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.      

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.      

最严重充电条件下航天器的瞬态充电模拟研究

运用等效电路模式理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组，针对最严重情况构造了解决瞬态充电问题的程序，对ＡＴＳ－６卫星的二种情况运用这个程序进行了计算。讨论了航天器不同材料对充放电的影响。     

用蒙特卡罗方法研究质子在航天器内部充电中的作用

介绍了航天器内部充电的基本物理机制, 重点研究了质子在内部充电中的作用. 用蒙特卡罗方法模拟质子在介质中的输运过程, 计算了简化的平板介质在一定通量的粒子环境中的内部充电情况. 结果表明, 介质内部最大电场与入射质子能量有关, 当质子能量达到14 MeV时候, 内部电场最强; 当质子与电子的入射数目相同, 并且材料参数一样时, 质子产生的最大电场大于电子产生的最大电场. 选取2004年7月26日TC-2卫星姿控分系统故障前的质子和电子通量数据, 分别计算了二者可能引起的内部最大电场. 计算结果表明,质子产生的最大电场比电子产生的最大电场小2~4个数量级, 并且远小于击穿电场; 在某些极端情况下, 例如质子产生的电场和电子产生的电场方向一致的时候, 电场的叠加会使局地电场得到加强.      

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

卫星介质深层充电的两类计算模型对比分析

计算模拟是评估航天器介质深层充电危害的重要研究方法之一. 通过粒子输运 模拟, 可以得到特定空间辐射环境下介质中的电荷沉积分布, 进而根据电位/电 场计算模型, 得到深层充电结果. 前期研究多是围绕RIC (辐射诱导电导率)模 型及其改进模型展开的, 而目前通常采用基于电流守恒定律的简单计算模型. 为了研究二者关系, 给出其各自求解方法, 并采用已发表数据对计算结果进行 验证; 从理论上阐述了后者是RIC模型的进一步简化, 只要二者考虑相同的介 质电导率, 则对应计算结果就是一致的; 结合GEO恶劣电子辐射环境下平板介 质模型在三类边界条件下的充电情况, 进行了充分的仿真验证. 相关结论为介 质深层充电效应评估提供了有益参考.      

航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100 keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.      

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰，严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法，以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入，在双峰麦克斯韦分布假设下，可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响，表明高能峰在充电过程中起决定性作用；其次通过MATLAB搭建BP神经网络，采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算，得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%，温度反演的平均相对误差为0.03%，整体误差在0.1%～5.6%。结果表明，采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性，该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。     

航天器表面充电模型研究Ⅰ—空间电环境模型研究

航天器表面充电研究表明充电状态与空间电环境和航天器自身情况有着极为密切的关系。空间电环境是导致航天器表面充电的直接客观原因,它受太阳活动和地磁活动的强烈影响。研究空间电环境状态是认识航天器表面充电原因的基础。本文对已提出的许多空间电环境模型作了较为全面的综述和讨论     

复杂航天器的太阳光压建模方法

针对几何形状比较复杂的航天器光压建模时存在的不同光照特性的材料相互遮挡重叠、传统的简化或经验公式难以满足精度要求的困难,基于精确三维几何模型,利用虚拟视觉原理得到航天器垂直于太阳矢量截面形状,并结合截面各类材料光压系数等特性计算总的等效光压面积和系数。针对该方法计算量较大问题,提出一种根据设定姿态模式事先计算结合实时插值的快速简化算法。考虑到材料特性在空间环境中可能发生的变化,可将其调整为半经验公式,通过观测数据对材料光压系数进行最优估计并应用。仿真实例表明,提出的分析方法可有效反映航天器各部分的相互遮挡,与传统模型相比有一定优势。     

阈值温度,临界能量与航天器带电特性

采用加权求和方法确定不同能量入射电子对应不同次级(二次发射和反向散射)电子产率公式,用来计算航天材料高压带电的阈值温度T~* 和临界能量E~*,得到了与观测数据较为接近的临界带电特性。文中进一步阐明运用T~* 和E~* 两个概念,可以定性解释航天器带电的复杂特性。     

控制航天器充电水平的计算机模拟研究

运用等效电路模式理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组及其相应的计算机模拟程序，并针对强亚暴的情况分析了航天器充电水平，模拟并讨论了采用电子枪向外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。     

几种材料的磁层亚暴环模试验

<正> 一、引言星际空间存在运动着的带电粒子。当太阳风粒子到达地球磁层顶且随着太阳风粒子而来的星际磁场,指向地磁南极时,太阳风中的感应电流产生的附加场使地磁场发生畸变。迎着太阳的一面较为扁平,而背着太阳的一面形成一个很长的磁尾。在磁尾区,太阳风粒子的注入(它们的能量为几十电子伏到几千电子伏)引起了高能粒子的大量增加。这些高能粒子在     

屏蔽材料对木星轨道卫星内部介质充电效应的影响研究

在木星轨道的空间辐射环境中，占主导地位的粒子是能量大于1MeV（甚至高于100MeV）的高能电子，这可能会产生卫星内部介质充电效应。在卫星的防辐射设计中，通常需要一定厚度的材料来屏蔽这些电子，使得进入卫星内部的电子通量达到安全的水平。利用所建立的GEANT4-RIC（radiation induced conductivity）方法，研究了运行于木星轨道的卫星对高能电子的最佳屏蔽材料设计。研究了铝、钛、铁、铜、钽和铅作为卫星屏蔽材料的可能性。研究结果表明，在木星探测任务中，为了减轻卫星内部介质充电效应，高原子序数材料比低原子序数材料在相同质量下提供的屏蔽效果更好。因此，用钛、铁、铜、钽或铅代替地球轨道卫星上常用的屏蔽材料铝，可以节省屏蔽质量。     

Symmetric model of spacecraft charging and plasma emission effects

The electrostatic charging of satellites in space and the interactions with the plasma in the near surroundings are investigated by making use of symmetric models. In this case, the Vlasov-Poisson system describing the ambient plasma disturbances and the plasma emitted from the surface can be integrated self-consistently within a numerical iteration scheme, and the current balance yields the floating potential of the probe. The spacecraft charging and the potentials in its surroundings are investigated for the following plasma and emission conditions: (1) in the ionosphere in the case of very negative surface potentials, (2) in the solar wind with regard to the HELIOS mission and (3) in the near vicinity of the comet Halley, where a very strong plasma emission due to the impact of neutral gases onto the surface must be regarded. Finally, the importance of the shielding due to the ambient plasma is discussed.     

星用材料静电放电信号分析

地球同步轨道卫星的在轨故障分析表明,ESD(静电放电)是导致卫星故障的重要原因之一,它约占故障总数的30%左右。文章叙述了ESD 信号的定量分析方法并报导了若干星用材料的充电和放电特性,其中包括Ag-SiO_2微晶玻璃、S-853白漆、SB-3消光黑漆、阳极化铝等材料。     

航天器天线技术的特点和进展

<正> 航天器天线亦称空间飞行器天线,用于卫星、飞船、空间站和深空探测器。天线按功能分类有遥测、指令、跟踪、测速、数据中继、通信广播、科学探测、遥感、测向、交会雷达、着陆导航等等,其型式多种多样,工作频率从甚低频到毫米波段。航天器天线有时比航天器本体大得多(例如ATS—6,TDRS),有时几乎就是航天器大部分表面(例如Transit-1)。