CN105631180A - 一种安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法，所述方法为：建立不同粒子不同电位状态下的电流收集模型，基于收集模型构造航天器表面充电电流平衡方程然后根据航天器表面充电电流平衡方程得到平衡电位，也即悬浮电位。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，具体涉及一种安装有高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估方法，适合于自旋稳定平台、三轴稳定平台为代表的各类轨道航天器表面悬浮电位的评估。本发明针对安装有高压电池阵的航天器的悬浮电位评估问题，提出采用考虑高压电池阵的母线电压因素的评估，从而具有很的科学性和实际应用价值。

Description

一种安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法

技术领域

本发明涉及航天器在轨空间辐射环境效应防护管理领域，尤其涉及一种用于评估地球轨道安装有高压电池阵航天器的表面悬浮电位评估的方法。

背景技术

浸泡在空间等离子体和太阳光照环境下的航天器，会由于相互作用而形成与空间等离子体电位不一致的现象，被称之为航天器充电，与空间等离子体之间的电位差即被称之为表面悬浮电位。航天器表面充电程度与其周围接触的空间等离子体的活跃程度息息相关，等离子体越活跃则航天器表面充电越严重，也即表面悬浮电位越高。航天器表面充电会如地面静电带电一样，当表面悬浮电位超过一定的临界值也即阈值时，就可能会产生静电放电，给电子学系统带来干扰。

由于航天器表面充电会对航天器造成干扰危害，因此，在地面研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展航天器表面悬浮电位的评估是一种降低或识别由于表面充电造成的危害的重要手段。以往对于航天器表面电位的评估，通常认为航天器不同部位处于同电位，而当航天器安装的是高压电池阵后，航天器内部不同部位的电位就会由于电池阵母线电压的调制而不一致，从而导致继续采用以往评估方法将出现误差较大。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现在航天器表面悬浮电位评估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安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位的评估方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法，所述方法为：建立不同粒子不同电位状态下的电流收集模型，基于收集模型构造航天器表面充电电流平衡方程然后根据航天器表面充电电流平衡方程得到平衡电位，也即悬浮电位。

可选的，上述方法具体包含：

步骤1，获得太阳电池阵与航天器本体结构间的电气连接方式，所述电气连接方式包含：负端接地、悬空及正端接地；

步骤2，获得太阳电池阵工作母线电压，并获得航天器及高压太阳电池阵所处的空间环境参数；所述空间环境参数包含：空间等离子体和太阳光参数；

其中，所述空间等离子体参数又包括电子和/或质子的温度和密度；

步骤3，获得航天器及高压电池阵的表面材料特性和结构参数，即获得太阳电池阵参数；

步骤4，依据电流平衡理论，建立如下航天器及高压电池阵表面充电数值模拟模型；

$\begin{array}{c}{C}_A\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=j_{\mathrm{net}}\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{\Σ}\{j_e\left(\mathrm{\φ}\right)-[j_i\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{se}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{si}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{be}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{ph}}\left(\mathrm{\φ}\right)+\\ j_c(\mathrm{\φ},V_{\mathrm{sc}})\left]\right\}=0\end{array}$

其中：φ:航天器表面悬浮电位；V_sc:航天器电池阵母线电压；t：航天器表面充电时间；j_net：航天器表面的总电流；j_e：等离子体碰撞上航天器表面的电子电流；j_i:等离子体碰撞上航天器表面的离子电流；j_se：入射电子产生的二次电子电流：j_si：入射离子产生的二次电子电流：j_be：反射电子电流；j_ph：光电子电流；j_c:不同部位间传导电流；C_A：航天器表面在空间等离子体中孤立体电容；

