[发明专利]一种用于评估卫星深层充电的风险的方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星在轨空间辐射环境效应管理领域，尤其涉及一种用于评估地球轨道卫星深层充电的风险的方法。

背景技术

空间辐射环境的高能电子、高能质子及重离子等要素都会对卫星造成辐射效应危害。空间高能电子除了对卫星造成辐射剂量效应之外，还会穿透卫星蒙皮而沉积在卫星内部绝缘材料或非接地导体中而发生充电现象，即发生卫星深层充电。卫星深层充电会像地面静电带电一样，当超过一定的容忍值时，就会产生放电，就如地面静电放电一般，放电期间会在短时间内释放出大量电荷、电磁波，这类静电放电会直接或间接耦合进电子系统中造成危害。受到深层充电影响的卫星可能会出现跳变等异常现象，甚至严重情况下会发生整星的失效。

由于卫星深层充电会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展卫星深层充电评估是一种降低由于深层充电造成的危害的重要手段。目前卫星深层充电的评估方法包括采用电流平衡和电流非平衡两类方法，其中电流平衡方法认为介质内电荷注入和流出处于平衡状态时充电；而电流非平衡方法就是认为介质内电荷注入和流出在未达到平衡状态时充电。卫星在轨飞行过程中，空间高能电子状态是持续变化的，一般不造成卫星介质内电荷的流进和流出达到平衡。因此如果采用电流平衡原理进行卫星深层充电危险的评估，会造成对深层充电对卫星的危害的评估过量或者不足。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现在卫星深层充电危险评估采用静态数据而存在着评估过量或者不足的问题，本发明提供一种用于评估卫星深层充电的风险的评估方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于评估卫星深层充电风险的方法，该方 法利用高能电子探测器实测的数据作为持续动态输入，采用线性沉淀的电荷沉积方法并结合麦克斯韦方程计算介质内部的电场、电位，用于解决以往采用静态数据输入带来的充电风险评估过量或不足的问题；采用连续高能电子数据作为动态输入，而非采用某个峰值数据的单点数据作为静态输入，增加评估时刻之前的电荷积累影响；采用线性沉淀的电荷沉积方计算不同能量电子在介质内的通量-深度和剂量率-深度数据对应关系，而非采用蒙特卡罗计算方法，降低评估所需要的计算时间，从而更加有利于应用在工程型号的相关评估工作；采用欧姆定律和麦克斯韦方程，进行介质内部电荷密度、电场、电位分布的计算，并比较介质内部不同位置处电场从而得出内部空间最大电场，进而将内部最大电场与介质击穿电场强度值进行比较，从而判定卫星在运行过程中是否存在静电放电。

实现本发明的评估卫星深层充电的风险的方法包括如下步骤：

步骤1：将卫星内部需要评估的遮挡和部件抽样成平板结构或同轴型结构，并求得介质厚度值；

步骤2：以预定的时间间隔获取一个评估时间段内的高能电子输入数据；

步骤3：利用线性沉淀法公式计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；

步骤4：依据步骤1中求得的介质厚度并根据步骤3中所计算出来的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：

J_t(x，t)＝J_de(x，t)+J_in(x，t)(1)

其中,J_t(x，t)为x深度处t时刻的总电流密度；J_de(x，t)为x深度处t时刻电子在介质中的由通量-深度对应关系得出的空间电流密度，从步骤3得到；J_in(x，t)为t时刻由周围介质层面流入到x深度处的电流密度，由对应于与本介质层相邻的介质分层在步骤4求得；E_t(x)和E_t-1(x)分别为t时刻及之前时刻电场强度，τ_t和σ_t分别为t时刻介质时间常数和介质电导率，Δt为计算时间步长,σ₀为介质本征电导率，σ_D为辐射诱发电导率，k和Δ为辐射诱发电导率的系数和指数，为剂量率-深度对应关系；

步骤5：根据步骤4中的计算结果，整理所有时刻的介质内电场分布，以获得每个时刻电场强度最大值E_t，max；