CN115640731A - 同步轨道航天器介质内带电风险评估方法、系统及终端 - Google Patents

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CN115640731A CN202211420598.0A CN202211420598A CN115640731A CN 115640731 A CN115640731 A CN 115640731A CN 202211420598 A CN202211420598 A CN 202211420598A CN 115640731 A CN115640731 A CN 115640731A
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尚鹏辉
马雪娟
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Abstract

本发明属于航天器介质内带电防护技术领域，公开了一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法、系统及终端，构建地球同步轨道(GEO)环境电子通量模型；进行介质电子辐射过程的模拟；求出GEO环境电子辐射下介质在不同屏蔽下的内电荷沉积速率和剂量率这两个关键因素；构建三维电荷输运模型，再结合工作电压以及试样的接地方式构建对应的三维电荷输运模型方程组；接着，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组即可得到对应工况下的介质的内电场强度分布；评判在对应的工况下是否存在静电放电风险；得到不存在静电放电风险的最优的屏蔽设计方案。从而为航天器屏蔽设计、优化及航天器介质的掺杂改性提供可行的计算验证方法。

Description

同步轨道航天器介质内带电风险评估方法、系统及终端
技术领域
本发明属于航天器介质内带电防护技术领域，尤其涉及一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法、系统及终端。
背景技术
目前，空间环境中高能电子与航天器介质相互作用会引发介质内带电问题。介质内带电会导致聚合物介质绝缘劣化，甚至绝缘失效；同时由于介质内带电产生的静电放电脉冲还会造成航天器敏感电子器件工作异常或损坏，严重威胁航天器的运行安全。随着大功率、高电压航天器的发展，对介质材料的抗内带电性能提出了更高的要求。当前介质深层充放电问题的研究主要是采用数值计算的方法，首先模拟设定辐射环境下高能电子与介质的相互作用过程，获得介质内的电荷沉积速率和剂量率等数据；再基于介质内部电荷输运模型求解方程组来计算对应辐射时间下介质中电场强度分布；最后通过比对介质内电场强度最大值与介质静电放电击穿阈值来评估试样在设定辐射条件下是否会产生静电放电问题。从而进一步指导航天器的屏蔽设计，根据计算结果选取最优的屏蔽厚度来进行介质深层充放电的防护。
但是当前缺乏高能电子辐射与高工作电压共同作用下的介质深层充放电机理研究，对应的充放电机理及特性不明确，传统的介质掺杂改性方法效果如何、是否适用尚不可知，当前没有这方面的研究。尤其是对在地球同步轨道运行的航天器，急需开发有效的介质内带电风险分析方法来指导航天器的屏蔽设计。
当前缺乏高能电子辐射与高工作电压共同作用下的介质深层充放电机理研究，尤其是在地球同步轨道，需要综合考虑航天器屏蔽因素、介质接地方式、工作电压等实际工况来对电子辐射下航天器介质的内带电性能进行综合评估，这是当前研究所欠缺的。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有技术中缺乏高能电子辐射与高工作电压共同作用下的介质深层充放电机理分析方案，对应的充放电机理及特性不明确，且传统的介质掺杂改性方法效果如何、是否适用尚不可知，没有可行的计算方法。尤其是在地球同步轨道，需要综合考虑航天器屏蔽因素、介质接地方式、工作电压等实际工况来对电子辐射下航天器介质的抗内带电性能进行综合评估，这是当前研究所欠缺的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，尤其涉及一种地球同步轨道航天器介质内带电风险评估方法。
本发明是这样实现的，一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，同步轨道航天器介质内带电风险评估方法包括：
