低轨道航天器的表面充电模拟

为研究航天器表面材料在空间环境中的充电现象,利用SPIS(Spacecraft Plasma Interaction System)模拟了航天器在低轨道等离子体环境中的表面充电情况,通过对模拟结果进行分析并与实际观测进行比较,可以看出模拟结果基本能够反映出不同性质材料之间的充电差别,特别是导电材料与非导电材料之间的充电差别.模拟得到的充电电位及充电时间与充电的一般理论计算结果符合较好,且能够清晰反映出航天器运动中产生的冲击流及尾流的结构特征,根据SPIS低轨道航天器表面充电模拟的特点,认为SPIS的模拟结果是合理的.

低轨道卫星表面充电模拟

卫星在太空运行过程中,在周围等离子体和光电效应等综合作用下,会带上与周围等离子体环境不同的悬浮电位,这个电位会影响星上测量载荷的测量精度和测量范围。利用航天器与等离子体相互作用系统软件SPIS,采用粒子分室法模拟了低轨道(710km)卫星的充电特性。结果表明,由于等离子体温度低、浓度高,卫星的充电电位较低(-0.719V);而周围的等离子体环境受卫星尾迹效应的影响显著。

月尘环境下太阳电池阵表面充电的数值模拟研究

为得到月尘环境下太阳电池阵表面充电特性,根据等效电路原理,结合月尘特殊环境以及太阳电池阵结构特点,建立了月尘环境下太阳电池阵表面充电模型,并分别在阴暗区和光照区两种不同环境下进行了表面充电数值模拟分析。研究结果表明,由于月球表面复杂的空间环境,不同区域、不同时间具有不同的空间环境,在等效电路数值模拟过程中,电路中各个等效元件的参数值会随着环境的改变而改变。月球日照区域,太阳电池阵表明电势最高可达到100 V。在阴暗区,由于电子的热运动速度远大于离子的热运动速度,太阳电池阵表面电势为-100^-2 000 V,极端条件下能够达到-5 000 V。该计算结果对月尘环境下太阳电池阵静电防护具有一定指导价值。

航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术

文章运用等效电路理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组,用FORTRAN语言开发了相应的计算机模拟程序,针对强地磁亚暴空间环境分析了地球同步轨道航天器在阴影区和光照区的充电水平。最后计算讨论了采用空心阴极等离子体接触器向航天器外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。

航天器表面充电效应及其工程计算

文章较全面地介绍了航天器与空间等离子体发生的表面充电效应。从航天器表面充电的发现到充放电带来的危害,阐述了航天器表面充电研究对航天器安全飞行的重要性,最后对如何消减表面充电效应带来的危害提出了建议,分析了用充电软件进行工程模拟计算的可行性.

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度(inverted potential gradient,IPG)。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。

太阳风作用下航天器表面充电效应分析

针对太阳风等离子体中航天器的充电过程,基于欧洲航天局开发的航天器表面充电仿真软件,建立了航天器的数值计算模型,模拟了太阳风等离子体与航天器的相互作用,实现了不同表面材料时航天器表面电位以及尾迹结构的计算分析,给出了近日环境下航天器周围的空间电位结构以及等离子体密度分布情况。研究结果表明:表面材料的选择将影响空间势垒深度以及尾迹结构,表面充电至更低电位的表面材料具有较小尾迹区域;航天器向阳面电位分布主要由光电子以及二次电子主导,而背阳面的电位分布则主要受到尾迹效应的影响。以上结果对太阳风环境航天器探测和评估等相关工作以及工程研究具有一定的理论参考价值。

GEO航天器表面充电效应及电流分布特性分析

处于复杂等离子体环境的地球同步轨道中的航天器,由于表面材料与空间等离子体相互作用,将使航天器表面出现充电效应,最终导致静电放电现象继而影响航天器电子设备的正常运行以及热控材料的性能.基于欧洲航天局开发的航天器表面充电仿真软件,模拟了服从双麦克斯韦分布的等离子体中地球同步轨道航天器的表面充电情况;计算分析了航天器各部位表面总电流的变化情况以及各粒子电流在充电过程中的作用,并给出了航天器各部位的表面电势分布,以及航天器充电过程中空间电势分布对充电效应的影响.

