確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法，根據(jù)外露介質(zhì)組件的三維幾何構(gòu)造以及每種材料的物性參數(shù)等，在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質(zhì)組件中的輸運過程，獲得介質(zhì)組件內(nèi)部的三維劑量率分布和單位時間內(nèi)電荷沉積密度分布；以輸運模擬結(jié)果為輸入條件，建立并求解描述衛(wèi)星外露介質(zhì)組件多種帶電效應(yīng)耦合過程的方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質(zhì)內(nèi)部三維電場分布；從求解得到的三維電場分布中找出電場最大值（Emax），根據(jù)電場最大值的數(shù)值范圍，確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件的放電風(fēng)險。本發(fā)明的風(fēng)險程度的判定可用于確定介質(zhì)組件的安全性以及應(yīng)對空間等離子體環(huán)境的適應(yīng)能力。在衛(wèi)星研制過程中，有助于降低成本、周期，提升衛(wèi)星可靠性。
【專利說明】確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器的空間帶電可靠性確定【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說，涉及一種確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在低于地球同步軌道的空間等離子體環(huán)境中，能量較高的電子(大于50keV)可以注入衛(wèi)星外露介質(zhì)組件較深處，由于介質(zhì)電導(dǎo)率極低，注入電子不易泄漏，導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部充電，稱為深層充電或內(nèi)帶電效應(yīng)。能量較低的電子(小于50keV)和離子在材料中的射程只有微米量級或者更低，它們只能使得外露介質(zhì)組件表面層產(chǎn)生充電效應(yīng)，稱為表面帶電效應(yīng)。內(nèi)帶電與表面帶電效應(yīng)統(tǒng)稱為帶電效應(yīng)。帶電效應(yīng)會使介質(zhì)中形成電場，當(dāng)滿足一定的條件時，該電場可超過材料擊穿閾值，并可能導(dǎo)致放電，放電可直接損毀臨近組件，或者通過電磁脈沖干擾衛(wèi)星電子系統(tǒng)，從而引起故障。因此，有必要確定特定條件下介質(zhì)組件的帶電風(fēng)險程度，從而優(yōu)化介質(zhì)組件的設(shè)計。
[0003]內(nèi)帶電與表面帶電效應(yīng)具有顯著的區(qū)別，利用傳統(tǒng)方法確定二者的風(fēng)險時，均采用完全不同的計算方法，并且分開進行。對于衛(wèi)星內(nèi)部組件，由于沒有表面帶電效應(yīng)，傳統(tǒng)方法可以解決問題。但對于衛(wèi)星外露介質(zhì)組件，其表面帶電與內(nèi)帶電效應(yīng)都比較顯著，傳統(tǒng)方法已不再適用。為此，提供一種能夠?qū)πl(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險進行確定的方法非常必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種可以通過計算空間等離子體環(huán)境中衛(wèi)星外露介質(zhì)組件內(nèi)帶電與表面帶電、結(jié)構(gòu)充電效應(yīng)稱合形成的三維電場分布而確定其帶電風(fēng)險程度的方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
[0006]確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法，包括以下步驟:
[0007]I根據(jù)外露介質(zhì)組件的三維幾何構(gòu)造以及每種材料的物性參數(shù)、大于50keV電子的通量和能譜、電子入射方式在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質(zhì)組件中的輸運過程，獲得介質(zhì)組件內(nèi)部的用于計算介質(zhì)輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率的三維劑量率分布和單位時間內(nèi)電荷沉積密度分布QT(x, y, z, t)；
[0008]2建立描述衛(wèi)星外露介質(zhì)組件多種帶電效應(yīng)耦合過程的方程組，根據(jù)上述輸運模擬結(jié)果，介質(zhì)材料的暗電導(dǎo)率、激活能、相對介電常數(shù)、輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)(kp和Λ)、溫度，空間等離子體環(huán)境參數(shù)，以及介質(zhì)和結(jié)構(gòu)外露部分表面的二次電子發(fā)射系數(shù)、光電子發(fā)射系數(shù)、光強、光入射角、背散射系數(shù)，利用COMSOLMultiphysics求解方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質(zhì)內(nèi)部三維電場分布；
[0009]建立內(nèi)帶電偏微分方程
[0010]對于衛(wèi)星外露組件的內(nèi)帶電過程，結(jié)構(gòu)充電、表面帶電的產(chǎn)生是為內(nèi)帶電提供邊界電流和浮動電位邊界條件，在式(I)中引入了新項Qb(X，y，z, t) |s,建立的內(nèi)帶電偏微分方程如下:
【權(quán)利要求】
1.確定衛(wèi)星外露介質(zhì)組件帶電風(fēng)險的方法，包括以下步驟: 1)根據(jù)外露介質(zhì)組件的三維幾何結(jié)構(gòu)以及每種材料的物性參數(shù)、大于50keV電子的通量和能譜、電子入射方式在蒙特卡羅程序包GEANT4中建立計算模型，模擬電子在介質(zhì)組件中的輸運過程，獲得介質(zhì)組件內(nèi)部的用于計算介質(zhì)輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率的三維劑量率分布和單位時間內(nèi)電荷沉積密度分布QT(x, y, z, t)； 2)建立描述衛(wèi)星外露介質(zhì)組件多種帶電效應(yīng)耦合過程的方程組，根據(jù)上述輸運模擬結(jié)果，介質(zhì)材料的暗電導(dǎo)率、激活能、相對介電常數(shù)、輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率系數(shù)(kp和Λ)、溫度，空間等離子體環(huán)境參數(shù)，以及介質(zhì)和結(jié)構(gòu)外露部分表面的二次電子發(fā)射系數(shù)、光電子發(fā)射系數(shù)、光強、光入射角、背散射系數(shù)，利用COMSOLMultiphysics求解方程組，獲得從充電開始至平衡過程中的介質(zhì)內(nèi)部三維電場分布； a.建立內(nèi)帶電偏微分方程 對于衛(wèi)星外露組件的內(nèi)帶電過程，結(jié)構(gòu)充電、表面帶電的產(chǎn)生是為內(nèi)帶電提供邊界電流和浮動電位邊界條件，在式(I)中引入了新項Qb(x，y，z，t) Is，建立的內(nèi)帶電偏微分方程如下:
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述物性參數(shù)為元素成分或密度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，電子入射方式為各向同性入射或單向入射。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，結(jié)構(gòu)充電電流密度和包括電子電流Jep=Jes、離子電流Jip=Jis、次級電流Je2p、光電子電流Jpp、背散射電流Jbp。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，空間等離子體環(huán)境參數(shù)為低于50keV電子的通量和能譜以及離子通量與能譜。
6.如權(quán)利要求1所述的方法,其中，s2在0.001至I秒之間。
【文檔編號】G06F17/50GK103886149SQ201410100791
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】唐小金, 易忠, 張超, 劉業(yè)楠, 王志浩, 黃建國, 孟立飛 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所