首先构建地球同步轨道(GEO)环境电子通量模型；再将地球同步轨道环境电子通量模型计算出的GEO电子通量引入到蒙特卡洛模拟软件Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟；综合考虑屏蔽因素求出GEO环境电子辐射下介质在不同屏蔽下的内电荷沉积速率和剂量率这两个关键因素；然后，进行介质的介电参数测定，构建三维电荷输运模型，再结合工作电压以及试样的接地方式构建对应的三维电荷输运模型方程组；接着，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组即可得到对应工况下的介质的内电场强度分布；将此内电场强度最大值与试验测定的介质的击穿强场相比较，即可评判在对应的工况下是否存在静电放电风险；最后根据评判结果，调整屏蔽层材料或厚度重复进行计算，直至得到不存在静电放电风险的最优的屏蔽设计方案。
进一步，同步轨道航天器介质内带电风险评估方法包括以下步骤：
步骤一，地球同步轨道环境电子通量模型构建；
步骤二，电子辐射下介质内电场计算模型构建；
步骤三，电子辐射下介质静电放电风险评估。
进一步，步骤一中的地球同步轨道环境电子通量模型构建包括：
采用FLUMIC3(Flux Model for Internal Charging)模型来构建同步轨道的电子通量环境：
FLUMIC3能谱模型中的外辐射带模型如下：将太阳周期和年变化考虑在内，外辐射带L>2.5，电子通量将是fsc、foy、L与E的函数；
关于太阳周期的函数：
Figure BDA0003937814040000031
式中，fsc代表太阳活动周期的归一化值，在太阳活动最小年为0。
关于季节的函数：
Figure BDA0003937814040000032
式中，foy代表日期在一年中的归一化值，1月1日为零起点。
关于能量的函数：
F(>E)＝F(>2MeV)×exp[(2-E)/E0]；
其中，
Figure BDA0003937814040000033
关于L的函数：
Figure BDA0003937814040000034
式中，L是到地球地心的距离。
进一步，步骤二中的电子辐射下介质内电场计算模型构建包括：
(1)电子辐射过程模拟：采用基于Geant4开发的电子辐射程序模拟高能电子与试样的作用过程；
(2)电子辐射下介质内电场计算过程：包括介质内电荷输运方程构建以及介质内电场计算。
进一步，步骤(1)中的电子辐射过程模拟包括：
1)在Geant4中构建对应的试样模型及屏蔽层模型；
2)构建电子辐射源模型，并计算相关辐射参数；
通过FLUMIC3模型计算出的结果为GEO环境下电子的积分通量，将电子积分通量换算到垂直方向，分析时设定电子为垂直试样平面入射；电子源设定为一半径为6cm的圆形平面源，置于试样左侧20cm处，由左至右垂直于试样表面入射，同时设定电子为能谱抽样方式发射；模拟入射电子个数为3×106个。
3)计算结果处理
在Geant4中计算完成后，得到的是统计出的的电荷沉积数En和能量沉积Eg需要将其换算成设定电子束流密度下的电荷沉积速率ρd和剂量率
Figure BDA0003937814040000044
换算方法如下：
当入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2，电子源面积为A0，m2；那么虚拟辐射时间T为：
Figure BDA0003937814040000041
其中，eq为电子电荷量，设定为1.6×10-19C；对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
Figure BDA0003937814040000042
介质内的剂量率为：
Figure BDA0003937814040000043
进一步，步骤(2)中的电子辐射下介质内电场计算过程包括：
1)介质内电荷输运方程构建
介质内部的电荷输运方程组如下：
Figure BDA0003937814040000051
电荷输运方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律。其中E为电场强度，V/m；ρs为介质内的净电荷密度，C/m3；ε为介质的介电常数，F/m；J为净电流密度，A/m2；ρd为介质内电荷沉积速率，C/m3·s；δE为与电场相关的电导率，S/m。
基于改性试样的非线性电导特性测定数据。依据实测的电导率数据，按照电场强度的大小对试样的电导率进行分段拟合，由试验数据得在电场强度小于1kV/mm时，电导随电场变化不明显，设定为低场区，在低场区采用试样实测的本征电导率；场强大于1kV/mm后电导率将随着电场强度的增大而增大，以非线性电导阈值为分界点将区域划分为两部分，其中1kV/mm到突变点阈值电场设定为低增速区，突变点之后设定为非线性增长区。
整体设计如下：
Figure BDA0003937814040000052
