确定卫星外露介质组件带电风险的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】确定卫星外露介质组件带电风险的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器的空间带电可靠性确定【技术领域】，具体来说，涉及一种确定卫星外露介质组件带电风险的方法。
【背景技术】
[0002]在低于地球同步轨道的空间等离子体环境中，能量较高的电子(大于50keV)可以注入卫星外露介质组件较深处，由于介质电导率极低，注入电子不易泄漏，导致介质内部充电，称为深层充电或内带电效应。能量较低的电子(小于50keV)和离子在材料中的射程只有微米量级或者更低，它们只能使得外露介质组件表面层产生充电效应，称为表面带电效应。内带电与表面带电效应统称为带电效应。带电效应会使介质中形成电场，当满足一定的条件时，该电场可超过材料击穿阈值，并可能导致放电，放电可直接损毁临近组件，或者通过电磁脉冲干扰卫星电子系统，从而引起故障。因此，有必要确定特定条件下介质组件的带电风险程度，从而优化介质组件的设计。
[0003]内带电与表面带电效应具有显著的区别，利用传统方法确定二者的风险时，均采用完全不同的计算方法，并且分开进行。对于卫星内部组件，由于没有表面带电效应，传统方法可以解决问题。但对于卫星外露介质组件，其表面带电与内带电效应都比较显著，传统方法已不再适用。为此，提供一种能够对卫星外露介质组件带电风险进行确定的方法非常必要。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的在于提供一种可以通过计算空间等离子体环境中卫星外露介质组件内带电与表面带电、结构充电效应稱合形成的三维电场分布而确定其带电风险程度的方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案:
[0006]确定卫星外露介质组件带电风险的方法，包括以下步骤:
[0007]I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、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QT(x, y, z, t)；
[0008]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和Λ)、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；
[0009]建立内带电偏微分方程
[0010]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(I)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:
【权利要求】
1.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QT(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和Λ)、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； 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(I)中引入了新项Qb(x，y，z，t) Is，建立的内带电偏微分方程如下:
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述物性参数为元素成分或密度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，电子入射方式为各向同性入射或单向入射。
4.如权利要求1所述的方法，其中，结构充电电流密度和包括电子电流Jep=Jes、离子电流Jip=Jis、次级电流Je2p、光电子电流Jpp、背散射电流Jbp。
5.如权利要求1所述的方法，其中，空间等离子体环境参数为低于50keV电子的通量和能谱以及离子通量与能谱。
6.如权利要求1所述的方法,其中，s2在0.001至I秒之间。
【文档编号】G06F17/50GK103886149SQ201410100791
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】唐小金, 易忠, 张超, 刘业楠, 王志浩, 黄建国, 孟立飞 申请人:北京卫星环境工程研究所