基于PIC方法的GEO航天器表面材料充电过程研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术与物理重点实验室 作者:赵呈选

  地球同步轨道航天器在地磁亚暴环境下处于向光面和背光面的两侧会产生电位差。本文利用高能电子和高能离子的双麦克斯韦分布拟合同步轨道环境等离子体并加入二次电子和光电子的影响,建立了航天器的三维计算模型,利用基于PIC( Particle In Cell) 方法的仿真程序,计算了航天器表面各材料的充电电位及其附近的等离子体的电位分布,以及低能电子、高能电子、二次电子和光电子的密度分布和充电电流分布,最后探讨了航天器不同表面材料电势随时间的变化情况。

  地球同步轨道(GEO) 高度约为6 个地球半径,一般情况下,整个轨道贯穿来自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能量和温度存在巨大差异,因此形成了GEO 航天器极其严酷的充电环境。地球GEO 的航天器充电一般发生在其浸没于地磁亚暴期间的高能等离子体云中时,这些等离子体云的粒子密度为106 ~107m-3,而能量为1 ~50keV。环境中高能电子成分可以使航天器表面充至很高的负电位并造成材料的不等量带电。

  自旋稳定同步轨道航天器(SCATHA,Spacecraft Charging at High Altitudes) 在地磁亚暴期间测得其表面材料最高电位达-28 kV,在其中一个事件中,表面材料之间电位差超过9.5 kV。地磁亚暴典型地每几个小时发生一次,因此在地球GEO 发生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) ,严重放电会引起航天器故障。

  目前,国际上模拟地球GEO 航天器表面充电过程的相关研究工作已取得重要进展并编写了相关的仿真软件。

  讨论

  本文建立了基于PIC 方法的航天器表面电位仿真程序,在程序中加入了模拟光电子和二次电子的宏粒子,并为航天器表面材料建立了可调用的数据库,同时,在等离子体环境模型构建中使用双麦克斯韦分布来拟合空间所探测的最恶劣环境能谱,在充电水平和充电时间上得出了和国外文献基本一致的仿真结果。根据仿真结果,可得出如下结论:

  (1) Kapton 材料的相对介电常数为3,并且其绝对电容约10-10 F,因此在GEO 轨道环境背光面,其表面充电现象会非常严重,但Kapton 是航天器上经常使用的介质材料,工程上可以通过在其表面镀ITO 来降低航天器的充电水平。

  2) 处于背光面和向光面的同种介质材料(Kapton) ,其充电平衡电位会有很大差别,这是因为向光面处的光电子充电电流的影响很大,本文中向光面充电电流约为背光面充电电流的107 倍。

  (3) GEO 航天器太阳能电池板表面玻璃片会呈现相对于基底介质材料的电位差,为了防止银互联处静电放电,可在太阳能电池板上镀上一层导电涂层。

  (4) 地磁亚暴环境下航天器背光面介质材料会被充至很高的负电位,并且介质材料附近等离子电位变化剧烈,因此安装在GEO 航天器上的空间等离子测量仪器尽量远离航天器表面介质材料并避开扰动等离子体区域。

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