CN107679274B - 一种航天器充放电综合分析方法 - Google Patents

Abstract

一种航天器充放电综合分析方法，首先建立待进行充放电综合分析的航天器模型，进行网格划分并配置网格属性，确定计算时间步长，然后设置航天器模型的初始粒子环境、地磁场环境，计算各个网格的电荷密度和电流密度，并求解电磁场方程，完成各个网格电场分量值、磁场分量值的计算，最后将网格的电场分量值、磁场分量值权重到各个粒子所在位置，更新粒子的位置、动量，并针对不同的分析需求，利用统计法、蒙特卡洛方法等分别实现整个计算区域粒子位置、动量、数量以及导体电位、介质电导率等参数修正，进而完成当前时间步长航天器充放电综合分析。

Description

一种航天器充放电综合分析方法

技术领域

本发明涉及航天器防护加固技术领域，特别是一种航天器充放电综合分析方法，用于分析和研究航天器在复杂环境中的充放电过程以及放电过程中存在的协同机理。

背景技术

当前航天器对可靠性与寿命的要求越来越高，航天器面临的空间环境也越来越复杂，因此亟须发展一种更加科学有效的航天器充放电研究方法，既能同时满足高精度、实时性的分析要求，又能计算分析不同带电问题之间可能存在的相互影响和制约关系，为进一步深入研究航天器在复杂条件下的静电放电提供方法基础。

在表面带电效应仿真分析方面，以NASCAP为代表的众多卫星带电分析软件的开发应用，使国外已经掌握整星表面带电分析，同时也节约了大量的试验费用并大大加快了卫星的研制过程。国际上比较知名的表面充放电软件主要有NASCAP-2K，SPIS，MUSCAT等，它们都是通过迭代计算航天器表面元素带电粒子的通量、更新表面电势和电场的方法求得稳态或者特定条件下的航天器充电状态，但是这类软件不能同时考虑深层带电问题，并且无法进行复杂的静电放电评估。

现有的内带电效应数值软件主要有DICTAT、DERO、ESADDC以及NUMIT。上述数值仿真软件采用的计算方法不同，功能也有所差异，但是基本物理模型和研究流程大致相同，在核心算法方面主要有两种：1)采用解析方程计算电子的运动和沉积，采用欧姆定律和简单的电容器理论计算介质内充电电场和表面电位；2)采用蒙特卡罗方法计算电子的运动和沉积，通过对泊松方程求解获得介质内充电电场和表面电位。这类软件与表面带电效应软件算法差别很大，不能处理表面带电问题，同时也不能处理复杂的静电放电问题。

综上所述，通过对国内外文献和专利库进行关键字检索，未见有关于空间防护及加固方面针对空间航天器充放电效应综合分析，特别是放电过程综合分析的专利或文献。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器充放电综合分析方法，与现有技术相比能够同时分析表面充放电和深层充放电机制，并可以计算得到充放电过程中可能出现的相互影响和制约，便于更加科学有效进行航天器设计及加固。

本发明的技术解决方案是：一种航天器充放电综合分析方法，包括如下步骤

(1)建立待进行充放电综合分析的航天器模型；

(2)对航天器模型进行网格划分，并配置各个网格的网格属性；所述的网格属性包括电导率、介电常数；

(3)确定进行航天器充放电综合分析的采用时间步长；

(4)设置航天器模型的初始粒子环境、地磁场环境；

(5)向航天器模型的各个网格发送电子，然后计算各个网格的电荷密度、电流密度；

(6)计算航天器模型各个网格的电磁场方程，进而得到各个网格的电场分量值、磁场分量值；所述的电磁场方程包括泊松方程、Maxwell方程；

(7)根据航天器模型各个网格的电场分量值、磁场分量值计算得到各个粒子所在位置的电场分量、磁场分量，然后更新各个粒子的位置、动量；

(8)根据当前航天器模型的充放电状态修正各个粒子的位置、动量，更新航天器模型各个网格的电场分量值、磁场分量值、电荷密度、电流密度，进而得到当前采用时间步长航天器模型的粒子环境、地磁场环境；

