一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法

文档序号:6524668阅读:318来源:国知局
一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法
【专利摘要】本发明公开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。
【专利说明】一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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IO6?IOV3 (IO6?IO7单位每立方米),能量为I?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。
[0004]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】

[0005]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。
[0006]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:
[0007]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;
[0008]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OV;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Cl1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 ;
[0009]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;
[0010]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ξ C1,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 ;
[0011]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Iii,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\ ;
[0012]步骤六、当等离子体环境的充电电势Λ V=V1-Vp1达到预设阈值M时,充电电势Vi即为等离子体环境的最终充电平衡电势,进而获得航天器的各个面的充电电位分布。
[0013]较佳的,步骤三中的二次电子,包括离子撞击产生二次电子、电子撞击产生二次电子和背散射电子。
[0014]较佳的,步骤二中的屯、d2、d3、d4、d5分别为0.05mm。
[0015]较佳的,步骤四中的每个网格体元的长度L根据所需计算精度和总模拟时间T确定。
[0016]较佳的,所述航天器结构的表面材料从预先建立的表面材料库中导入。
[0017]进一步的,根据步进时间t和步骤五获得的整个等离子体环境步进i次后的充电电势,还获得航天器的平均表面电势随时间的变化关系;所述平均表面电势为航天器所有表面的电势的算术平均值。
[0018]有益效果:
[0019]I)首先,在等离子环境中加入二次电子和光电子成分,将航天器所在空间环境的光照产生的光电子和高能粒子撞击航天器产生的二次电子考虑在内能够更真实的模拟同步轨道航天器的空间环境,进而考察到二次电子和光电子的充电电流对航天器表面电势的影响。
[0020]其次,通过双麦克斯韦分布来描述地球同步轨道的高能带电粒子的分布,可以更接近真实的航天器周围等离子体环境的分布,为航天器表面的充电电位计算的正确性提供基本的保障。
[0021]再次,对等离子环境进行网格划分时,每个网格体元的长度小于一个德拜长度保证了数值计算过程的稳定性,使得计算结果收敛从而实现电势的模拟。[0022]2)本发明较佳的实施例中加入的二次电子,包括离子撞击产生二次电子、电子撞击产生二次电子和背散射电子,这样能够更真实的反映航天器所在空间环境,模拟更加真实。
[0023]3)本发明较佳实施例的步骤二中的“(^、山、‘分别为0.05mm,较符合实际材料厚度,满足模型计算要求。
[0024]5)本发明的较佳实施例的步骤四中的每个网格体元的长度L可以根据所需计算精度确定。在小于一个德拜长度的基础上,长度越短,计算出的结果越精确,但总的模拟时间就越长,通过优化网格体元的长度L可以实现所要求的计算精度。。
[0025]6)本发明较佳的实施例的航天器结构的表面材料从预先建立的表面材料库中导入,通过预先建立空间常用材料数据库,并在数值模拟时直接调用,特别是在进行多批次同步轨道航天器表面介质材料充电电位计算时,不用每次都手工输入,节省整个数值模拟的时间。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1为地球同步轨道航天器的结构模型和等离子体环境示意图;
[0027]图2为航天器的表面介质材料的充电电位分布;
[0028]图3为航天器的平均表面电势随时间的变化。
具体实施方 式
[0029]下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
[0030]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,
[0031]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:
[0032]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,如图1所示。
[0033]本实施例航天器主体为立方体,边长为0.7m ;太阳能电池板长宽分别为4m和0.7m,厚0.1m ;通讯天线为抛物面,半径0.25m,厚0.lm。
[0034]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OV ;将所述航天器主体与通信天线接触的一侧定义为光照射侧,相对侧为背光侧,在航天器主体的背光面设置一层厚度为Cl1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CERS,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, Kapton材料的相对介电常数和表面电容分别为3和5.3X10_7F.m_2,光照方向如图1所示,为z轴负方向。
