航天器尾区介质材料充电电位计算方法和静放电评估方法
【专利摘要】本发明公开了航天器尾区介质材料充电电位的计算方法，能够有效的给出极轨航天器尾区最高充电位的解析解，同时可以计算出航天器尾区最高充电电位和航天器横向尺寸的关系曲线。该方法建立航天器等效模型并投影至XOY平面内，建立极光电子分布函数ne，利用函数ne建立Y分量的泊松方程及边界条件，通过变量代换实现对泊松方程及其边界条件的无量纲化处理，然后求解无量纲的Y分量泊松方程，经反向变量代换得到航天器尾区最大充电电位φ0随航天器横向尺寸ymax的变化。当需要计算时，将航天器横向尺寸代入φ0与ymax的关系式，得到航天器尾区最大充电电位。本发明还提供了一种基于上述计算方法的航天器尾区介质材料静电放电评估方法。
【专利说明】航天器尾区介质材料充电电位计算方法和静放电评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间计算领域，具体涉及一种极轨轨道高能极光电子环境下的航天器 尾区介质材料最高充电电位的计算方法，以及一种基于该计算方法的航天器尾区介质材料 静放电评估方法。
【背景技术】
[0002] 倾角大于或等于55度的低地球轨道（俗称极轨）航天器会频繁穿越极光弧。航 天器会遭遇与地球静止轨道相似的高能电子环境。极轨等离子环境主要是增加了由于经过 极区从而可能遭遇极光粒子事件，极光粒子事件是指地磁扰动或太阳爆发期间发生的高能 带电粒子（电子和质子）沿地磁力线下降到极区引起的极光沉降粒子的增强效应。
[0003] 当卫星运行在低温度、高密度的极区等离子体环境中时，在其尾部形成明显的"航 迹"，这是一个不相等的电子和离子耗尽区。由于卫星轨道速率大于离子热速率而小于电子 热速率，因此电子可较容易地进入这个区域从而形成一负电位势垒，这就是所谓的"尾迹效 应"。它对卫星的明显作用是在尾区介质表面将充电至较高的负电位，此表面电位主要依赖 于收集的电子通量和离子通量之比。卫星因尾迹效应而形成的表面不等量带电是影响中低 轨道特别是极轨卫星安全运行的重要原因之一。当卫星尾部介质表面带电达到或超过航天 器材料击穿阈值后，便会产生静电放电。
[0004] 因此，对于低轨特别是极轨环境航天器尾区充电问题，航天器设计者所关心的主 要问题是航天器尾区充电的最高电位，根据该最高电位判断是否达到或超过航天器材料击 穿阈值，从而实现对卫星尾部介质材料的静电放电评估。根据评估结果可以施加相应的缓 解措施，从而保证极轨航天器的安全运行。
[0005] 目前，中低轨道的研究更多地依赖于计算机模拟，对于充电最高电位的计算也可 以通过构建航天器尾区充电最高电位的计算模型来实现。然而，目前公开的技术文件中没 有涉及到该方面的技术。而且航天器与环境等离子体的相互作用而言，中低轨道航天器与 环境间的相互作用比较复杂，如何建立简单有效的模型，是研究航天器尾区充电最高电位 建模的一个关键技术。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种尾区充电电位的计算方法，构建了极轨航天器尾区 最高充电位的一维计算模型，从而实现了航天器尾区最高充电位的定量计算，同时由于模 型中加入了航天器横向尺寸的因素，使得计算结果更有针对性和更为精确。
[0007] 该计算方法包括下列步骤：
[0008] 步骤一、建立航天器等效模型并投影至X0Y平面内：
[0009] 以球形作为航天器等效模型，球形半径为航天器最大横向半宽y_ ;建立平面直角 坐标系X0Y，将航天器等效模型投影至X0Y平面内，球心位于0点，X指向航天器运动的反方 向；
[0010] 步骤二、建立极光电子分布函数ne :
[0011] 极光电子分布满足麦克斯韦_布尔兹曼分布：
【权利要求】
1. 一种航天器尾区介质材料充电电位的计算方法，包括下列步骤： 步骤一、建立航天器等效模型并投影至XOY平面内： 以球形作为航天器等效模型，球形半径为航天器最大横向半宽ymax;建立平面直角坐标 系Χ0Υ，将航天器等效模型投影至XOY平面内，球心位于〇点，X指向航天器运动的反方向； 步骤二、建立极光电子分布函数: 极光电子分布满足麦克斯韦-布尔兹曼分布：义=CXP(#);其中n?为无穷远 处的极光电子密度，k为波尔兹曼常量，e为单位电子电荷，Φ为航天器表面电势，Tdl为极 光电子温度； 步骤三、建立平面直角坐标系XOY中Y分量的泊松方程及边界条件： --~(hI? ·PP(h Y分量的泊松方程为：7f= ，ε^为真空中的介电常数； κIeh f>, = =〇 边界条件为：〇 #_〇 邊<〇,Φ。为叉=7-、7 = 0处的航天器表面 I办 充电电势，即所要求取的航天去尾区最大充电电位； 步骤四、通过变量代换实现对泊松方程及其边界条件的无量纲化处理： 建立无量纲参数ξ和Ψ，ξ=y/XDeh =y/(εOkTehZe2Iiooeh)"2,Ψ= -θφ/kTeh ;贝!J: Y分量的泊松方程变为：^ = -exp(-r); p= ， 5r^ 边界条件变为：*?抑-Qx-PW-W>05 - ur ·- U, Λ -Csrnxr , ψ- >* W 其中，ζmax=ymax/ 入Deh，Ψ〇 =_e 小 〇/kTeh，λDeh 为德拜长度； 步骤五、求解无量纲的Y分量泊松方程，得到Ψ与ψρξ的关系式I;接着令ξ=ξmax，V= 0,得到V0与ξ_的关系式II; 步骤六、将 '与ξ_的关系式II进行反向变量代换，得到扒与ymax的关系式III， 即航天器尾区最大充电电位Φ〇随航天器横向尺寸y_变化的一维计算模型； 步骤七、将航天器横向尺寸代入Φ〇与y_的关系式III，得到航天器尾区最大充电电 位。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤四建立的Y分量的泊松方程中叠加一 个背景离子和高能极光电子的比值项卩：4 = ^exp(i〇，其中Iii为航天器周 fhrk ^>ΚΛ 围的离子密度； 则在步骤六中对加入^后的无量纲的Y分量泊松方程进行求解。 r^eh 爆
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，在^分别取值0.OOOl、0.OOl、0.Ol、0. 1和 nHxh 〇. 2时，获得航天器尾区最大充电电位与航天器最大横向半宽ymax的关系。
4. 一种航天器尾区介质材料静电放电评估方法，其特征在于，获取待评估航天器的最 大横向半宽ymax，采用权利要求1或2或3的方法获得相应的航天器尾区最大充电电位，判 断该航天器尾区最大充电电位是否达到或超过航天器材料击穿阈值，从而实现对卫星尾部 介质材料的静电放电评估。
【文档编号】G06F19/00GK104239701SQ201410445899
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3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