JP2002024304A - 静止軌道上宇宙機器帯電解析システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 短時間の解析により解析対象宇宙機器の最大
帯電軌道位置やその絶対帯電量を推測することが可能な
静止軌道上宇宙機器帯電解析システムを得る。 【解決手段】 衛星の形状モデルを元に寸法情報および
構成素材情報を有する衛星構成モデル部１と、静止軌道
上における宇宙機器の連続形態係数を含むデータベース
を備えた衛星軌道情報データベース部２と、静止軌道位
置におけるプラズマ環境条件（荷電粒子密度等）を含む
プラズマ環境データを有するプラズマ環境データ部３
と、衛星構成モデル部１と衛星軌道情報データベース部
２とプラズマ環境データ部３からのデータより衛星構成
素材と宇宙空間との間の定常電流を算出して衛星構成素
材の宇宙空間に対する電位を算出する絶対電位計算部４
と、絶対電位計算部４で導出された衛星構成要素の電位
を周回軌道位置の関数として表示する結果表示部５とを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は静止軌道上宇宙機
器帯電解析システムに関し、特に、宇宙空間における宇
宙機器のＥＳＤ（Electro Static Discharge）解析を行
う静止軌道上宇宙機器帯電解析システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、現在市販されている汎用ツール
で使用されている従来の静止軌道上宇宙機器帯電解析シ
ステムの解析方法の処理の流れを示した流れ図である。
なお、図８は、図７の従来システムの帯電解析の概略を
説明するための説明図である。図８を用いて先に概略を
説明する。図８において、１００は解析対象の宇宙機器
である解析対象衛星であり、１０２は、解析対象衛星１
００の円形の静止軌道上の離散的な複数の軌道位置であ
り、１０４は静止軌道の外側に位置する太陽、１０６は
静止軌道の中心に位置する地球、１０８は地球影部分で
ある。図７の従来システムにおいては、解析対象衛星１
００の離散的な各軌道位置１０２における帯電量の解析
を行う。

【０００３】図７に示すように、従来の解析方法におい
ては、まず、衛星１００の形状モデルの設定（ステップ
Ｓ１００）と、衛星１００を構成する表面材料特性の設
定（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、特定軌道位置に
対応する太陽光入射角の設定（ステップＳ１０３）と、
プラズマ環境条件（ステップＳ１０４）の設定を、プロ
グラムに入力することにより行う。次に、これらの入力
された解析条件を用いて入射プラズマ電流を計算し（ス
テップＳ１０５）、連立常微分方程式の数値解を求め
（ステップＳ１０６）、衛星１００の各部の絶対電位を
求める（ステップＳ１０７）。

【０００４】解析には、このように、衛星１００の形状
モデル（ステップＳ１００）と、衛星１００を構成する
表面材料特性（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、特定
軌道位置に対応する太陽光入射角（ステップＳ１０３）
と、プラズマ環境条件（ステップＳ１０４）とをプログ
ラムに入力して使用し、それらの解析条件が変更になる
毎にコンパイルして使用する。例として、衛星１００の
軌道上位置（ローカルタイム）を変更する場合について
説明すれば、衛星１００の軌道位置１０２に対応した太
陽光入射角を再入力してコンパイルし直し、再計算を行
うことが必要となる。すなわち、図８に示すように、起
動周回に伴い、軌道位置１０２のうちの位置Ａから位置
Ｂに衛星１００が移動する時の帯電量の変化（最大帯電
となる軌道位置等）を知るには、位置Ａにおける衛星１
００に対する太陽光入射角での解析と位置Ｂにおける衛
星１００に対する太陽光入射角での解析と言った具合に
離散的な軌道位置１０２において、必要な軌道位置１０
２分だけの計算を行うことが必要となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の解析方法では、
特定の解析条件（宇宙機器の軌道位置、プラズマ環境条
件、宇宙機器の最外層構成部材情報）を入力して初めて
その宇宙機器の特定軌道位置、特定プラズマ環境条件に
おける帯電電位を求めることができる。この為、対象と
なる宇宙機器が軌道上のどの位置で曝露部に最大帯電を
生じるのかを知るには軌道位置を変えた計算を繰り返し
てその帯電量の変化を追う必要があった。この為、最大
帯電する軌道位置を知り、その位置における特定プラズ
マ環境条件下の衛星最外層部帯電量を求めるには多くの
計算時間を必要としてしまうという問題点があった。