(9)转入步骤(5)，进行下一个采用时间步长的航天器充放电综合分析，直至结束航天器充放电综合分析。

所述的建立待进行充放电综合分析的航天器模型的方法为：

(1)建立航天器模型的基本结构单元，包括长方体、圆柱体、球体、锥体、圆台；

(2)对航天器模型的基本结构单元进行布尔运算，建立待进行充放电综合分析的航天器模型。

所述的对航天器模型进行网格划分的约束包括：(1)体现航天器的结构和形状；(2)航天器模型的横纵网格比例不大于5；(3)航天器模型开放式边界距离航天器模型实际边界的距离大于10个网格。

所述的确定进行航天器充放电综合分析的采用时间步长；

(1)根据Courant稳定性条件确定航天器模型充放电综合分析的最大时间步长Δt为

其中，Δx为航天器模型所在直角坐标系x轴方向的网格极小值，Δy为航天器模型所在直角坐标系y轴方向的网格极小值，Δz为航天器模型所在直角坐标系z轴方向的网格极小值，c表示光速；

(2)将最大时间步长Δt的0.5～0.9倍作为采用时间步长。

所述的设置航天器模型的初始粒子环境、地磁场环境的方法包括如下步骤：

(1)令航天器模型位于静磁场内，并分别设置航天器模型各个网格的静磁场大小；

(2)在航天器模型的各个网格内放置n个电子-离子对，其中，n为整数且取值范围为[1～3]。

所述的向航天器模型的各个网格发送电子的数量、动量、位置分布通过Furman模型、Everhart模型、Darlington模型、Sternglass模型、Sanders模型或者Prokopenko模型完成计算。

所述的根据当前航天器模型的充放电状态修正各个粒子的位置、动量的方法包括如下步骤：

(1)判断当前航天器模型的充放电状态，充放电状态包括表面放电、介质深层放电、表面充电或介质充电；

(2)根据当前航天器模型的表面放电状态、介质深层放电状态、表面充电状态或介质充电状态，根据泊松方程、欧姆定律或者蒙特卡罗法计算各个粒子的位置、动量；

(3)根据航天器模型充放电状态中空间材料的持续放气以及碰撞、放电、高温修正各个粒子的位置、动量。

所述的步骤(8)执行完成后还包括如下步骤：根据当前航天器模型充放电的综合分析需求修正航天器模型或者航天器模型计算区域内各个粒子的位置、动量、数量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明提出一种航天器充放电综合分析方法，与现有技术相比能够同时分析表面充放电和深层充放电机制，并可以计算得到充放电过程中可能出现的相互影响和制约，便于更加科学有效进行航天器设计及加固，主要表现在以下几个方面：

(1)本发明可以同时分析航天器表面充电与深层充电现象，研究两者之间相互影响或制约关系；

(2)本发明可以为航天器多环境因素下损伤效应及防护研究打下了方法基础。

附图说明

图1为一种航天器充放电综合分析方法流程图；

图2为本发明方法的模型示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种航天器充放电综合分析方法，提出一种航天器充放电综合分析方法，与现有技术相比能够同时分析表面充放电和深层充放电机制，并可以计算得到充放电过程中可能出现的相互影响和制约，便于更加科学有效进行航天器设计及加固。

本发明的基本思路为：针对当前复杂环境中航天器充放电机理不明确、防护手段缺乏的现状，在深入分析表面充放电和介层深层充放电的基础上，首先分别通过粒子模拟方法和蒙特卡洛法求解空间及介层中的粒子轨迹，通过统计和计算各导体间以及介层内部的电场强度来确定每个时间步的充电状态；然后在特定条件下触发场致电流、热电流等种子电流，考虑周围等离子体以及材料放气、电离的影响，研究这一过程中各部件的充放电过程，以及这两类充放电过程中可能存在的相互联系和制约。下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，如图1所示为一种航天器充放电综合分析方法流程图，一种航天器充放电综合分析方法，包括如下步骤：

(1)设置待进行充放电综合分析航天器的形状、大小以及相对位置，通过先设置多个基本结构单元(长方体、圆柱体、球体、锥体以及圆台等)确定基本单元的长、宽、高、圆心等参数，然后作布尔运算(加、减或交集)，建立航天器待分析模型；