[0035]本发明较佳的实施例的航天器结构的表面材料从预先建立的表面材料库中导入,通过预先建立空间常用材料数据库,并在数值模拟时直接调用,特别是在进行多批次同步轨道航天器表面介质材料充电电位计算时,不用每次都手工输入,节省整个数值模拟的时间,屯、d2、d3、d4、d5分别为0.05mm,较符合实际材料厚度,满足模型计算要求。
[0036]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。
[0037]本实施例中在等离子环境中加入二次电子和光电子成分,二次电子,包括离子撞击产生二次电子、电子撞击产生二次电子和背散射电子,将航天器所在空间环境的光照产生的光电子和高能粒子撞击航天器产生的二次电子考虑在内能够更真实的模拟同步轨道航天器的空间环境,进而考察到二次电子和光电子的充电电流对航天器表面电势的影响。
[0038]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ξ C1,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。
[0039]地球同步轨道的背景等离子体的德拜长度约为330m,本实施例的椭球形等离子体区域长半轴长7m,短半轴长4m,在小于一个德拜长度的基础上,通过优化网格体元的长度L,可获得符合误差要求的航天器主体表面充电电位分布。一般情况下,每个网格体元接近规则形状,所述的每个网格体元的长度L为最长的体对角线的长度,其小于德拜长度即可。实际中,由于划分的网格越细,计算时间越长,一般根据实际计算时间对网格进行划分。本实施例的每个网格体元的预设平均长度L为0.7m,模拟时间T为105s,步进时间t为0.0002s。
[0040]根据等离子区域的体积和离子数密度可以得出在等离子体区域中的带电粒子数,为了简化计算,我们用大的带电粒子代表实际空间等离子体中的小的带电粒子,如用一个50电荷的大粒子代表10个5电荷的小粒子,如果大带电粒子的个数S,则将麦克斯韦速度分布曲线划分成S份,将S份的速度值分别设置为S个大带电粒子的初始速度。
[0041]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Iii,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
[0042]由于网格节点处分配的电荷会产生电场,各个带电粒子在电场作用下,产生加速度运动,进而使得粒子数密度重新分布。通过对每个带电粒子的运动进行跟踪,获得每次步进后,每个网格体元内的粒子数密度分布情况,根据每个网格体元的粒子数密度利用泊松方程就可以获得每次步进后的充电电势情况。其中i为步进次数,每次步进时间t。
[0043]步骤六、当等尚子体环境的充电电势AV=V1-Vp1达到预设阈值M时,充电电势Vi即为等离子体环境的最终充电平衡电势,进而获得航天器的各个面的充电电位分布,如图2所示,为航天器主体背光面的充电电位分布。
[0044]当步进到1-Ι次获得的充电电势和步进到i次时获得的充电电势的差值达到预设阈值M时,此时的充电电势可以作为最终充电平衡电势,通过等离子体的最终充电平衡电势,就可以得出航天器结构模型的各个面的最终充电电位分布。
[0045]此外,预设阈值M越小,越接近实际的最终充电分布,本实施例中的预设阈值M为10V。[0046]进一步的,根据步进时间t和步骤五获得的整个等离子体环境步进i次后的充电电势,还获得航天器的平均表面电势随时间的变化关系;所述平均表面电势为航天器所有表面的电势的算术平均值。还获得航天器的平均表面电势随时间的变化关系,所述平均表面电势为每种类型材料表面的电势的算术平均值,如图3所示,为航天器平均表面电势随时间的变化关系,计算终止的时间为6.3X 104s,在IXlO4S时充电电位的变化已经很平缓,我们可以认为航天器已经达到充电平衡状态。相比于低地球轨道航天器的典型的充电平衡时间10_4s,同步轨道航天器充电时间要长得多,这是因为同步轨道航天器表面充电主要是来自地磁亚暴注入的高能电子引起的,而高能电子具有低密度(< IcnT3)的特点,因此航天器表面充电时间会持续几个小时。
[0047]综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,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OV;将所述航天器主体与通信天线接触的一侧定义为向光侧,相对侧为背光侦牝在航天器主体的背光面设置一层厚度为Cl1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Ιο,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Ili,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Vi; 步骤六、当等离子体环境的充电电势AV=V1-Vp1达到预设阈值M时,充电电势Vi即为等离子体环境的最终充电平衡电势,进而获得航天器的各个面的充电电位分布。
2.如权利要求1所述的一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,步骤三中的二次电子,包括尚子撞击产生二次电子、电子撞击产生二次电子和背散射电子。
3.如权利要求1所述的一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,步骤二中的屯、d2、d3、d4、d5分别为0.05mm。
4.如权利要求1所述的一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,步骤四中的每个网格体元的长度L根据所需计算精度和总模拟时间T确定。
5.如权利要求1所述的一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,所述航天器结构的表面材料从预先建立的表面材料库中导入。
6.如权利要求1所述的一种地球同步轨道航天器表面介质材料电位模拟方法,其特征在于,根据步进时间t和步骤五获得的整个等离子体环境步进i次后的充电电势,还获得航天器的平均表面电势随时间的变化关系;所述平均表面电势为航天器所有表面的电势的算术平均值。
【文档编号】G06F17/50GK103853878SQ201310706946
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】赵呈选, 李得天, 杨生胜, 秦晓刚, 陈益峰, 王俊, 汤道坦, 史亮 申请人:兰州空间技术物理研究所
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