2)介质内电场计算过程
电场计算模型采用电荷输运模型，试样的电导率采用依据试验数据分段拟合的方式进行处理。电荷输运模型采用COMSOL软件基于有限元方法求解，选用数学模块中的偏微分方程接口自定义需要求解的方程组，根据电荷输运模型方程组对照修改此偏微分方程的系数和泊松方程；偏微分方程为：
Figure BDA0003937814040000053
Figure BDA0003937814040000054
在仿真计算过程中分析具体工况，包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值和施加位置因素，对应偏微分方程组的初始状态及边界条件。在COMSOL中通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件进行各种初始状态的设定。采用Geant4编程按照设定的辐射参数进行电子辐射过程的模拟，再将试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率引入到计算模型中，采用插值的方法导入到COMSOL中；根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再对试样模型进行网格剖分，设定辐射时间；选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，最终得到实际工况下设定辐射时间内试样的内电场分布。
进一步，步骤三中的电子辐射下介质静电放电风险评估包括：
(1)计算对应电子辐射场景下介质内电场强度最大值。
(2)测定试样的直流击穿场强。
采用击穿测试试验平台对改性试样进行直流耐压测试，测试电极为球-球电极，置于绝缘油中进行；试验数据采用威布尔分布方法进行处理，公式如下：
Figure BDA0003937814040000061
式中，P(E)为累计失效的概率；E为击穿强度；α为形状参数，用于评估击穿电压的分散程度；Eb为击穿概率为63.28％时的击穿场强，称为特征击穿场强。
对试验数据处理公式两端取对数，得到：
ln(-ln(1-P))＝α(lnE-lnEb)。
(3)对比评测
对比计算得到的对应辐射场景下试样的内电场最大值和测定的试样的直流击穿场强，若试样内电场最大值大于直流击穿强场则认为存在静电放电风险，若试样内电场最大值小于直流击穿强场则认为不存在静电放电风险。
(4)屏蔽层设计优化
根据步骤(3)对比评测的结果，若航天器介质存在静电放电风险，则重新调整屏蔽层设计；在步骤一中调整屏蔽层材料或厚度进行模拟计算，再进行介质内电场的计算，最后进行评估介质的静电放电风险；通过多次调整、重复进行计算直至在设定的电子辐射条件下介质的内电场强度最大值小于介质的击穿场强，取屏蔽设计为安全屏蔽阈值，屏蔽层厚度或屏蔽材料密度为最低要求。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的同步轨道航天器介质内带电风险评估系统，同步轨道航天器介质内带电风险评估系统包括：
介质电子辐射模块模拟，用于构建地球同步轨道环境电子通量模型，计算出的GEO电子通量引入到Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟；
电场强度分布确定模块，用于构建三维电荷输运模型方程组，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组得到对应工况下的介质内电场强度分布；
静电放电风险评估模块，用于将内电场强度最大值与介质的击穿强场相比较，评判在对应的工况下是否存在静电放电风险。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
针对现有介质深层充放电机理分析技术存在的空白，本发明提出了一种适用于地球同步轨道航天器的介质内带电风险评估方法，本方法综合考虑同步轨道电子辐射环境、航天器屏蔽因素、工作电压等实际工况来对航天器介质的静电放电风险及其抗内带电性能掺杂改性方案的改性效果进行综合评估，从而为航天器屏蔽设计、优化及航天器介质的掺杂改性提供可行的计算验证方法。
本发明针对航天器介质，尤其是地球同步轨道运行的航天器介质内带电风险评估问题，综合考虑当前高电压、大功率航天器的发展需求，提出了一种考虑工作电压与航天器电子辐射环境共同作用下的介质内电场计算方案及内带电风险评估方案，同时本方案兼顾航天器介质掺杂改性研究需求，给出了改性介质的抗内带电性能对比评判计算方法。本专利为同步轨道上高电压、大功率航天器的内带电风险评估及屏蔽设计提供了可行的方案，同时适用于从介质材料改性角度对介质抗内带电性能的提升设计提供了可行的计算验证方案，具备技术先进性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法流程图；