步骤5，依据获得航天器与电池阵连接方式、空间环境参数、太阳电池阵参数和所建立的航天器及高压电池阵表面充电数值模拟模型，进行计算进而获得航天器表面悬浮电位。

进一步可选的，上述步骤5基于Fortran或C++语言对模型进行数值计算。

可选的，上述步骤5之后还包含：对得到的航天器表面悬浮电位进行可视化。

可选的，上述航天器表面材料参数包括电子、离子的入射二次最大发射系数和其对应入射粒子能量；所述高压电池阵结构参数为不同部位材料的表面积、导电率及电子、离子的入射二次最大发射系数和对应能量。

本发明的优点在于：利用本发明的悬浮电位评估方法针对安装有高电压电池阵的航天器表面悬浮电位来计算和分析，从而便于在航天器工程设计、故障诊断、在轨管理等工程阶段应用。

附图说明

图1太阳电池阵母线电压负端接结构地情况的航天器整个电气示意图。

图2太阳电池阵母线电压负端悬空情况的航天器整个电气示意图。

图3太阳电池阵母线电压正端接结构地情况的航天器整个电气示意图。

图4低轨道航天器悬浮电位计算案例结果对比图。

附图标记：

1、航天器结构2、航天器电系统3、太阳电池单元

4、电池间金属连接件5、太阳电池阵板

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航天器表面悬浮电位的方法进行详细说明。

本发明提出了一种用于评估安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位的方法，该方法通过建立不同粒子不同电位状态下电流收集模型，采用航天器表面充电电流平衡方程，得到平衡电位，也即悬浮电位。根据太阳电池阵与航天器本体间的电池连接方式，并结合空间等离子体特性及太阳电池阵特性，分析在不同空间环境条件下的航天器表面悬浮电位。

实施例

步骤1：获得太阳电池阵与航天器本体结构间的电气连接方式，其中太阳电池阵与航天器本体结构间的电气连接方式由航天器设计决定；

图1、图2及图3为利用本发明的评估方法所抽样出来的三类航天器本体与太阳电池阵电气连接示意图，图1，图2和图3依次为负端接地、悬空及正端接地。

作为示范例，本实施例中，选取目前国内常采用的负端接地方式进行说明。

步骤2：确认太阳电池阵工作母线电压；

作为示范例，本实施例中，选取太阳电池阵工作母线电压为42V、60V、90V、110V及160V作为对比。

步骤3：确定航天器及高压太阳电池阵所处的空间环境参数；

作为示范例，本实施例中，选取400km高度轨道的等离子体参数为电子温度为0.26eV、密度为6×10¹¹m^-3，离子的温度为0.14eV、密度为6×10¹¹m^-3，光子通量为42nA/cm²。

步骤4：确定航天器及高压电池阵的表面材料特性、结构参数，是否金属；

作为示范例，本实施例中，本体表面材料为ITO镀膜、结构面积为14m²、太阳电池阵的面积背面表面材料也为ITO镀膜。

步骤5：依据电流平衡理论，建立航天器及高压电池阵表面充电数值模拟模型；

$\begin{array}{c}{C}_A\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=j_{\mathrm{net}}\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{\Σ}\{j_e\left(\mathrm{\φ}\right)-[j_i\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{se}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{si}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{be}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{ph}}\left(\mathrm{\φ}\right)+\\ j_c(\mathrm{\φ},V_{\mathrm{sc}})\left]\right\}=0\end{array}$

其中：φ:航天器表面悬浮电位；V_sc:航天器电池阵母线电压；t：航天器表面充电时间；j_net：航天器表面的总电流；j_e：等离子体碰撞上航天器表面的电子电流；j_i:等离子体碰撞上航天器表面的离子电流；j_se：入射电子产生的二次电子电流：j_si：入射离子产生的二次电子电流：j_be：反射电子电流；j_ph：光电子电流；j_c:不同部位间传导电流；C_A：航天器表面在空间等离子体中孤立体电容；步骤6：采用Fortran或其他计算机语言对模型进行编写程序开展数值计算；

步骤7：利用Python或者Matlab等对计算结果进行可视化，便于分析。

所述的输入空间环境参数包括空间等离子体和太阳光参数，其中空间等离子体参数包括电子、质子的温度和密度。

所述的航天器表面材料参数包括电子、离子的入射二次最大发射系数和其对应入射粒子能量，高压电池阵结构参数为不同部位材料的表面积、导电率及电子、离子的入射二次最大发射系数和对应能量。