(2)根据航天器模型精度、网格稳定性要求确定网格大小，并对航天器模型进行网格划分，然后根据航天器模型各个网格的材料特性及空间属性配置各个网格对应的网格属性(网格属性包括电导率、介电常数等)；

其中，网格划分的约束包括：(1)能够体现待分析航天器的基本结构和形状，相关精节结构要采用较小的网格；(2)航天器横纵网格不要差别太大，一般应控制在5倍以内；(3)如果是开放式边界，航天器模型网格区域外边界应当距离待分析航天器模型一定的距离，一般至少要大于10个网格；

(3)根据Courant稳定性条件确定航天器充放电综合分析的最大时间步长。以直角坐标系为例，其计算表达式为

其中，Δx、Δy、Δz分别表示直角坐标系三个方向的网格大小，如为非均匀网格，则Δx、Δy、Δz分别为直角坐标系三个方向的网格极小值。通过上式可得到计算允许的最大时间步长，进而得到航天器充放电综合分析的采用时间步长，通常采用时间步长为0.5～0.9倍的最大时间步长，c表示光速；

(4)设置航天器模型地磁场边界条件、粒子边界条件，进而完成航天器模型初始粒子环境和地磁场环境设置。

地磁场边界条件采用一定方向的恒定磁场来近似，即认定整个计算区域处于一个较小的静磁场内，将每个网格点处的静磁场参数赋值，其数值大小依据所处轨道高度及环境设置。

初始粒子边界条件主要为背景等离子体设置。背景等离子体设置采用每个网格投放电子和离子各n个，n一般取值1～3。此处需要注意的是由于一般情况下背景等离子体密度相当低，如果网格选用过小，则每个网格中的投放电子-离子对个数要小于1，此时可采用蒙特卡罗方法，生成适当的随机数使得若干个相邻网格只发射一个电子-离子对，此处随机数的选取由背景等离子体密度和网格大小共同决定。

(5)每个时间步长开始时，首先考虑是否存在粒子发射边界，需要向计算区域投入新的粒子，然后分析是否存在二次发射边界需要发射新的二次电子；如果需要则依据对应的发射规则在特定网格中投入一定量的新粒子，然后利用网格权重法进行所有网格上的电荷密度、电流密度参数的计算。如果不需要发射新粒子，则直接进行权重计算各网格点上的电荷密度、电流密度参数。

由发射边界发射的新粒子一般为热电子或场发射电子，可由热电子发射及场发射公式计算得到每个步长需投放的电子电量、温度等参数，在阴极表面随机放置即可，这种一般作为放电种子电流。另一种新粒子发射是在计算区域的边界上，每个时间步长投入一定数量、一定能量分布的新粒子(电子或等离子体)，一方面用作模拟外界粒子辐照的高能粒子流，另一方面用作补偿计算过程中背景等离子体的扰动，该方法在部分分析模型中可能会使用到。

二次电子则需要依据上一时间步消亡的电子位置、个数以及能量由相关公式得到发射电子个数以及角度分布。这里的公式包括但不限于Furman模型、Everhart模型、Darlington模型、Sternglass模型、Sanders的真二次电子公式以及Prokopenko的背散射电子公式等。

(6)计算航天器模型各个网格的电磁场方程(电磁场方程包括泊松方程、Maxwell方程)，进而得到各个网格的电场分量值、磁场分量值；本发明方法中如果仅考虑电场及电荷影响，可采用静电分析，即采用差分法求解泊松方程；如果考虑外加电磁场或自生电磁场，则电磁计算可以利用时域有限差分法求解完整的Maxwell方程；

(7)根据权重法，由各个网格的电场分量值、磁场分量值求解并得到所有粒子所在位置的电场和磁场分量，然后依据粒子运动方程和牛顿第二定律推动粒子，更新粒子的位置、动量等参数。