图2是本发明实施例提供的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法整体技术方案示意图；
图3是本发明实施例提供的GEO电子积分通量随foy、fsc的变化示意图；
图4是本发明实施例提供的FLUMIC3模型计算出的GEO轨道电子积分通量计算值与“NASA建议的最恶劣情况”对比示意图；
图5是本发明实施例提供的GEO环境下介质电子辐射模拟示意图及Geant4中电子辐射过程模拟图；
图6是本发明实施例提供的GEO环境下不同屏蔽厚度时改性聚酰亚胺(PI)试样内的电荷沉积速率计算结果；
图7是本发明实施例提供的两种聚酰亚胺(PI)试样分段电导试验结果拟合图；
图8是本发明实施例提供的微、纳米氧化锌改性聚酰亚胺试样直流击穿场强试验结果(威布尔分布)示意图。
图9是本发明实施例提供的聚酰亚胺(PI)试样工作电压施加方式示意图；
图10是本发明实施例提供的GEO电子辐射环境下聚酰亚胺试样在不同铝屏蔽层厚度及不同工作电压下的内电场强度最大值计算结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法、系统及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法包括以下步骤：
S101，构建地球同步轨道环境电子通量模型，计算出的GEO电子通量引入到Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟；
S102，综合分析屏蔽因素，求出GEO环境电子辐射下介质在不同屏蔽下的内电荷沉积速率和剂量率的关键因素；
S103，根据介质的介电参数测定，构建三维电荷输运模型，再结合工作电压以及试样的接地方式构建不同的三维电荷输运模型方程组；
S104，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组得到对应工况下的介质内电场强度分布；
S105，将内电场强度最大值与介质的击穿强场相比较，评判在对应的工况下是否存在静电放电风险。
作为优选实施例，如图2所示，本发明实施例提供的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法具体包括以下步骤：
1.地球同步轨道(GEO)环境电子通量模型构建
为了准确计算GEO环境下聚酰亚胺试样的内电场特性，首先需要一个足够精准的GEO环境电子通量模型。由于静电放电的发生通常与空间环境电子通量的增强有关，因此标准平均通量模型AE8不再适用，需要的是一个考虑通量增强的模型。FLUMIC模型正是为了满足这一需求构建的，这是一个根据实际观测数据构建的经验模型，当前已经更新到了第三代，即FLUMIC3。其基于GEOS/SEM和STRV-1b/REM等卫星的观测数据更新了外带模型并对内辐射带电子通量进行了建模，考虑了高能电子通量的季节性和年度变化，构建了高能电子通量增强事件，是当前描述GEO环境电子通量最为准确的模型。
FLUMIC能谱模型中的外辐射带模型如下：
将太阳周期和年变化考虑在内，外辐射带(L>2.5)，电子通量将是fsc、foy、L与E的函数：
关于太阳周期的函数：
Figure BDA0003937814040000101
式中：fsc代表太阳活动周期的归一化值，其在太阳活动最小年为0。
关于季节的函数：
Figure BDA0003937814040000102
式中：foy代表日期在一年中的归一化值，1月1日为零起点。
关于能量的函数：
F(>E)＝F(>2MeV)×exp[(2-E)/E0](3)
其中：
Figure BDA0003937814040000103
关于L的函数：
Figure BDA0003937814040000111
式中：L是到地球地心的距离。
基于FLUMIC模型本发明计算了GEO环境下大于2MeV的电子通量随foy和fsc的变化，结果如图3所示。
由计算结果得，当fsc＝0.85，foy＝0.70时，电子通量存在最大值8.05×108m-2s- 1sr-1。NASA观测结果表明在GEO环境下能量大于3MeV的电子由于电子通量较小，不足以引起介质深层带电问题，一般介质深层带电考虑0.1～3MeV的电子。由此本发明根据FLUMIC3模型进一步计算了GEO环境下能量处于0.1～3MeV范围内的电子得积分通量，并与NASA建议的最恶劣情况进行了对比，结果如图4所示。
对比可见，本发明计算的GEO环境电子通量略小于NASA建议的最恶劣情况但分布趋势基本一致。