本发明的评估方法适合于布有各类表面材料的航天器表面悬浮电位评估，例如ITO、F46、Kapton等。本发明的评估方法适合于地球空间运行各类安装有高压电池阵的航天器，包括三轴稳定、自旋稳定卫星及载人航天空间站等。

作为上述技术方案的一个实施例，所述航天器本体与太阳电池阵之间的电气连接为负端接地。

如图4所示，系在本发明的实施案例结算结果。不同太阳电池工作母线电压的工况下，航天器的悬浮电位随着工作电压母线增加而改变。

本发明的评估方法适合于布有各类表面材料的航天器表面悬浮电位评估，例如ITO、F46、Kapton等。本发明的评估方法适合于地球空间运行各类安装有高压电池阵的航天器，包括三轴稳定、自旋稳定卫星及载人航天空间站等。

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 (5)

1.一种安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法，所述方法为：

建立不同粒子不同电位状态下的电流收集模型，基于收集模型构造航天器表面充电电流平衡方程然后根据航天器表面充电电流平衡方程得到平衡电位，也即悬浮电位。

2.根据权利要求1所述安装高压电池阵的航天器表面悬浮电位评估的方法，其特征在于，所述方法具体包含：

步骤1，获得太阳电池阵与航天器本体结构间的电气连接方式，所述电气连接方式包含：负端接地、悬空及正端接地；

步骤2，获得太阳电池阵工作母线电压，并获得航天器及高压太阳电池阵所处的空间环境参数；所述空间环境参数包含：空间等离子体和太阳光参数；

其中，所述空间等离子体参数又包括电子或质子的温度和密度；

步骤3，获得航天器及高压电池阵的表面材料特性和结构参数，即获得太阳电池阵参数；

步骤4，依据电流平衡理论，建立如下航天器及高压电池阵表面充电数值模拟模型；

$\begin{array}{c}{C}_A\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=j_{\mathrm{net}}\left(\mathrm{\φ}\right)=\mathrm{\Σ}\{j_e\left(\mathrm{\φ}\right)-[j_i\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{ss}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{si}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{bs}}\left(\mathrm{\φ}\right)+j_{\mathrm{ph}}\left(\mathrm{\φ}\right)+\\ j_c(\mathrm{\φ},V_{\mathrm{sc}})\left]\right\}=0\end{array}$

其中：

φ：航天器表面悬浮电位；

V_sc：航天器电池阵母线电压；

t：航天器表面充电时间；

j_net：航天器表面的总电流；

j_e：等离子体碰撞上航天器表面的电子电流；

j_i：等离子体碰撞上航天器表面的离子电流；

j_ss：入射电子产生的二次电子电流：

j_si：入射离子产生的二次电子电流：

j_be：反射电子电流；

j_ph：光电子电流；

j_c：不同部位间传导电流；

C_A：航天器表面在空间等离子体中孤立体电容；

步骤5，依据获得航天器与电池阵连接方式、空间环境参数、太阳电池阵参数和所建立的航天器及高压电池阵表面充电数值模拟模型，进行计算进而获得航天器表面悬浮电位。

3.根据权利要求2所述的评估航天器表面悬浮电位的方法，其特征在于，所述步骤5基于Fortran或C++语言对模型进行数值计算。

4.根据权利要求2所述的评估航天器表面悬浮电位的方法，其特征在于，所述步骤5之后还包含：对得到的航天器表面悬浮电位进行可视化。

5.根据权利要求2所述的评估航天器表面悬浮电位的方法，其特征在于，所述航天器表面材料参数包括电子、离子的入射二次最大发射系数和其对应入射粒子能量；

所述高压电池阵结构参数为不同部位材料的表面积、导电率及电子、离子的入射二次最大发射系数和对应能量。