確定衛星外露介質組件帶電風險的方法
2023-05-24 23:08:06 2
確定衛星外露介質組件帶電風險的方法
【專利摘要】本發明公開了一種確定衛星外露介質組件帶電風險的方法，根據外露介質組件的三維幾何構造以及每種材料的物性參數等，在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質組件中的輸運過程，獲得介質組件內部的三維劑量率分布和單位時間內電荷沉積密度分布；以輸運模擬結果為輸入條件，建立並求解描述衛星外露介質組件多種帶電效應耦合過程的方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質內部三維電場分布；從求解得到的三維電場分布中找出電場最大值（Emax），根據電場最大值的數值範圍，確定衛星外露介質組件的放電風險。本發明的風險程度的判定可用於確定介質組件的安全性以及應對空間等離子體環境的適應能力。在衛星研製過程中，有助於降低成本、周期，提升衛星可靠性。
【專利說明】確定衛星外露介質組件帶電風險的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於太空飛行器的空間帶電可靠性確定【技術領域】，具體來說，涉及一種確定衛星外露介質組件帶電風險的方法。
【背景技術】
[0002]在低於地球同步軌道的空間等離子體環境中，能量較高的電子(大於50keV)可以注入衛星外露介質組件較深處，由於介質電導率極低，注入電子不易洩漏，導致介質內部充電，稱為深層充電或內帶電效應。能量較低的電子(小於50keV)和離子在材料中的射程只有微米量級或者更低，它們只能使得外露介質組件表面層產生充電效應，稱為表面帶電效應。內帶電與表面帶電效應統稱為帶電效應。帶電效應會使介質中形成電場，當滿足一定的條件時，該電場可超過材料擊穿閾值，並可能導致放電，放電可直接損毀臨近組件，或者通過電磁脈衝幹擾衛星電子系統，從而引起故障。因此，有必要確定特定條件下介質組件的帶電風險程度，從而優化介質組件的設計。
[0003]內帶電與表面帶電效應具有顯著的區別，利用傳統方法確定二者的風險時，均採用完全不同的計算方法，並且分開進行。對於衛星內部組件，由於沒有表面帶電效應，傳統方法可以解決問題。但對於衛星外露介質組件，其表面帶電與內帶電效應都比較顯著，傳統方法已不再適用。為此，提供一種能夠對衛星外露介質組件帶電風險進行確定的方法非常必要。
【發明內容】
[0004]本發明的發明目的在於提供一種可以通過計算空間等離子體環境中衛星外露介質組件內帶電與表面帶電、結構充電效應稱合形成的三維電場分布而確定其帶電風險程度的方法。
[0005]為實現上述目的，本發明採用了如下技術方案:
[0006]確定衛星外露介質組件帶電風險的方法，包括以下步驟:
[0007]I根據外露介質組件的三維幾何構造以及每種材料的物性參數、大於50keV電子的通量和能譜、電子入射方式在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質組件中的輸運過程，獲得介質組件內部的用於計算介質輻射誘導電導率的三維劑量率分布和單位時間內電荷沉積密度分布QT(x, y, z, t)；
[0008]2建立描述衛星外露介質組件多種帶電效應耦合過程的方程組，根據上述輸運模擬結果，介質材料的暗電導率、激活能、相對介電常數、輻射誘導電導率係數(kp和Λ)、溫度，空間等離子體環境參數，以及介質和結構外露部分表面的二次電子發射係數、光電子發射係數、光強、光入射角、背散射係數，利用COMSOLMultiphysics求解方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質內部三維電場分布；
[0009]建立內帶電偏微分方程
[0010]對於衛星外露組件的內帶電過程，結構充電、表面帶電的產生是為內帶電提供邊界電流和浮動電位邊界條件，在式(I)中引入了新項Qb(X，y，z, t) |s,建立的內帶電偏微分方程如下:
【權利要求】
1.確定衛星外露介質組件帶電風險的方法，包括以下步驟: 1)根據外露介質組件的三維幾何結構以及每種材料的物性參數、大於50keV電子的通量和能譜、電子入射方式在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質組件中的輸運過程，獲得介質組件內部的用於計算介質輻射誘導電導率的三維劑量率分布和單位時間內電荷沉積密度分布QT(x, y, z, t)； 2)建立描述衛星外露介質組件多種帶電效應耦合過程的方程組，根據上述輸運模擬結果，介質材料的暗電導率、激活能、相對介電常數、輻射誘導電導率係數(kp和Λ)、溫度，空間等離子體環境參數，以及介質和結構外露部分表面的二次電子發射係數、光電子發射係數、光強、光入射角、背散射係數，利用COMSOLMultiphysics求解方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質內部三維電場分布； a.建立內帶電偏微分方程 對於衛星外露組件的內帶電過程，結構充電、表面帶電的產生是為內帶電提供邊界電流和浮動電位邊界條件，在式(I)中引入了新項Qb(x，y，z，t) Is，建立的內帶電偏微分方程如下:
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述物性參數為元素成分或密度。
3.如權利要求1所述的方法，其中，電子入射方式為各向同性入射或單向入射。
4.如權利要求1所述的方法，其中，結構充電電流密度和包括電子電流Jep=Jes、離子電流Jip=Jis、次級電流Je2p、光電子電流Jpp、背散射電流Jbp。
5.如權利要求1所述的方法，其中，空間等離子體環境參數為低於50keV電子的通量和能譜以及離子通量與能譜。
6.如權利要求1所述的方法,其中，s2在0.001至I秒之間。
【文檔編號】G06F17/50GK103886149SQ201410100791
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】唐小金, 易忠, 張超, 劉業楠, 王志浩, 黃建國, 孟立飛 申請人:北京衛星環境工程研究所