2.电子辐射下介质内电场计算模型构建
(1)电子辐射过程模拟
本方案采用基于Geant4开发的电子辐射程序来模拟高能电子与试样的作用过程，整体模型如图5所示。
GEO环境下介质电子辐射过程如图5所示。
步骤1：构建试样模型及屏蔽层模型；
在Geant4中构建对应的试样及屏蔽层模型。本例根据聚酰亚胺(PI)试样实际尺寸构建直径为10cm，厚度为1mm的圆片试样模型，整体置于真空环境中，考虑实际情况在试样的左侧10cm处构建一屏蔽层，屏蔽层材料为铝，尺寸为15cm×15cm，厚度可以根据实际情况参数化调整。
步骤2：构建电子辐射源模型，并计算相关辐射参数；
通过方案1中介绍的FLUMIC3模型计算出的结果为GEO环境下电子的积分通量，本例分析时设定电子为垂直试样平面入射，所以需要先将电子积分通量换算到垂直方向。电子源设定为一半径为6cm的圆形平面源，置于试样左侧20cm处，由左至右垂直于试样表面入射，同时设定电子为能谱抽样方式发射；模拟入射电子个数：3×106个。在电子辐射过程中，图5中圆形线条表示的是入射电子的轨迹，正方形线条表示的是碰撞过程中激发的光子的轨迹。试样模型设置为探测器并划分为100*100*10个体积微元来采集并记录辐射过程中各个位置的电荷沉积和能量沉积数据。
步骤3：计算结果处理
计算完成后需要将计算结果换算到具体的束流密度下来求取对应辐射条件下试样中对应的电荷沉积速率(ρd)和剂量率
Figure BDA0003937814040000121
分布。
换算方法如下：
假设入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2，电子源面积为A0，m2；那么虚拟辐射时间T为：
Figure BDA0003937814040000122
其中eq为电子电荷量(1.6×10-19C)，对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
Figure BDA0003937814040000123
介质内的剂量率为：
Figure BDA0003937814040000124
示例：
本例按照上述方法首先计算了GEO电子环境下，不同铝屏蔽厚度下试样内的电荷沉积速率，计算结果如图6所示。
由图6的计算结果可得，增大屏蔽厚度能有效减小电子透入量从而降低介质内的电荷沉积速率。例如无屏蔽时，试样中电荷沉积速率最大值为2.02×10-4C/m3·s；铝屏蔽层厚度为1mm时，试样内的最大电荷沉积速率为1.83×10-5C/m3·s，降幅明显；铝屏蔽厚度增加到3mm时，试样内电荷沉积速率的最大值仅为9.17×10-6C/m3·s，实现了数量级的衰减。同时可见实际空间辐射环境下介质内的电荷沉积特征单能电子入射结果存在较大差异，不再是沉积在某一特定深度，而是在介质内部不同深度分散分布。这是由于实际环境中包含的电子初始能量及束流密度各不相同，不同能量的电子在与介质材料的作用过程中经历能量的损失和转移，最终将沉积在试样的不同深度，这样电子在试样中的分布就显得较为分散和随机，某些区域可能电荷积聚较为集中。
(2)电子辐射下介质内电场计算过程
步骤1：介质内电荷输运方程构建
介质内部的电荷输运方程组如下：
Figure BDA0003937814040000131
该方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律。其中E为电场强度，V/m(待求量)；ρs为介质内的净电荷密度，C/m3，(待求量)；ε为介质的介电常数，F/m，(采用步骤1中的测试结果)；J为净电流密度，A/m2，(待求量)；ρd为介质内电荷沉积速率，C/m3·s；δE为与电场相关的电导率，S/m。
在介质深层充放电的数值计算模型中多采用Poole-Frankel效应来模拟与电场相关的电导率，但也有技术表明在聚酰亚胺中肖特基效应及Poole-Frankel效应并不能完美的解释其电荷输运过程。基于此，本方案提出一种基于介质实测数据的分段电导率计算方法，主要是基于改性试样的非线性电导特性测定数据。
本方案将依据实测的电导率数据，按照电场强度的大小对试样的电导率进行分段拟合，由试验数据得在电场强度小于1kV/mm时，电导随电场变化不明显，这里设定为“低场区”，在低场区采用试样实测的本征电导率；场强大于1kV/mm后电导率将随着电场强度的增大而增大，以非线性电导阈值为分界点将这一区域划分为两部分，其中1kV/mm到突变点阈值电场设定为“低增速区”，突变点之后设定为“非线性增长区”，据此将与电场相关的电导率分为三段。
整体设计如下：
Figure BDA0003937814040000141
电导率拟合结果示例如图7所示。
