极轨航天器尾区带电效应研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:赵呈选

  当航天器运行在低能、高密度的低轨等离子体环境中时,由于航天器轨道速度大于离子的热速度而远小于电子的热速度,因此电子可较容易地进入航天器尾部并沉积到表面材料上,从而形成一负电位势垒产生所谓的“尾区效应”。特别是在地球极区的背景等离子体环境中,由于高能极光电子的注入,大倾角极轨航天器尾区介质材料将会发生严重的充电过程。通过对拟合极光电子的微分通量谱分布分析,计算了极光电子收集电流和背景等离子体中离子的收集电流。

  引言

  和地球同步轨道相比,低地球轨道航天器一般不会发生严重的表面充电现象,其充电水平和周围稠密、低温等离子体温度大约相同的量级。如果航天器处于不经过极区的低轨倾斜轨道,电离层等离子体主导航天器表面充电电流,并且航天器表面电势远小于太阳能电池阵产生的电势。

  通过极区(地磁纬度定义为60~75°)的极轨轨道,是特殊的低轨轨道,在该轨道环境中既有低温、稠密的背景等离子体,又有高能极光电子的注入,因此当背景离子密度减小或极光电子通量增加时,通过极区的航天器将被充至负几百伏甚至负几千伏。当航天器表面的绝缘介质材料和航天器结构的差别电势超过一定阈值就会发生电弧放电,严重情况下电弧放电会造成航天器故障。2003年10月,日本地球观测航天器ADEO-Ⅱ遭遇致命的电源系统故障,主要原因是极光电子对未接地绝缘体的充电引发了电缆中持续的电弧放电。

  对低轨特别是极轨航天器上的高电位充电或其他环境效应的预测会比地球同步轨道复杂,主要原因有三方面:

  (1)空间电荷效应(鞘层和尾区电位)更显著,因为空间等离子体环境密度很高(德拜长度远远小于航天器的特征尺寸);

  (2)离子流效应显著,因为航天器的轨道速度大于离子的热速度;

  (3)地磁场似乎会对极区带电粒子的运动产生重要影响,因为带电粒子的平均回转半径和典型的航天器尺寸具有可比性。在表面有较多电介质材料的航天器上,局部充电现象就会凸显,特别是在航天器尾区一面的电介质材料上。

  1、极轨航天器表面与空间等离子体相互作用

  在空间中的等离子体,离子质量远大于电子质量,空间中电子的热运动速率远大于离子热运动速率,开始时航天器表面沉积的电子电流会大于离子电流,使航天器带负电。随着充电电位绝对值的升高,电子电流逐渐减小,离子电流开始增加,同时入射电子的能量逐渐降低致使二次电子发射增加,从另一方面降低了充电电流,最终会达到一个动态的平衡,此时的表面电位即为平衡电位。由于航天器表面由不同的材料组成,并且材料的相关参数不同,所以这些材料的平衡电位是不同的,从而在航天器表面形成不均匀的电位分布。

  航天器尾区介质材料表面带电相关的物理过程主要有二次电子发射、光电子发射、背散射以及材料电荷泄放等,是一个动态电流平衡过程。导致介质材料带电的电流不仅包含入射电子和离子电流,还包括二次发射电子电流、背散射电子电流、光电子电流以及材料的泄放电流。

  当极轨航天器尾区介质材料表面处于充电平衡状态时,电流平衡方程为:

极轨航天器尾区带电效应研究

  式中:V 为介质表面电势;IE 为介质表面入射电子电流,包括背景环境中的低能电子和高能极光沉降电子;II 为介质表面入射离子电流;ISE 为电子撞击产生的二次电子电流;IBSE 为电子撞击产生的背散射电子电流;IPH 为光电子电流;IC 为介质材料的泄露电流;IT 为航天器表面静电流,当航天器处于充电平衡时IT =0 。

  1.1、高能极光电子沉降谱的拟合

  在极轨等离子体环境中,背景低能等离子体可以通过单麦克斯韦分布来描述。对于航天器尾区充电过程中的极光电子电流,可以通过拟合航天器在轨发生充电事件时的极光电子在轨监测数据获得。采用美国极轨气象卫星DMSP等离子体测量载荷SSJ/4获得的极光电子监测数据。图1为不同时间段内航天器发生带电事件时监测到的极光电子微分能量通量谱,根据低能段和高能段的通量不同可以把谱分布分成三类。

三种典型的极光电子谱的双麦克斯韦拟合图

图1 三种典型的极光电子谱的双麦克斯韦拟合图

  2、结论

  利用等离子体轨道限制探针理论计算了极轨航天器周围稠密等离子体分布特性和充电电流,并用能量的双麦克斯韦函数拟合方法研究极光电子的通量能量谱,获得了极光电子对航天器表面的充电电流,同时计算了航天器表面常用材料的二次电子和光电子电流,建立了极光电子环境下尾区带电模型。主要结论为:

  (1)极轨航天器尾区材料表面电流平衡方程中考虑了材料的泄露电流,但电流值较小,具体计算中忽略了其影响;

  (2)建立了极光电子的双麦克斯韦分布函数,在该函数的基础上通过数值非线性全局优化方法对极光电子谱进行了拟合,并获得了相应的拟合参数;

  (3)利用轨道限制模型计算了有心力场中离子在航天器周围的撞击密度分布,根据离子撞击密度分布计算了其充电电流。并且,计算出的电流密度分布显示出航天器的离子尾区特征;

  (4)极光电子环境下尾区带电模型的建立为PIC(Paritcle-In-Cell)方法模拟航天器尾区带电过程建立了理论基础。

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