[发明专利]一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，属于空间微波部件可靠性研究技术领域。

背景技术

航天器微波部件从发射后到进入轨道工作期间，存在发生低气压放电的风险。进入轨道后，空间微波部件在大功率条件下长时间工作，部件内部积累气体，也有可能引起低气压放电。此外，随着我国载人航天与深空探测计划的步步推进，航天器在重返大气层或登陆外星体的过程中也有可能受到低气压放电的危害。而且，飞艇等大型航空设备因其工作环境也有发生低气压放电的风险。如今，航天器有效载荷中所应用的空间微波部件要求更宽的带宽，更高的元件集成度和更大的功率容量，这必然导致空间微波部件内存在更高的电场密度和更小的间隙尺寸，这也加大了低气压放电的风险。目前，国内外空间微波部件的低气压放电阈值主要通过反复实验得到，实验周期长、设计成本高昂，而针对空间微波部件低气压放电阈值的预测方法可分析部件结构单一，计算精度不高。

目前国际上多采用基于经典气体击穿理论和多次试验数据拟合的半解析公式估算低气压放电阈值，该方法的局限性在于公式中的等效长度仅对于有限的结构，如平行平板、矩形波导和圆波导才有解。欧空局针对低气压环境中发生的放电过程开发了全波电磁仿真工具(FEST3D)和电晕放电电子模拟(CEST)。FEST3D采用矩量法计算微波部件内部的电磁场分布，在局部范围内假设电磁场均匀分布，通过解析方法计算低气压放电阈值，该软件适用于气压偏高时微波部件中的放电阈值计算，仅能分析类似于矩形波导的结构，适用范围较窄。CEST采用混合模拟近似法，考虑电子与电磁场的相互作用，利用微分方程求解。该软件只能分析矩形波导，对低气压放电的数值模拟还停留在探索阶段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法。

本发明的技术解决方案是：

一种空间微波部件低气压放电数值模拟方法，所述空间微波部件内部的粒子包括初始粒子和目标粒子，初始粒子按其带电性分为初始电子和初始离子，步骤如下：

(1)基于粒子模拟的方法建立空间微波部件中低气压放电数值模型，具体通过如下步骤：

(1.1)根据第i个初始粒子在预设的时间步长Δt内，从一个初始位置运动到另一个位置的位移判断该初始粒子是否与空间微波部件内表面金属边界发生碰撞，若初始粒子在Δt内运动的位移大于等于它的初始位置到金属边界的距离，则发生碰撞，进入步骤(1.2)；若初始粒子在Δt内运动的位移小于它的初始位置到金属边界的距离，则没有发生碰撞，进入步骤(1.3)；

(1.2)根据第i个初始粒子的初始动能和微波部件内表面金属材料的二次电子发射特性判断是否发生二次电子倍增，若发生二次电子倍增产生二次电子，则将发射出的二次电子看作新的粒子，将它们的动能和位移设为下一个时间步长的初始状态，之后进入步骤(2)；若没有发生二次电子倍增，则认为第i个初始粒子被金属材料吸收；