为介质内电荷注入和流出处于平衡状态时充电；而电流非平衡方法就是认为介质内电荷注入和流出在未达到平衡状态时充电。卫星在轨飞行过程中，空间高能电子状态是持续变化的，一般不造成卫星介质内电荷的流进和流出达到平衡。因此如果采用电流平衡原理进行卫星深层充电危险的评估，会造成对深层充电对卫星的危害的评估过量或者不足。
发明内容
本发明的目的在于，为解决现在卫星深层充电危险评估采用静态数据而存在着评估过量或者不足的问题，本发明提供一种用于评估卫星深层充电的风险的评估方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于评估卫星深层充电风险的方法，该方 法利用高能电子探测器实测的数据作为持续动态输入，采用线性沉淀的电荷沉积方法并结合麦克斯韦方程计算介质内部的电场、电位，用于解决以往采用静态数据输入带来的充电风险评估过量或不足的问题；采用连续高能电子数据作为动态输入，而非采用某个峰值数据的单点数据作为静态输入，增加评估时刻之前的电荷积累影响；采用线性沉淀的电荷沉积方计算不同能量电子在介质内的通量-深度和剂量率-深度数据对应关系，而非采用蒙特卡罗计算方法，降低评估所需要的计算时间，从而更加有利于应用在工程型号的相关评估工作；采用欧姆定律和麦克斯韦方程，进行介质内部电荷密度、电场、电位分布的计算，并比较介质内部不同位置处电场从而得出内部空间最大电场，进而将内部最大电场与介质击穿电场强度值进行比较，从而判定卫星在运行过程中是否存在静电放电。
实现本发明的评估卫星深层充电的风险的方法包括如下步骤：
步骤1：将卫星内部需要评估的遮挡和部件抽样成平板结构或同轴型结构，并求得介质厚度值；
步骤2：以预定的时间间隔获取一个评估时间段内的高能电子输入数据；
步骤3：利用线性沉淀法公式计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；
步骤4：依据步骤1中求得的介质厚度并根据步骤3中所计算出来的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：
Jt(x，t)＝Jde(x，t)+Jin(x，t) (1)
其中,Jt(x，t)为x深度处t时刻的总电流密度；Jde(x，t)为x深度处t时刻电子在介质中的由通量-深度对应关系得出的空间电流密度，从步骤3得到；Jin(x，t)为t时刻由周围介质层面流入到x深度处的电流密度，由对应于与本介质层相邻的介质分层在步骤4求得；Et(x)和Et-1(x)分别为t时刻及之前时刻电场强度，τt和σt分别为t时刻介质时间常数和介质电导率，Δt为计算时间步长,σ0为介质本征电导率，σD为辐射诱发电导率，k和Δ为辐射诱发电导率的系数和指数，为剂量率-深度对应关系；
步骤5：根据步骤4中的计算结果，整理所有时刻的介质内电场分布，以获得每个时刻电场强度最大值Et，max；
步骤6：采用步骤5中得到的每个时刻介质内电场强度最大值Et，max，分析在整个待评估的时间段内所有时刻的介质内电场强度最大值，将其与介质所能承受的放电电场强度最大阈值进行比较，如果大于该阈值，则放电风险较大，否则放电风险小。
本发明的评估方法适合于绝缘介质的充电评估，例如FR4、F46、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等，也适合于非接地导体的充电评估。本发明的评估方法适合于地球空间运行各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定卫星。
作为上述技术方案的一个实施例，所述高能电子输入的能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV。
作为上述技术方案的一个实施例，其中所述高能电子输入数据的获取时段大于等于待评估的卫星深层充电介质的放电时间常数τt。
本发明的优点在于：利用本发明的卫星深层充电危险评估方法可以卫星深层充电的仿真来计算和分析，避免了采用蒙特卡罗方法耗费时间的问题，从而便于在卫星工程设计、故障诊断、在轨管理等工程阶段应用。
附图说明
图1中(a)和(b)显示的是利用本发明的评估方法所抽样出来的介质结构模型。
图2为利用本发明的评估方法得出的介质中的电场强度在某段时间内的曲线。
图3为本发明的方法与采用静态输入通量的误差散点图。
附图标记：
1、同轴型结构介质 2、同轴型内芯 3、平板型结构遮挡
4、平板型结构介质 5、平板型结构接地层
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明的用于评估卫星深层充电风险的方法进行详细说明。
首先，步骤1：将卫星内部需要评估的遮挡和部件抽样成平板结构或同轴型结构，并求得介质的厚度值。
图1中(a)和(b)为利用本发明的评估方法所抽样出来的介质结构模型，例如卫星系统中常见的各类线缆可以抽样为图1中(a)所示的同轴模型，而诸如印刷电路板等可以抽样为图1中(b)所示的平板模型，图1中(a)中介质1包围在内芯2上；图1中(b)中在介质4的上面是遮挡3，下面是接地层5。