如图7所示，分别给出了1wt％微米氧化锌/聚酰亚胺改性试样及3wt％微米氧化锌/聚酰亚胺改性试样的分段电导拟合结果。
步骤2：介质内电场计算过程
电场计算模型采用步骤1中给出的电荷输运模型，其中试样的电导率采用依据试验数据分段拟合的方式进行处理。电荷输运模型采用COMSOL软件基于有限元方法求解，由于需要根据拟合参数来进行输运方程的修改重构，本发明没有选用COMSOL中给出的固有模块来进行电场的计算，而是选用数学模块中的偏微分方程接口来自定义需要求解的方程组。本发明选用一般形式的偏微分方程，其具体结构如下：
Figure BDA0003937814040000142
Figure BDA0003937814040000143
根据电荷输运模型方程组对照修改此偏微分方程的系数即可，泊松方程也可由此方程改写得到。
同时，本发明仿真计算过程中还需考虑的具体工况，主要包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值、施加位置等因素，这些对应的就是偏微分方程组的初始状态及边界条件。在COMSOL中可以通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件来进行各种初始状态的设定。
同需要先采用Geant4编程按照设定的辐射参数进行电子辐射过程的模拟，再将求取出的试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率这两个关键参数引入到计算模型中，本发明采用插值的方法将其导入到COMSOL中。然后根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再对试样模型进行网格剖分，设定辐射时间，选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，最终就可得到出实际工况下设定辐射时间内试样的内电场分布。
3.电子辐射下介质静电放电风险评估
步骤1：通过方案1和2计算出对应电子辐射场景下介质内电场强度最大值。
步骤2：测定试样的直流击穿场强。
本方案采用击穿测试试验平台对改性试样进行了直流耐压测试，测试电极为球-球电极，置于绝缘油中进行，防止沿面闪络。
试验数据采用威布尔(Weibull)分布方法来进行处理，公式如下：
Figure BDA0003937814040000151
式中：P(E)为累计失效的概率；E为击穿强度；α为形状参数，可用来评估击穿电压的分散程度；Eb为击穿概率为63.28％时的击穿场强，称为特征击穿场强，对上式两端取对数即可得到：
ln(-ln(1-P))＝α(lnE-lnEb)
示例：
微纳米氧化锌改性聚酰亚胺试样直流击穿场强处理后的试验结果如图8所示。
步骤3：对比评测
对比步骤1计算出的对应辐射场景下试样的内电场最大值和步骤2中测定的试样的直流击穿场强，如试样内电场最大值大于直流击穿强场则认为存在静电放电风险，试样内电场最大值小于直流击穿强场则认为不存在静电放电风险。
步骤4：屏蔽层设计优化
根据步骤3对比评测的结果，如果航天器介质存在静电放电风险，则需要重新调整屏蔽层设计。可在方案1中调整屏蔽层材料或厚度等来进行模拟计算，再通过方案2中的方法进行介质内电场的计算，最后在由方案3中的方法来进行评估介质的静电放电风险。可多次调整、重复进行计算直至在设定的电子辐射条件下介质的内电场强度最大值小于介质的击穿场强，取此时的屏蔽设计为安全屏蔽阈值，即此时的屏蔽层厚度或屏蔽材料密度为最低要求。
本发明实施例提供的同步轨道航天器介质内带电风险评估系统包括：
介质电子辐射模块模拟，用于构建地球同步轨道环境电子通量模型，计算出的GEO电子通量引入到Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟；
电场强度分布确定模块，用于构建三维电荷输运模型方程组，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组得到对应工况下的介质内电场强度分布；
静电放电风险评估模块，用于将内电场强度最大值与介质的击穿强场相比较，评判在对应的工况下是否存在静电放电风险。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
以典型航天器介质聚酰亚胺为例，采用本发明方案计算了地球同步轨道电子辐射环境下，铝屏蔽厚度为0～5mm，工作电压为100V，500V，1000V，2000V，3000V，5000V时聚酰亚胺样品内电场最大值，其中电压施加方式为如图9所示。
电场计算结果为图10所示。可得如下结论：