(8)针对不同计算需求对所有粒子(包括自由空间、金属和介质内部)进行状态更新或修正。如图2所示为本发明方法的模型示意图，如果仅考虑充电分析，采用表面充电和介质充电两个计算过程独立进行分析。如果仅考虑放电，则需要预先设置好相关电位，采用表面放电和介质深层放电两个计算过程同时计算。如果综合考虑充放电，同时进行表面充放电和介质充放电的计算，分四个计算过程独立进行。另外，本发明方法根据需要适当选择计算过程的个数，可以有效减少计算量，提升计算的针对性。

表面充电过程：将金属内部的带电粒子作消亡处理，统计本次时间步长内的净出入金属的电荷，即可根据上一个时间步的电位值更新新的电位；导体计算时采用统计方法得到每个时间步材料表面的净电流，包括二次电子、光电子、透射电子、离子流等，然后通用求解泊松方程修正每个时间步材料表面的电势值。

介质充电过程：将介质内部的带电粒子同样作消亡处理，通过蒙特卡洛方法计算介质内部电场，修正电导率参数。介质计算时采用统计方法得到每个时间步材料表面的净电流，包括二次电子、光电子、透射电子、离子流等，估算其表面电位；然后利用蒙特卡洛方法计算每个入射粒子的沉积深度，修正每个时间步材料的电导率，并利用欧姆定律求出内电场大小。

表面放电过程：第一种放电过程是不考虑计算过程中的粒子碰撞电离，则直接使用步骤(7)中的粒子计算和更新。这种直接放电在应用中不多见，一般用于极高电场或种子电流较大，放电趋势已相当明显的情况。第二种放电过程需要考虑空间粒子的相互碰撞及反应，采用蒙特卡罗法充分考虑可能发生的相互碰撞或反应，并根据反应类型产生或修正粒子数量、位置、动量等参数。这一过程在多因素环境、充电、放电问题综合分析的时候，特别是存在相互影响、制约或协同的情况下都需要用到。

介质深层放电过程：介质深层放电属于介质内部的击穿放电，其放电过程复杂，模拟难度大，并且一般不会直接影响外部电场分布。因此，本发明在考虑深层放电的过程中，一旦认定放电发生，则会在短时间向自由空间投放大量的中性气体和等离子体，以此来分析深层放电对外部表面充放电的影响。

如图2所示，一般来说，多因素环境下的航天器综合充放电过程都需要同时考虑上述四个过程。这四个过程中表面充电和介质充电与常规的充放电分析模型基本一致，实现本发明方法的重点落在初始电流产生及传输模型、中性气体释放及电离模型上。

初始电流产生及传输模型已在以上各步骤中实现。初始电流一般为热电子或场发射电子，由步骤(5)得到。但也可以是自身气体电离、二次电子或离子，或者直接为背景等离子体中的粒子，分别对应于步骤(8)、步骤(5)和步骤(4)。粒子的传输过程与其他粒子一致，由泊松或Maxwell方程求解得到场，通过权重之后求解牛顿方程，由步骤(7)或步骤(8)得到。

气体的释放主要考虑空间材料的持续放气以及受激(碰撞、放电、高温等)之后的短时剧烈放气。持续放气或短时剧烈放气会在部分区域形成更高的气压或等离子体浓度，利用蒙特卡罗方法即可仿真粒子在其中的传输与电离过程，即可分析是否会发生自持或非自持的表面闪络、雪崩放电等放电过程。为了简化建模，持续放气仅在材料表面(约5～10cm)成特定的分布，距离稍远处(大于10cm)认为只存在背景等离子体；短时剧烈放气则依据计算时间的长短，在一定的区域内(由放气空间决定，一般来说不大于0.1m³)，如果计算时间在纳秒量级以下，可看作稳定的背景气压，其他区域认为只存在背景等离子体；如果计算时间在微秒甚至毫秒量级，则可将背景气压看作近似正态分布的变化过程，其他区域认为只存在背景等离子体；如果空间大于0.1m³，则采用气团扩散模型，气团不断变大并移动，气团中心气压逐渐降低，气团外部区域认为只存在背景等离子体。这一模型重点应用在介质深层放电产生之后，对应于步骤(8)；但也可用于二次电子生成、种子电流产生以及重粒子消亡之后，分别对应于步骤(5)和步骤(8)。