材料二次电子发射特性对表面充电过程影响的数值模拟研究

使用PIC方法,实现了地球同步轨道恶劣亚暴环境材料表面充电过程的数值模拟。从最大二次电子发射系数δm和δm对应的能量Em这2个方面,比较了不同二次电子发射特性下表面充电过程及最终平衡电位的异同。

GEO卫星表面充电相对电位的工程分析

地球静止轨道(GEO)卫星在轨运行期间,沉浸于具有一定能量和密度的空间等离子体之中,等离子体与卫星表面材料相互作用,将使卫星出现"表面充/放电效应",进而对星上电子系统产生影响,甚至发生电路故障,直接威胁整星安全。为防止GEO卫星在轨期间因等离子体造成的表面充放电导致卫星异常和故障,在GEO卫星的设计中,必须进行卫星表面电位分析、控制和试验验证等工作。文章根据卫星表面材料的基本参数和接地状态,采用工程分析方法对卫星表面充电电位进行分析,满足卫星工程设计急需。

航天器表面充电的数值模拟

根据等效电路理论模式,通过计算机模拟了航天器在强亚暴空间环境下阴暗区和光照区两种不同环境下的表面充电情况。选取了比较有代表性的充电情况的等效元进行分析,并参照了ATS-6卫星的实际数据。结果表明,考虑到数值模拟中各种近似条件的假设,模拟结果和实际充电情况基本符合。

材料次级电子发射特性对表面充电影响的数值计算研究

表面充电是最早被人们发现的空间环境效应,是由空间环境引起的航天器异常和故障的主要诱因之一.采用较精确的金属二次电子发射公式和局部电流平衡模型,在无光照的情况下,对不同表面材料及不同几何形体的航天器表面充电电位进行计算,并绘制了表面材料的充电电位与最大二次电子发射系数之间的关系曲线.根据数值计算结果及次级电子发射系数和曲线图得知,航天器阴面充电电位与表面材料的原子序数、最大二次电子发射系数和入射离子引起的次级发射系数均有关.该计算对航天器表面材料的选取和设计工艺有一定的参考价值.

基于SPIS地球同步轨道航天器表面充电仿真

航天器在地球同步轨道(GEO)运行时与空间中的大量等离子体相互作用,使航天器表面具有充电效应。当表面电位足够高时发生静电放电现象,产生的电磁脉冲对航天器内部敏感设备正常工作产生影响,甚至威胁航天器工作安全。文章基于欧空局开发的航天器静电仿真软件SPIS,基于PIC粒子分室算法对运行在地球同步轨道上的航天器表面充电效应进行仿真计算,得到航天器表面带电规律。结果表明,地球同步轨道航天器充电103s后达到电位平衡,最高电位达-1.05×104V;太阳能电池板外侧与内侧、内侧与航天器主体间存在数千伏电位差,易产生静电放电现象。

电子辐照下聚酰亚胺材料表面充电特性研究

目的研究多因素条件下航天用典型介质材料聚酰亚胺表面充电特性。方法利用空间介质材料表面带电地面模拟实验系统,以电子枪辐照材料模拟空间带电环境中航天器材料表面带电过程,以航天器上常用的介质材料聚酰亚胺为研究对象,研究不同电子能量、不同束流密度和不同厚度下聚酰亚胺表面充电特性。结果聚酰亚胺表面电位随着电子能量、束流密度和厚度的增大而增大,电子能量越高,束流密度越大,聚酰亚胺表面充电平衡时间越短。结论航天器介质材料表面带电程度与空间带电环境的电子能量、束流密度和介质材料本身结构紧密相连,研究多因素作用下航天用典型介质材料表面充电特性,将为航天器带电防护设计提供数据支持。