【０００６】また、従来の解析方法では、軌道上の任意
位置において宇宙機器が宇宙空間に対してどの程度帯電
しているのか、すなわち、軌道上における帯電量推移を
見極めるには、所望の軌道上位置分だけの解析条件で計
算を実行しなくてはならないため、この見極めには多大
の計算時間を要してしまうという問題点があった。

【０００７】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、短時間の解析により宇宙機器の
最大帯電軌道位置やその絶対帯電量を推測することが可
能な静止軌道上宇宙機器帯電解析システムを得ることを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、解析対象の
宇宙機器のモデル形状情報及び物性情報を有する構成モ
デル部と、静止軌道上における宇宙機器の連続形態係数
を含むデータベースを備えた軌道情報データベース部
と、静止軌道の軌道位置におけるプラズマ環境条件を含
むプラズマ環境データを有するプラズマ環境データ部
と、構成モデル部と軌道情報データベース部とプラズマ
環境データ部とからのデータより、宇宙機器の構成要素
と宇宙空間との間の定常電流を算出して、構成要素の宇
宙空間に対する電位を算出する絶対電位計算部と、絶対
電位計算部で導出された構成要素の電位を静止軌道の軌
道位置の関数として表示する結果表示部とを備えた静止
軌道上宇宙機器帯電解析システムである。

【０００９】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本発明の
実施の形態１における静止軌道上宇宙機器帯電解析シス
テムの構成を示したブロック図である。図において、１
は衛星の形状モデルを元に寸法情報および構成素材情報
を有する衛星構成モデル部、２は静止軌道上における宇
宙機器の連続形態係数を含むデータベースを備えた衛星
軌道情報データベース部、３は静止軌道位置におけるプ
ラズマ環境条件（荷電粒子密度等）を含むプラズマ環境
データを有するプラズマ環境データ部、４は、衛星構成
モデル部１と衛星軌道情報データベース部２とプラズマ
環境データ部３とからのデータより衛星構成素材と宇宙
空間との間の定常電流を算出して衛星構成素材の宇宙空
間に対する電位を算出する絶対電位計算部、５は絶対電
位計算部４で導出された衛星構成要素の電位を周回軌道
位置の関数として表示する機能を有する結果表示部であ
る。本発明の解析システムは、衛星構成モデル部１と衛
星軌道情報データベース部２とプラズマ環境データ部３
と絶対電位計算部４と結果表示部５とから構成されてい
る。

【００１０】図６は、本発明の解析システムの帯電解析
の概要を説明するための説明図である。図６において、
１００は解析対象の宇宙機器である解析対象衛星であ
り、１１０は衛星１００の円形の静止軌道である。ま
た、１０４は静止軌道１１０の外側に位置する太陽、１
０６は静止軌道１１０の中心に位置する地球、１０８は
地球影部分である。図１の本解析システムにおいては、
衛星１００の静止軌道１１０上の任意位置における解析
を実行する。

【００１１】図１の説明に戻る。衛星構成モデル部１が
有している情報は、衛星の曝露部にあたる最外層の情
報、すなわち、電荷の帯電する要素部材のモデル形状の
情報と物性情報とから成り、例えば、図２に示すよう
に、各構成素材（部材名）の体積抵抗率、比誘電率、厚
さ、光電子電流密度、導電体（金属）か誘電体かといっ
た種別情報とから構成される。

【００１２】また、衛星軌道情報データベース部２は、
軌道位置（ローカルタイム）の関数として静止軌道１周
分の衛星構成部材に対する形態係数を有する。

【００１３】プラズマ環境データ部３は、解析をする静
止軌道位置におけるプラズマ環境に関するデータを所有
し、例えば、図３に示すように、電子・プロトンの電流
密度、電子・プロトン・光電子・２次放射電子の平衡温
度、絶縁面・導電面各々における電子・プロトンの２次
放射係数を示す。

【００１４】絶対電位計算部４は。衛星構成モデル部
１、衛星軌道情報データベース部２およびプラズマ環境
データ部３の解析条件を使用して衛星表面と宇宙空間と
の間に流入出する定常電流を求め、宇宙空間に対する衛
星構成要素の相対的な定常電位を算出する。