(9)如果航天器充放电综合分析计算达到平衡或到时指定时间，则计算停止并输出相关数据，否则重复步骤(5)～步骤(8)，进行下一时间步长的计算。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种航天器充放电综合分析方法，其特征在于包括如下步骤

(1)建立待进行充放电综合分析的航天器模型；

(2)对航天器模型进行网格划分，并配置各个网格的网格属性；所述的网格属性包括电导率、介电常数；

(3)确定进行航天器充放电综合分析的采用时间步长；

(4)设置航天器模型的初始粒子环境、地磁场环境；

(5)向航天器模型的各个网格发送电子，然后计算各个网格的电荷密度、电流密度；

(6)计算航天器模型各个网格的电磁场方程，进而得到各个网格的电场分量值、磁场分量值；所述的电磁场方程包括泊松方程、Maxwell方程；

(7)根据航天器模型各个网格的电场分量值、磁场分量值计算得到各个粒子所在位置的电场分量、磁场分量，然后更新各个粒子的位置、动量；

(8)根据当前航天器模型的充放电状态修正各个粒子的位置、动量，更新航天器模型各个网格的电场分量值、磁场分量值、电荷密度、电流密度，进而得到当前采用时间步长航天器模型的粒子环境、地磁场环境；

(9)转入步骤(5)，进行下一个采用时间步长的航天器充放电综合分析，直至结束航天器充放电综合分析；

所述的向航天器模型的各个网格发送电子的数量、动量、位置分布通过Furman模型、Everhart模型、Darlington模型、Sternglass模型、Sanders模型或者Prokopenko模型完成计算；

步骤(8)中，所述的根据当前航天器模型的充放电状态修正各个粒子的位置、动量的方法包括如下步骤：

(81)判断当前航天器模型的充放电状态，充放电状态包括表面放电、介质深层放电、表面充电或介质充电；

(82)根据当前航天器模型的表面放电状态、介质深层放电状态、表面充电状态或介质充电状态，根据泊松方程、欧姆定律或者蒙特卡罗法计算各个粒子的位置、动量；

(83)根据航天器模型充放电状态中空间材料的持续放气以及碰撞、放电、高温修正各个粒子的位置、动量；

所述的步骤(8)执行完成后还包括如下步骤：根据当前航天器模型充放电的综合分析需求修正航天器模型或者航天器模型计算区域内各个粒子的位置、动量、数量。

2.根据权利要求1所述的一种航天器充放电综合分析方法，其特征在于：所述的建立待进行充放电综合分析的航天器模型的方法为：

(1)建立航天器模型的基本结构单元，包括长方体、圆柱体、球体、锥体、圆台；

(2)对航天器模型的基本结构单元进行布尔运算，建立待进行充放电综合分析的航天器模型。

3.根据权利要求1或2所述的一种航天器充放电综合分析方法，其特征在于：所述的对航天器模型进行网格划分的约束包括：(1)体现航天器的结构和形状；(2)航天器模型的横纵网格比例不大于5；(3)航天器模型开放式边界距离航天器模型实际边界的距离大于10个网格。

4.根据权利要求1或2所述的一种航天器充放电综合分析方法，其特征在于：所述的确定进行航天器充放电综合分析的采用时间步长：

(1)根据Courant稳定性条件确定航天器模型充放电综合分析的最大时间步长Δt为

其中，Δx为航天器模型所在直角坐标系x轴方向的网格极小值，Δy为航天器模型所在直角坐标系y轴方向的网格极小值，Δz为航天器模型所在直角坐标系z轴方向的网格极小值，c表示光速；

(2)将最大时间步长Δt的0.5～0.9倍作为采用时间步长。

5.根据权利要求1或2所述的一种航天器充放电综合分析方法，其特征在于：所述的设置航天器模型的初始粒子环境、地磁场环境的方法包括如下步骤：

(1)令航天器模型位于静磁场内，并分别设置航天器模型各个网格的静磁场大小；

(2)在航天器模型的各个网格内放置n个电子-离子对，其中，n为整数且取值范围为[1～3]。

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