一种航天器尾区带电效应仿真方法
【专利摘要】本发明提供了一种航天器尾区带电效应仿真方法，构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示，并拟合极区沉降电子能谱；建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；基于上述三类谱采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟。具有模拟过程清晰，模拟结果和实际监测带电情况较符合等优点。
【专利说明】一种航天器尾区带电效应仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空间计算领域，适用于极轨（Polar Earth Orbit)航天器尾区中表面 电介质材料的充电过程模拟，具体涉及一种极区内在背景等离子体和极光电子作用下的航 天器尾区带电效应仿真方法。
【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。地球两 极处的磁力线由于太阳风的影响，一部分被拉开。这些开力线不再接地磁两极而是有一端 通向星际空间，从而在极区形成了一漏斗形状区域，开磁力线延伸到地面极区的部分称之 为极盖区。
[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] 目前国际上已有一些在使用的极轨航天器尾区带电效应仿真方法，例如美国NASA 的极区大型航天器尾区带电效应仿真方法和ESA的极区航天器尾区等离子体相互作用模 拟方法，这些模拟方法原理相似，只是在使用和功能上有些差别，但这些模拟方法的核心代 码未公开而且模拟精度无法评估。国内在这方面的研究较少，而且在模拟极区极光电子沉 降谱时，未采用较符合实际的极区电子分布谱。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种航天器尾区带电效应仿真方法，本发明中结合极区 沉降电子能谱、离子分布特性谱和材料二次电子发射谱，利用PIC(Particl e-In-Cell)方 法有效的仿真极区航天器尾区带电效应过程，具有模拟过程清晰，模拟结果和实际监测带 电情况较符合等优点。
[0006] 该航天器尾区带电效应仿真方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量〇随能量E变化 的关系，该关系通过功率定律分布〇 p(E)、麦克斯韦分布〇m(E)和高斯分布OJE)的叠加 来表示；利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电 子能谱表达式；
[0008] 步骤二、建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；
[0009] 步骤三、进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；
[0010] 步骤四、采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟：
[0011] 利用步骤一中拟合的极区沉降电子能谱，在整个模拟区域所划分的计算网格中分 配各能量段的电子个数，然后等效成一定数目的宏粒子；
[0012] 利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子 密度，然后等效成一定数目的宏粒子；
[0013] 利用步骤三中获得的每种材料的二次电子发射能谱，分配航天器表面材料附近空 间的计算网格中的二次电子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；
[0014] 分配完成后，运行单元粒子法PIC获得模拟结果。
[0015] 优选地，步骤三对IT0覆膜、Kapton、太阳能电池板玻璃片和碳纤维结构材料进行 测试。
[0016] 优选地，所述步骤二具体为：
[0017] 步骤1、建立航天器等效模型为表面带负电、半径为a的导体球；a为航天器最大横 向半宽；
[0018] 步骤2、建立离子在势场中轨道运动的能量守恒方程，并对离子质量m和离子电荷 q进行无量纲转换，得到无量纲能量守恒方程；
[0019] 步骤3、建立离子速度空间分布函数( & )为麦克斯韦速度分布并对速度量进行 无量纲转换，则[0020]
【权利要求】
1. 一种航天器尾区带电效应仿真方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量φ随能量E变化的关 系，该关系通过功率定律分布Φρ(E)、麦克斯韦分布Om(E)和高斯分布Oe(E)的叠加来表 示；利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电子能 谱表达式； 步骤二、建立背景等离子体环境中离子分布特性谱； 步骤三、进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试； 步骤四、采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟： 利用步骤一中拟合的极区沉降电子能谱，在整个模拟区域所划分的计算网格中分配各 能量段的电子个数，然后等效成一定数目的宏粒子； 利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子密 度，然后等效成一定数目的宏粒子； 利用步骤三中获得的每种材料的二次电子发射能谱，分配航天器表面材料附近空间的 计算网格中的二次电子密度，然后等效成一定数目的宏粒子； 分配完成后，运行单元粒子法PIC获得模拟结果。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三对ITO覆膜、Kapton、太阳能电池板 玻璃片和碳纤维结构材料进行测试。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体为： 步骤1、建立航天器等效模型为表面带负电、半径为a的导体球；a为航天器最大横向半 宽； 步骤2、建立离子在势场中轨道运动的能量守恒方程，并对离子质量m和离子电荷q进 行无量纲转换，得到无量纲能量守恒方程； 步骤3、建立离子速度空间分布函数fj% )为麦克斯韦速度分布并对速度量进行无量 纲转换，则
其中，％为单个离子无穷远处的速度矢量，笔为离子整体运动速度矢量，即航天器速 度矢量的反方向； 步骤4、建立离子撞击点处的局部直角坐标系； 局部直角坐标系OXYZ建立在导体球的球面上，原点位于球面的撞击点，Z轴垂直于球 面，X在ZS平面内且与Z轴垂直，f为离子撞击航天器的速度矢量，Y轴满足右手法则； 在局部直角坐标系中定义如下角度： Ψ为航天器速度矢量与在势场中离子撞击航天器的速度矢量f之间的夹角，ξ为航天 器速度矢量和撞击面法向Z之间的夹角，Θ~为无穷远处离子的速度与撞击面法向Z之间 的夹角，为离子撞击航天器的速度矢量在XY平面上的投影与X轴之间的夹角，即离子运 动轨道平面与X轴之间的夹角； 贝1J，上述角度之间的角度关系为：eosy/ =eos#cosC+siigsinCeos炉； 步骤5、建立球坐标系下的离子充电电流密度表达式： 将局部直角坐标系下的离子充电电流密度表达式转换到球坐标系中，并代入所述无量 纲能量守恒方程、所述离子速度空间分布函数和所述角度关系，得到球坐标系下离子充电 电流密度表达式： j=(2π)3/2￡dvn￡' da dqn^iyl+2Φ)exp[(-1/2)·(vn -Vn f/2]cosor sin a(6) a和#?为球坐标系中的极角，对极角f积分得到： ] = (2π)^ζνΜ +20)cxp[^/2]F(v(!yiv(> (7) 其中， = (2πΥνι ? 1 exp [- F02 /2] exp [(F0170 cos ^ cosθχ)/2}--(χ)€〇Βα sin ada (8) l()(x) = l/lV cxp(xc?sφ)(?φ (9) x = -V0V0Sin ξ sin Θ^ (10) 其中，vQ为％的大小，V。为巧的大小； 步骤6、求解贝塞尔函数/ts〇) =l/2￡~"cxpCxcoS9)X/炉，从而消去充电电流密度表达式 (6)中的未知量f;为 步骤7、根据航天器等效模型，建立势场中离子的运动轨道方程，并利用边界条件获得 角度Θ^Θ和a的关系为：
将（12)式代入（13)式得到Θ ~与a的关系式I ; 步骤8、将Θ~与a的关系式I代入式（7)，从而消去Θ"，得到j与ξ、a的关系式Π;接着利用关系式II对a进行积分，得到j与ξ的关系式III; 步骤9、对j与ξ的关系式III中的无量纲化速度进行有量纲化转换，得到即航天器离 子分布特性； 则步骤四中，所述利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网 格中分配离子密度具体为：根据航天器离子分布特性，分配航天器周围空间网格各个角度 上的离子充电电流密度。
【文档编号】G06F17/50GK104239620SQ201410447424
【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