[发明专利]确定卫星外露介质组件带电风险的方法

摘要

本发明公开了一种确定卫星外露介质组件带电风险的方法，根据外露介质组件的三维几何构造以及每种材料的物性参数等，在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的三维剂量率分布和单位时间内电荷沉积密度分布；以输运模拟结果为输入条件，建立并求解描述卫星外露介质组件多种带电效应耦合过程的方程组，获得从充电开始至平衡过程中的介质内部三维电场分布；从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值Emax，根据电场最大值的数值范围，确定卫星外露介质组件的放电风险。本发明的风险程度的判定可用于确定介质组件的安全性以及应对空间等离子体环境的适应能力。在卫星研制过程中，有助于降低成本、周期，提升卫星可靠性。

主权项

确定卫星外露介质组件带电风险的方法，包括以下步骤：1)根据外露介质组件的三维几何结构以及每种材料的物性参数、大于50keV电子的通量和能谱、电子入射方式在蒙特卡罗程序包GEANT4中建立计算模型，模拟电子在介质组件中的输运过程，获得介质组件内部的用于计算介质辐射诱导电导率的三维剂量率分布和单位时间内电荷沉积密度分布QJ(x，y，z，t)；2)建立描述卫星外露介质组件多种带电效应耦合过程的方程组，根据上述输运模拟结果，介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数kp、温度，空间等离子体环境参数，以及介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数，利用COMSOLMultiphysics求解方程组，获得从充电开始至平衡过程中的介质内部三维电场分布；其特征在于，a.建立内带电偏微分方程对于卫星外露组件的内带电过程，结构充电、表面带电的产生是为内带电提供边界电流和浮动电位边界条件，在式(1)中引入了新项Qb(x，y，z，t)|s，建立的内带电偏微分方程如下：▿·J→(x,y,z,t)=QJ(x,y,z,t)+Qb(x,y,z,t)|S---(1)]]>J→(x,y,z,t)=σ(x,y,z,t)E→(x,y,z,t)+ϵ0ϵr∂∂tE→(x,y,z,t)---(2)]]>E→(x,y,z,t)=-▿ui(x,y,z,t)---(3)]]>其中，Qb(x，y，z，t)|s为介质表面s上由表面带电引起的边界电流；为电场强度矢量；为全电流密度矢量；σ(x，y，z，t)为介质总电导率，等于辐射诱导电导率与介质电场‑温度耦合电导率之和；ui(x，y，z，t)为参考卫星结构地电位的介质主体内部电位；εr为相对介电常数；ε0为真空中的介电常数；其中，x,y,z表示笛卡尔坐标；t为时间；b.建立表面带电平衡方程内带电的产生是为表面带电提供体传导电流通道和充电初始电位,表面带电是薄层效应，计算中不需考虑表面带电层的厚度和表面带电层两端之间的电位差，建立的表面带电平衡方程如下：‑Jes(us(x，y，z，t))+Jis(us(x，y，z，t))+Je2s+Jps+Jbs+Jc[Es(x，y，z，t)]＝0(4)其中，Jes为介质表面法向电子电流、Jis为离子电流、Je2s为次级电流、Jps为光电子电流、Jbs为背散射电流；us(x，y，z，t)为表面带电形成的介质表面电位；Jc为流向介质主体的传导电流；Es(x，y，z，t)为介质表面法向电场强度；c.建立结构充电方程将卫星结构等效为电容，内带电过程为结构地提供充电电流，表面带电形成的等离子体鞘层影响空间带电粒子注入结构地外露部分，建立的结构充电方程如下：∫∫SLJL(x,y,z,t)ds+∫∫SOJtp[us(x,y,z,t),up(t)]ds=Cp∂up(t)∂t---(5)]]>其中，JL(x，y，z，t)为介质主体流向结构地泄漏面的法向电流密度；SO表示结构外露部分表面；Jtp为结构充电电流密度和；up(t)为卫星结构地外露部分充电形成的结构地电位；Cp为卫星结构等效电容；d.将卫星外露介质材料的暗电导率、激活能、相对介电常数、辐射诱导电导率系数kp和温度代入式(1)、式(2)与式(3)；将空间等离子体环境参数，介质和结构外露部分表面的二次电子发射系数、光电子发射系数、光强、光入射角、背散射系数代入式(4)、式(5)；e.利用COMSOLMultiphysics软件建立卫星外露介质组件的三维模型并以此为求解域联立求解代入输入条件的式(1)至式(5)，求解过程中，一次内带电充电到平衡的过程中，包含多次表面充电和结构充电过程，每次迭代首先求解结构充电平衡方程式(5)，然后计算表面充电平衡方程式(4)，最后求解内带电时域动态方程式(1)至式(3)，内带电迭代计算时间步长的选取以一次表面充电典型平衡时间为准，s1＝n×s2,n＝1,2,3……在每次表面充电过程中，内带电形成的电场和电位不变；3)从求解得到的三维电场分布中找出电场最大值Emax，按如下规则确定卫星外露介质组件的放电风险：其中，如果Emax<1×106V/m，则无放电风险；如果1×106≤Emax<1×107V/m，则存在潜在放电风险；如果Emax≥1×107V/m，则有放电风险。