工作电压在100V到5000V的范围内，应用本例四种电压施加方式时，如果设定静电放电阈值为2×107V/m，那么所需的最小铝屏蔽厚度应为2mm；对于较为苛刻的环境，如果以1×107V/m作为考核阈值，那么所需的最小铝屏蔽厚度应在4～5mm。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，同步轨道航天器介质内带电风险评估方法包括：构建地球同步轨道环境电子通量模型，再将地球同步轨道环境电子通量模型计算出的GEO电子通量引入到Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟，综合考虑屏蔽因素求出GEO环境电子辐射下介质在不同屏蔽下的内电荷沉积速率和剂量率的关键因素；根据介质的介电参数测定，构建三维电荷输运模型，再结合工作电压以及试样的接地方式构建不同的三维电荷输运模型方程组；采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组得到对应工况下的介质内电场强度分布；将内电场强度最大值与介质的击穿强场相比较，评判在对应的工况下是否存在静电放电风险。
2.如权利要求1所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，同步轨道航天器介质内带电风险评估方法包括以下步骤：
步骤一，地球同步轨道环境电子通量模型构建；
步骤二，电子辐射下介质内电场计算模型构建；
步骤三，电子辐射下介质静电放电风险评估。
3.如权利要求2所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，步骤一中的地球同步轨道环境电子通量模型构建包括：
采用FLUMIC3(Flux Model for Internal Charging)模型来构建同步轨道的电子通量环境：
FLUMIC能谱模型中的外辐射带模型如下：
将太阳周期和年变化考虑在内，外辐射带L>2.5，电子通量将是fsc、foy、L与E的函数：
关于太阳周期的函数：
Figure FDA0003937814030000011
式中，fsc代表太阳活动周期的归一化值，在太阳活动最小年为0；
关于季节的函数：
Figure FDA0003937814030000021
式中，foy代表日期在一年中的归一化值，1月1日为零起点；
关于能量的函数：
F(>E)＝F(>2MeV)×exp[(2-E)/E0]；
其中，
Figure FDA0003937814030000022
关于L的函数：
Figure FDA0003937814030000023
式中，L是到地球地心的距离。
4.如权利要求2所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，步骤二中的电子辐射下介质内电场计算模型构建包括：
(1)电子辐射过程模拟：采用基于Geant4开发的电子辐射程序模拟高能电子与试样的作用过程；
(2)电子辐射下介质内电场计算过程：包括介质内电荷输运方程构建以及介质内电场计算。
5.如权利要求4所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，步骤(1)中的电子辐射过程模拟包括：
1)在Geant4中构建对应的试样模型及屏蔽层模型；
2)构建电子辐射源模型，并计算相关辐射参数；
通过FLUMIC3模型计算出的结果为GEO环境下电子的积分通量，将电子积分通量换算到垂直方向，分析时设定电子为垂直试样平面入射；电子源设定为一半径为6cm的圆形平面源，置于试样左侧20cm处，由左至右垂直于试样表面入射，同时设定电子为能谱抽样方式发射；模拟入射电子个数为3×106个；
3)计算结果处理
在Geant4中计算完成后，得到的是统计出的的电荷沉积数En和能量沉积Eg需要将其换算成设定电子束流密度下的电荷沉积速率ρd和剂量率
Figure FDA0003937814030000031
换算方法如下：
当入射电子个数为N；入射电子束流密度为J0，A/m2，电子源面积为A0，m2；那么虚拟辐射时间T为：
Figure FDA0003937814030000032
其中，eq为电子电荷量，设定为1.6×10-19C；对应到实际束流下介质内的电荷沉积速率为：
Figure FDA0003937814030000033
介质内的剂量率为：
Figure FDA0003937814030000034
步骤(2)中的电子辐射下介质内电场计算过程包括：
1)介质内电荷输运方程构建
介质内部的电荷输运方程组如下：
Figure FDA0003937814030000035
