[发明专利]一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及任意结构地球同步轨道航天器表面任意介质材料的充电电位计算，属于空间计算领域，具体涉及一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法。

背景技术

地球同步轨道（GEO）高度约为6个地球半径，一般情况下，整个轨道贯穿太阳风的高能电子离子云（常引起地磁亚暴）、外范艾伦辐射带以及地球阴影区的低能高密度的等离子体环境。由于同步轨道贯穿的区域不同，而不同区域等离子体的能量和温度存在巨大差异，从而形成了同步轨道航天器极其严酷的充电环境。

地球同步轨道附近区域的高能等离子体可以使航天器表面电势充至上千伏甚至更高。地球同步轨道的航天器充电一般发生在其浸没于地磁亚暴期间的等离子体云中时，这些等离子体云的粒子（数）密度为10⁶～10⁷m^-3（10⁶～10⁷单位每立方米），能量为1～50keV。计算时，航天器周围环境的高能等离子体束流通常是用双麦克斯韦分布函数来拟合。地磁亚暴典型地每几个小时就发生一次，因此航天器在地球同步轨道出现数十千伏的带电情况是很频繁的。由于航天器表面材料的光照条件、几何形状和介电常数等不同，地磁亚暴环境中处于向光面和背光面的航天器两侧会产生电位差，当该电位差达到或超过航天器材料击穿阈值后，便会在航天器材料表面产生静电放电(ESD)。同时，放电产生的电磁脉冲会干扰航天器通讯和星上电子设备的运行。

目前国际上已有一些在使用的航天器表面充电模拟方法，例如美国NASA的表面充电模拟方法和ESA的航天器等离子体相互作用模拟方法，这些模拟方法原理相似，只是在使用和功能上有些差别，但这些模拟方法的核心代码未公开而且模拟精度无法评估。国内在这方面的研究很少，现有的模拟方法误差较大，大部分采用一维或二维进行模拟，且同步轨道航天器表面介质材料电位的模拟还未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法，首先，建立航天器结构的三维模型，能够直观地对同步轨道航天器表面介质材料充电电位进行模拟，其次，在满足双麦克斯韦分布的带电粒子环境中加入二次电子和光电子，模拟获得航天器表面的充电电位分布和航天器平均表面电势随时间的变化关系，且通过网格划分程度来实现想要的计算精度，模拟过程简单，易实现，而且能够实现同步轨道等离子体环境下任意三维航天器结构的模拟。

一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法，包括下列步骤：

步骤一、按实际比例建立同步轨道航天器的结构模型，所述结构模型包括航天器主体、太阳能电池板和通讯天线；

步骤二、设置航天器主体、太阳能电池板和通讯天线的表面材料，且所有表面材料的初始电势设置为0V；将所述航天器主体与通信天线接触的一侧定义为向光侧，相对侧为背光侧，在航天器主体的背光面设置一层厚度为d₁的聚酰亚胺绝缘介质材料Kapton，其它面设置一层厚度为d₂的ITO导电薄膜，所述太阳能电池板向光面设置一层厚度为d₃的玻璃片，其他面设置一层厚度为d₄的碳纤维结构材料；所述通讯天线的各个面设置一层厚度为d₅的聚酰亚胺绝缘介质材料Kapton；

步骤三、根据实际空间中的等离子体环境的粒子数密度分布ξ，构建同步轨道航天器周围的等离子体环境，所述等离子体环境为六种带电粒子，具体包括低能电子、低能离子、高能电子、高能离子、二次电子和光电子，其中，所述低能电子和低能离子满足单麦克斯韦分布，所述的高能电子和高能离子满足双麦克斯韦分布，所述的二次电子和光电子，所述的二次电子按照预设粒子数密度分布在航天器主体、太阳能电池板和通讯天线的所有表面，光电子按照预设粒子数密度分布于航天器主体、太阳能电池板和通讯天线的向光面，两种粒子的运动方向初始垂直面向外；

步骤四、对步骤三获得的等离子体环境进行网格划分，其中每个网格体元为小于一个德拜长度的预设长度L，根据粒子数密度分布ξ和每个网格体元的长度获得每个网格体元的初始粒子数密度分布ξ₀，根据麦克斯韦速度分布设置每个的带电粒子的初始速度，设定模拟时间T和步进时间t；

步骤五、在模拟时间T内，对每个带电粒子的运动进行跟踪，获得步进i次后每个网格体元的粒子数密度分布n_i，并由泊松方程获得整个等离子体环境步进i次后的充电电势V_i；