【００１５】結果表示部５は、絶対電位計算部４で算出
した各衛星構成要素の宇宙空間に対する帯電電位をロー
カルタイム（軌道位置）の関数として、例えば、図４
（ａ）に示すように一覧表示するか、及び／または、図
４（ｂ）に示すようにグラフ化して表示する。

【００１６】次に本発明の解析システムの動作について
説明する。図５は、本発明の解析システムの解析方法の
処理の流れを示した流れ図である。まず、解析対象宇宙
機器である衛星１００の形状の設定と（ステップＳ
１）、衛星１００を構成する表面材料の設定（ステップ
Ｓ２）と、静止軌道１１０の条件設定（ステップＳ３）
とを行うことにより、衛星構成モデル部１により衛星１
００のモデルが作成され、これに基づいて、衛星軌道情
報データベース部２により、図６に示す静止軌道１１０
上における軌道一周分の各々の構成要素に対する連続形
態係数が算出される。なお、この算出については、熱解
析等の現在市販されている他の汎用解析ツールで取得さ
れるデータを共通データとして使用すれば、解析の効率
化を図ることができる。次に、宇宙機器構成要素の軌道
上における形態係数を用いて任意部材に対する太陽光入
射量を算出し（ステップＳ４）、これと最外層部材の構
成部材情報とを基に光電子電流密度を導出する（ステッ
プＳ５）。次に、プラズマ環境データ部３により、プラ
ズマ環境条件の設定を行い（ステップＳ６）、プラズマ
環境条件と最外層部材の構成部材情報とから２次電子電
流密度を導出し、さらに、プラズマ環境条件より宇宙機
器に流入出する電子電流密度を導出する（ステップＳ
７）。そしてこれらの３つのプロセスによって生じる荷
電粒子の流れを宇宙空間と衛星構体間の定常電流として
絶対電位計算部４が導出し（ステップＳ８）、定常状態
における各部材の宇宙空間に対する相対電位を導出する
（ステップＳ９）。

【００１７】前述した解析フロー中の３つのプロセスに
ついて説明する。宇宙機器の帯電解析モデルは、熱解析
モデル等と共通のものを使用し、これにより軌道周回時
の各機器最外層要素の形態係数を取得する。この形態係
数は、熱解析モデルと共通データとなる。形態係数によ
り、任意軌道位置における各要素に入射する太陽光強度
を算出し、その部材が宇宙空間に放出する光電子電流密
度が求まる。また、プラズマ環境条件における電子の電
流密度と宇宙機器の使用部材の２次電子放出係数から、
１次電子によって宇宙機器各要素の最外層より宇宙空間
に放出される２次電子電流密度が求まる。この他にプラ
ズマ環境データ部３の電子密度から宇宙機器に入射する
電子電流密度が求まる。本解析システムでは、定常解析
を行っており、これら３プロセスを連立常微分方程式で
記述し、それを解くことによって、各軌道位置における
宇宙機器各要素と宇宙空間との間を流れる定常電流を計
算し、要素の物性値（体積抵抗値）から各要素の宇宙空
間に対する相対電位を導出している。

【００１８】以上のように、本発明の解析システムにお
いては、静止軌道１１０の任意位置における宇宙機器１
００の姿勢情報を再入力して何度も計算せずとも、全周
回軌道上での宇宙機器最外層の宇宙空間に対する絶対電
位を一度の計算で算出することができる。これにより、
解析に要する時間が飛躍的に短縮され、宇宙機器に対す
る帯電量が最大となる軌道位置を瞬時に確認することが
できる。

【００１９】また、本発明によれば、一度の解析で軌道
上の任意の点における宇宙機器部材の相対電位が計算で
きるため、従来は所望軌道位置毎に解析し直さなくては
ならなかった計算の解析効率を格段に向上させることが
可能である。このことは、軌道上のどの位置を宇宙機器
が航行している時に最大の帯電量になるかを知る際に帯
電量を軌道位置の関数として表示すれば瞬時に理解でき
るといったメリットがある。

【００２０】また、絶対帯電量と宇宙機器の導体部分と
の電位差を軌道位置の関数として表示すれば宇宙機器の
誘電部位と導電部位との電位差が軌道周回につれて具体
的な数値としてどう変化していくかも一別できる。実際
に真空放電が起きるのは、誘電部位と導電部位間である
ため、このことは実際の設計評価の際に何処の誘電体部
位の帯電量に気を配って設計すれば良いのかを知ること
が出来る。