作为示范例，本实施例中，卫星内部中某印刷电路板介质被抽样成如图1中(b)所示的平板型结构，用于说明的目的，这里以1.3mm的遮挡、1mm厚度的环氧树脂板材作为样本。
步骤2：选取静止轨道风云二号卫星的高能电子数据作为输入，包括两道数据，即低能道电子和高能道电子，其中低能道电子的能量大于0.35MeV，而高能道电子的能量大于2MeV而小于10MeV,每间隔5分钟获取一个数据，取2009年12月02日至2009年12月12日作为评估时间段。在一个实施例中，所述输入高能电子数据的能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV。此外，在一个实施例中，所述高能电子数据的输入时段大于等于待评估的卫星深层充电介质的放电时间常数。
步骤3：利用线性沉淀法公式计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；
步骤4：依据步骤1中得到的介质厚度并根据步骤3中得到的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：
Jt(x，t)＝Jde(x，t)+Jin(x，t) (1)
其中,Jt(x，t)为x深度处t时刻的总电流密度；Jde(x，t)为x深度处t时刻电子在介质中的由通量-深度对应关系得出的空间电流密度，从步骤3得到；Jin(x，t)为t时刻由周围介质层面流入到x深度处的电流密度，由对应于与本介质层相邻的介质分层在步骤4求得；Et(x)和Et-1(x)分别为t时刻及之前时刻的电场强度，τt和σt分别为t时刻介质时间常数和介质电导率，Δt为计算时间步长,σ0为介质本征电导率，σD为辐射诱发电导率，k和Δ为辐射诱发电导率的系数和指数，为剂量率-深度对应关系；
步骤5：根据步骤4中的计算结果，整理所有时刻的介质内电场分布，以获得每个时刻电场强度最大值Et，max，如图2所示。
步骤6：采用步骤5中得到的每个时刻介质内电场强度最大值Et，max，分析在整个待评估的时间段内所有时刻的介质内电场强度最大值，将其与介质所能承受的放电电场强度最大阈值进行比较，如果大于该阈值，则放电风险较大，否则放电风险小。在本实施例中，介质内电场强度最大值例如为3×103V/m，介质所能承受的放电电场强度最大阈值例如为107V/m，那么前者明显小于后者，这样的比较结果表明在此时间段内这种接地方式结构介质静电放电概率极低。
本发明的评估方法适合于绝缘介质的充电评估，例如FR4、F46、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等，也适合于非接地导体的充电评估。此外，本发明的评估方法适合于地球空间运行各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定卫星。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种用于评估卫星深层充电的风险的方法，其特征在于：包括：
步骤1：将卫星内部需要评估的遮挡和部件抽样成平板结构或同轴型结构，并求得介质厚度值；
步骤2：以预定的时间间隔获取一个评估时间段内的高能电子输入数据；
步骤3：利用线性沉淀法公式计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；
步骤4：依据步骤1中求得的介质厚度并根据步骤3中所计算出来的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：
Jt(x,t)＝Jde(x,t)+Jin(x,t) (1)
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其中,Jt(x,t)为x深度处t时刻的总电流密度；Jde(x,t)为x深度处t时刻电子在介质中的由通量-深度对应关系得出的空间电流密度，从步骤3得到；Jin(x,t)为t时刻由周围介质层面流入到x深度处的电流密度，由对应于与本介质层相邻的介质分层在步骤4求得；Et(x)和Et-1(x)分别为t时刻及之前时刻电场强度，τt和σt分别为待评估的深层充电介质的t时刻介质时间常数和介质电导率，Δt为计算时间步长,σ0为介质本征电导率，σD为辐射诱发电导率，k和Δ为辐射诱发电导率的系数和指数，为剂量率-深度对应关系；
步骤5：根据步骤4中的计算结果，整理所有时刻的介质内电场分布，以获得每个时刻电场强度最大值Et,max；及
步骤6：采用步骤5中得到的每个时刻介质内电场强度最大值Et,max，分析在整个待评估的时间段内所有时刻的介质内电场强度最大值，将其与介质所能承受的放电电场强度最大阈值进行比较，如果大于该阈值，则放电风险较大，否则放电风险小。
2.根据权利要求1所述的评估卫星深层充电的风险的方法，其特征在于，输入高能电子能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV。
3.根据权利要求1所述的评估卫星深层充电的风险的方法，其特征在于，所述高能电子数据输入时段大于等于待评估的深层充电介质的t时刻介质时间常数τt。
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