基于碳纳米管透明导电膜的航天器表面充电防护试验研究

ITO膜常用于卫星表面电位控制,但其易碎、折叠后电阻增大,导致卫星表面存在充电隐患。为解决此问题,试验研究碳纳米管透明导电膜的电阻经过折叠后的变化,并采用低能电子辐照的手段获得碳纳米管膜的充电特性。试验结果显示:碳纳米管膜的体电阻率、充电电位与ITO膜接近,但在相同折叠次数下,碳纳米管膜电阻的变化远小于ITO膜,因此碳纳米管膜在航天器表面充电防护工程应用方面比ITO膜更有优势。

温度对电子辐照下聚酰亚胺表面充电的影响

为了研究温度、等离子体环境变化对航天器表面介质材料充电水平的影响,利用研制的温度可控航天器介质材料表面带电综合实验系统,对聚酰亚胺材料进行了表面充电实验。结果表明:温度不变时,聚酰亚胺表面充电平衡电位随束流密度的增大逐渐增大;束流密度不变时,聚酰亚胺表面充电平衡电位随温度升高逐渐减小。温度在243~363 K范围时,束流密度越大,温度变化对聚酰亚胺表面充电平衡电位的影响越小;温度在243~273 K范围时,束流密度越大,温度变化对聚酰亚胺表面充电平衡电位的影响越大。

脉冲等离子体源控制航天器表面充电电位的研究

在空间环境运行的航天器存在表面充电现象,而航天器表面充电引发的静电放电是导致航天器异常及故障的重要原因之一。因此,在航天器设计和应用中,必须对航天器表面电位采取必要的控制和防护措施。文章介绍了用脉冲等离子体源进行航天器表面充电电位主动控制的研究。通过模拟实验和实验数据分析,证实了用脉冲等离子体源能有效地控制航天器表面充电的电位,阐明了脉冲等离子体控制表面电位的原理和控制特点;提出了用控制效率或等效电阻这一参数,解释各种因素对表面电位控制效果的影响。实验证明,对航天器表面电位进行主动控制是一种行之有效的方法。

中低轨道航天器表面充电中地磁场的影响及其数值模拟

本文研究地磁场对中低轨道航天器表面充电现象的影响．根据航天飞行器带电机制，选用粒子模型，在粒子轨道跟踪的基础上，建立了时间依赖的粒子推进的计算模型，计算了飞行器表面充电的平衡电位，计算结果与观测吻合．

温度对不同厚度聚酰亚胺表面充电的影响

为了研究不同厚度聚酰亚胺在温度变化情况下的带电程度,利用自行研发的温度可控的航天器介质材料表面带电综合实验系统,对不同厚度的聚酰亚胺在不同温度情况下进行表面充电实验,设置电子能量为25ke V,电子束流密度分别为0.5,1,2n A/cm2。实验结果表明:温度不变的情况下,随着厚度的增大,试样表面充电平衡电位逐渐增大;厚度不变的情况下,随着温度的升高,试样表面充电平衡电位逐渐减小。当温度在273~363K时,聚酰亚胺试样厚度越大,温度变化对其表面充电平衡电位的变化影响越大。当温度在243~273K时,聚酰亚胺试样厚度越大,温度变化对其表面充电平衡电位的变化影响越小。

二次电子发射系数在航天器表面充电的应用

二次电子发射现象是电子入射到材料表面并从材料表面激发出次级电子的现象。在航天领域,二次电子发射系数对于评估和预测航天器的表面充电水平具有十分重要的作用。本文对航天器的表面充电机制进行了介绍,结合航天器表面充电平衡方程编写了计算航天器表面充电电位的Matlab程序,使用航天表面材料二次电子发射系数的测量结果通过计算获得了特定环境下某材料的表面充电电位,为评估材料二次电子发射系数对表面充电的影响提供了一个直接的分析工具。