【００２１】そして宇宙空間における環境条件は観測衛
星等の取得データなど離散的な値を用いる為、環境条件
をパラメータサーチして最大帯電量を計算するには、従
来システムを用いると、解析毎にプログラム中の環境条
件を適宜書き換える他に軌道位置ももう一つのパラメー
タとして振る必要がある。本解析システムを用いること
により、軌道位置サーチがなくなり、解析効率を向上さ
せることができる。このようなパラメータサーチ形式を
使用すれば実質的にも最悪条件下の時に設計した宇宙機
器がどの程度のサブストームまで耐電圧的に持ちこたえ
られるかが容易に見積もれる。

【００２２】また、本解析システムによれば、宇宙空間
における宇宙機器の最外層使用部材物性値は、物質によ
り離散的な値を持つ為、従来ツールで使用部材をパラメ
ータサーチする際には軌道位置の組合せにより複数のパ
ラメータサーチを行わなくてはならなかったものが特定
軌道位置上で物性値のみのパラメータサーチを行えばよ
く、解析効率を飛躍的に向上させる事が出来る。こうし
たパラメータサーチ形式を使用すれば実質的にも最悪条
件下の時に設計した宇宙機器がどの程度の物性値（体積
抵抗率）を持つ最外層部材を用いれば現状環境における
耐電圧に持ちこたえられるか、あるいは、現状以上のマ
ージンを持って設計出来るかが容易に見積もれる。

【００２３】

【発明の効果】この発明は、解析対象の宇宙機器のモデ
ル形状情報及び物性情報を有する構成モデル部と、静止
軌道上における宇宙機器の連続形態係数を含むデータベ
ースを備えた軌道情報データベース部と、静止軌道の軌
道位置におけるプラズマ環境条件を含むプラズマ環境デ
ータを有するプラズマ環境データ部と、構成モデル部と
軌道情報データベース部とプラズマ環境データ部とから
のデータより、宇宙機器の構成要素と宇宙空間との間の
定常電流を算出して、構成要素の宇宙空間に対する電位
を算出する絶対電位計算部と、絶対電位計算部で導出さ
れた構成要素の電位を静止軌道の軌道位置の関数として
表示する結果表示部とを備えた静止軌道上宇宙機器帯電
解析システムであるので、短時間の解析（すなわち、一
度の解析）により宇宙機器の最大帯電軌道位置やその絶
対帯電量を推測することができ、解析効率を飛躍的に向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムの構成を示したブロック図であ
る。

【図２】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムにおける衛星構成部材情報の一例
を示した説明図である。

【図３】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムにおけるプラズマ環境条件の一例
を示した説明図である。

【図４】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムの結果表示の一例を示した図であ
る。

【図５】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムにおける解析処理の流れを示した
流れ図である。

【図６】 本発明の実施の形態１による静止軌道上宇宙
機器帯電解析システムにおける帯電解析の概略を説明し
た説明図である。

【図７】 従来の静止軌道上宇宙機器帯電解析システム
における解析処理の流れを示した流れ図である。

【図８】 従来の静止軌道上宇宙機器帯電解析システム
における帯電解析の概略を説明した説明図である。

【符号の説明】

１ 衛星構成モデル部、２ 衛星軌道情報データベース
部、３ プラズマ環境データ部、４ 絶対電位計算部、
５ 結果表示部、１００ 衛星、１０２ 軌道位置、１
０４ 太陽、１０６ 地球、１０８ 地球影部分、１１
０ 静止軌道。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 解析対象の宇宙機器のモデル形状情報及
   び物性情報を有する構成モデル部と、 静止軌道上における上記宇宙機器の連続形態係数を含む
   データベースを備えた軌道情報データベース部と、 上記静止軌道の軌道位置におけるプラズマ環境条件を含
   むプラズマ環境データを有するプラズマ環境データ部
   と、 上記構成モデル部と上記軌道情報データベース部と上記
   プラズマ環境データ部とからのデータより、上記宇宙機
   器の構成要素と宇宙空間との間の定常電流を算出して、
   上記構成要素の上記宇宙空間に対する電位を算出する絶
   対電位計算部と、 上記絶対電位計算部で導出された上記構成要素の電位を
   上記静止軌道の軌道位置の関数として表示する結果表示
   部とを備えたことを特徴とする静止軌道上宇宙機器帯電
   解析システム。