[发明专利]一种中性气体释放诱发航天器放电的数值模拟方法

说明书

一种中性气体释放诱发航天器放电的数值模拟方法，在初始或特定条件下给出场致电流、热电流等种子电流，并考虑周围等离子体以及材料放气的初始状态，然后分别通过粒子模拟方法和蒙特卡洛法求解空间中的粒子轨迹和粒子与气体碰撞反应过程，研究这一过程中气压和放电激烈度的变化，从而得到不同初始条件下，中性气体释放诱发航天器放电的影响程度和规律。本发明能够辅助分析中性气体释放在航天器表面充放电过程中的影响机制，通过计算分析不同气压不同结构的航天器带电部件在充放电过程中可能出现的非自持到自持，再到雪崩放电的转换阈值，并且可以作为基础方法研究多类复杂环境下共同诱发航天器充放电的过程，以便科学有效的进行航天器设计及加固。

技术领域

本发明属于航天器防护加固技术领域，涉及一种中性气体释放诱发航天器放电的数值模拟方法，用于分析和研究中性气体释放对航天器放电的影响，特别是诱发性影响的规律和机理。

背景技术

充放电效应引发的静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是航天器任务失败的主要原因之一。经过数十年的重点研究，欧美等航天大国在航天器充电机理、充放电效应评估、工程防护等方面都取得到了大量的研究成果，并成功应用于各在轨航天器中。尽管有着较为充分的防护设计，由于地磁亚暴等环境因素引发航天器放电造成的异常仍然频有发生，人们对其中具体的放电原因和放电部位都难以明确，更不用说过程中可能存在的协同放电现象的分析。而中性气体被认为是这一过程中的一个关键分析因素。

在空间真空环境下，中性气体释放有很多种情况：航天器推进中释放的中性气体、表面材料的脱气以及用以调整姿态的微调气体等。中性气体本身对航天器带电并没有直接的影响，但是当中性气体在航天器表面发生电离时，电离的气体会影响航天器的周围环境：1)由于电荷吸引作用，返回航天器的离子和电子能有效地减小航天器带电和不等量带电现象；2)电荷吸附会引起材料表面污染，并使其温度上升，材料特性参数发生变化；3)气体电离会提高等离子体导电性，诱发表面放电；4)短时间的未充分电离中性气体会使带电表面(或电极)间的气压瞬间升高，可以为低气压放电与真空放电的相互影响和协同提供环境条件。正常情况下，在轨航天器表面气压处于连续平稳的较低状态，对航天器的影响并不十分严重。但当材料表面受到碎片、流星体、高能粒子束等轰击，或者是在电弧放电(包括表面放电和介质深层放电)过程中，材料会出现短暂、剧烈的放气现象。这一过程除了伴随大量的航天器表面污染、温度上升引起的材料特性变化、辐射诱导电导率变化等影响，还可能诱发气体击穿产生低气压放电或协同放电，这一系列影响都极有可能使航天器的实际充放电情况超出了设计时的考虑，致使航天器发生异常。较可信的中性气体诱发放电的解释是中性气体会在放电起始时被电离，电离的电子会在加速场的影响下进一步激发和电离背景气体，一旦产生雪崩效应会产生较大的放电电流，从而对航天器电子设备造成损伤。

为符合空间飞行器充放电效应研究需要，促进航天器静电防护与加固技术研究，亟需提出一种方法，研究多类复杂环境下共同诱发航天器充放电的过程，以便更加科学有效的进行航天器设计及加固。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种中性气体释放诱发航天器放电的数值模拟方法，能够获得不同初始条件下，中性气体释放诱发航天器放电的影响程度和规律，为进行航天器设计及加固提供基础。

本发明的技术解决方案是：

一种中性气体释放诱发航天器放电的数值模拟方法，包括如下步骤：

1)进行计算初始化；

2)针对待研究的航天器结构，进行区域建模，获得航天器放电模型和计算区域，划分网格，将航天器放电模型放置在网格上，并根据航天器材料形状和特性重新分配网格属性；

3)设置相关边界条件，通过修正相关初始粒子分布和电场、磁场大小确定计算的初始状态；

4)计算开始后，在每个时间步长下，考虑粒子发射边界，在特定的网格中生成新的粒子；