电荷输运方程组从上到下依次为泊松方程、电流连续性方程和欧姆定律；其中，E为电场强度，单位V/m；ρs为介质内的净电荷密度，单位C/m3；ε为介质的介电常数，单位F/m；J为净电流密度，单位A/m2；ρd为介质内电荷沉积速率，单位C/m3·s；δE为与电场相关的电导率，单位S/m；
基于改性试样的非线性电导特性测定数据；依据实测的电导率数据，按照电场强度的大小对试样的电导率进行分段拟合，由试验数据得在电场强度小于1kV/mm时，电导随电场变化不明显，设定为低场区，在低场区采用试样实测的本征电导率；场强大于1kV/mm后电导率将随着电场强度的增大而增大，以非线性电导阈值为分界点将区域划分为两部分，其中1kV/mm到突变点阈值电场设定为低增速区，突变点之后设定为非线性增长区；
整体设计如下：
Figure FDA0003937814030000041
2)介质内电场计算过程
电场计算模型采用电荷输运模型，试样的电导率采用依据试验数据分段拟合的方式进行处理；电荷输运模型采用COMSOL软件基于有限元方法求解，选用数学模块中的偏微分方程接口自定义需要求解的方程组，根据电荷输运模型方程组对照修改此偏微分方程的系数和泊松方程；偏微分方程为：
Figure FDA0003937814030000042
Figure FDA0003937814030000043
在仿真计算过程中分析具体工况，包括试样的接地状态、接地位置以及工作电压的幅值和施加位置因素，对应偏微分方程组的初始状态及边界条件；在COMSOL中通过修改自定义方程的初始条件及添加狄利克雷边界条件进行各种初始状态的设定；采用Geant4编程按照设定的辐射参数进行电子辐射过程的模拟，再将试样中各个位置的电荷沉积速率和剂量率引入到计算模型中，采用插值的方法导入到COMSOL中；根据试样实际工况设定接地条件及工作电压，再对试样模型进行网格剖分，设定辐射时间；选用基于LU分解的MUMPS类型求解器进行求解计算，最终得到实际工况下设定辐射时间内试样的内电场分布。
6.如权利要求2所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法，其特征在于，步骤三中的电子辐射下介质静电放电风险评估包括：
(1)计算对应电子辐射场景下介质内电场强度最大值；
(2)测定试样的直流击穿场强；
采用击穿测试试验平台对改性试样进行直流耐压测试，测试电极为球-球电极，置于绝缘油中进行；试验数据采用威布尔分布方法进行处理，公式如下：
Figure FDA0003937814030000051
式中，P(E)为累计失效的概率；E为击穿强度；α为形状参数，用于评估击穿电压的分散程度；Eb为击穿概率为63.28％时的击穿场强，称为特征击穿场强；
对试验数据处理公式两端取对数，得到：
ln(-ln(1-P))＝α(lnE-lnEb)；
(3)对比评测
对比计算得到的对应辐射场景下试样的内电场最大值和测定的试样的直流击穿场强，若试样内电场最大值大于直流击穿强场则认为存在静电放电风险，若试样内电场最大值小于直流击穿强场则认为不存在静电放电风险；
(4)屏蔽层设计优化
根据步骤(3)对比评测的结果，若航天器介质存在静电放电风险，则重新调整屏蔽层设计；在步骤一中调整屏蔽层材料或厚度进行模拟计算，再进行介质内电场的计算，最后进行评估介质的静电放电风险；通过多次调整、重复进行计算直至在设定的电子辐射条件下介质的内电场强度最大值小于介质的击穿场强，取屏蔽设计为安全屏蔽阈值，屏蔽层厚度或屏蔽材料密度为最低要求。
7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的同步轨道航天器介质内带电风险评估系统，其特征在于，同步轨道航天器介质内带电风险评估系统包括：
介质电子辐射模块模拟，用于构建地球同步轨道环境电子通量模型，计算出的GEO电子通量引入到Geant4中进行介质电子辐射过程的模拟；
电场强度分布确定模块，用于构建三维电荷输运模型方程组，采用有限元方法求解对应的三维电荷输运方程组得到对应工况下的介质内电场强度分布；
静电放电风险评估模块，用于将内电场强度最大值与介质的击穿强场相比较，评判在对应的工况下是否存在静电放电风险。
8.一种计算机设备，其特征在于，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1～6任意一项所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估方法的步骤。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，信息数据处理终端用于实现如权利要求7所述的同步轨道航天器介质内带电风险评估系统。
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