转移轨道航天器深层充放电效应仿真分析

为研究转移轨道卫星介质深层动态充电规律特征,针对卫星动态辐射环境的特点,基于FLUMIC思想,建立辐射带动态电子环境模式。针对动态辐射环境下星上介质深层充电的特征,使用辐射诱导电导率(RIC)模型和Geant4建立了适用于转移轨道卫星动态环境下的介质深层充电应用模型。首次对地球同步转移轨道(GTO)和嫦娥一号卫星调相轨道运行过程中介质深层充电情况进行了仿真分析。结果表明:转移轨道卫星在运行时会多次穿越辐射带区域,电子通量存在明显波动,这种波动性反映在材料的充电电位变化中。材料峰值充电电位分别为-2 846V和-4 110V,介质内部平衡电场均超过106 V/m,存在内放电风险,需要在工程设计中进行针对性防护。     

MEO卫星内部充电环境及典型材料充电特征分析

文章利用通用模型DICTAT,计算了恶劣期地球中高轨道(MEO)高能电子通量随卫星运行位置的变化情况以及日均积分能谱,之后选择4种参数具有代表性的电介质材料,分析了其在MEO环境下的充电特征,并将上述结果与地球同步轨道(GEO)情况进行了对比。结果表明,通常而言MEO卫星的内部充电风险更高,平均充电电位是GEO的3倍左右,而且充电电位在整个轨道周期内起伏变化明显,电位达到最高值的时间相对于高能电子通量最大值有0.3~0.9 h的延迟,具体的变化特征由电介质材料时间常数决定。     

卫星外露电缆束介质结构深层充电仿真分析

受到空间高能带电粒子的作用,航天器蒙皮外侧电缆束的绝缘介质会产生深层充电效应。基于介质的电流连续性方程,并利用Geant4粒子输运模拟和辐射诱导电导率公式分析了介质深层充电的物理过程。在地球同步轨道(GEO)恶劣电子环境下,对外露电缆束介质结构深层充电进行三维仿真分析。结果表明:深层充电导致介质结构带20 V以内负电位,电位和电场强度峰值分别出现在电缆束外圈电缆介质层的外侧与内侧;对于导线介质层厚度为0.19 mm的情况,各介质层间是否紧密邻接和电缆束包含电缆根数多少对充电峰值结果影响不大;捆缚电缆的条状介质块是发生放电的危险区域,介质块厚度为0.8 mm时,充电电位在-103 V量级,电场强度可达到4×106 V·m-1,且电场强度与电位随介质块厚度增加而显著增大。     

高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究

为揭示聚合物介质材料在连续能谱高能电子辐射下的深层放电规律特征,利用~(90)Sr放射源对聚四氟乙烯(PTFE)材料进行了不同条件的辐照实验。对采集的大量放电数据进行统计分析发现,电子辐照累积时间、入射电子通量以及温度都会影响介质的放电风险以及放电脉冲特征。高能电子对样品持续数天的累积辐照会降低介质自发放电的阈值条件,辐照后期放电更加频繁,但放电强度会减弱。入射电子通量越低时,放电风险越小;通量越高时,放电频率越高,高强度放电事件的发生概率也越大。温度主要通过影响介质的电导率而影响其深层放电特性,温度下降时介质本征电导率降低,充电电位和放电风险增加;一旦发生放电,放电电流脉冲的平均幅度也更大。     

卫星电缆网内部充电效应仿真分析

电缆结构作为最常见的卫星上的介质-金属结构,只受到卫星蒙皮的保护,其内部充电效应须引起重视。针对卫星上常见的电缆网结构进行了分析,使用内部充电三维仿真软件计算分析了GEO卫星上几种不同型号电缆对应不同蒙皮厚度下的充电效应,并对弯曲电缆、蒙皮孔洞处的电缆、电缆固定件等结构的简化模型进行了仿真分析。结果显示,在GEO恶劣电子环境下,单一卫星电缆会因为内部充电效应带上一定的负电位,在绝缘皮较厚或电缆处于蒙皮孔洞处等情况下,充电负电位会升高;电缆固定件介质块的充电电位与介质材料的尺寸有关,会带来较高的放电风险。     

高能电子辐照下介质-导体相间结构深层充电特性研究

为研究影响介质-导体相间结构深层充电特性的内在因素,设计了不同构型的试验样品,利用90Sr放射源模拟空间高能电子环境对样品进行深层充电辐照试验,测量了充电电位的差异。并借助深层充电三维仿真软件计算介质-导体相间结构在不同几何构型情况下的深层充电电位、电场分布。试验和仿真结果表明,介质最高表面电位以及介质内部最大电场均与介质宽度和高度呈正相关。其他条件不变时,介质越宽,或越高于导体表面,发生放电的风险就越高。在介质与导体侧面存在微小缝隙情况下,介质内最大电场显著增强,易发生内部击穿。而在介质与导体之间的真空间隙内,电场很容易超过击穿阈值,放电风险很大。航天工程应用中为降低此种结构深层充放电的风险,在满足绝缘性能及其他要求的前提下应尽量减小介质的宽度,降低介质与导体间的高度差,并确保介质与导体侧面接触良好。     

地球同步轨道卫星在轨异常与空间环境相关性分析

利用中国FY和美国GOES卫星探测数据,对中国某同步轨道卫星发生在2010年至2015年的44次可能与空间环境相关的异常进行了研究,重点分析了异常发生的时间分布、伴随的空间环境现象和空间粒子分布特征,并利用DICTAT模拟计算了卫星异常期间介质内部最大电场强度,结果表明:(1)内部充电是造成"3·17"卫星异常的主要原因。(2)79.5%卫星异常发生在日侧,这与能量2Me V的高能电子通量随地方时分布非常一致。(3)多达25次(57%)的异常事件伴随高能电子暴。能量2Me V电子通量的50%位数在异常前3-4天开始出现明显增强,内部充电危险商数ZIC在异常前2天进入黄色风险等级;能量2Me V电子通量的75%位数在异常前4天开始出现明显增强,ZIC在异常前2天先后2次进入红色风险等级。(4)在II类、III类和IV类情形下,DICTAT模拟计算得到的介质内部最大电场分别在19.2、50.4和9.8小时之后超过并维持在106V.m-1以上,该范围的内部电场强度存在潜在的放电危险,高能电子诱发的内部充电是造成我国同步轨道卫星异常的主要原因。     

诱发卫星深层充电的高能电子环境模式研究

文章介绍了与卫星介质深层充电相关的辐射带高能电子环境的主要特征和规律,建立了相应的高能电子环境模式及软件,并运用该模式针对某飞行器的深层充放电危险性进行了分析和评估。结果表明该模式相对于AE8模式更好地反映了高能电子环境的动态特征,与欧空局建立的FLUMIC模式符合较好。该模式与深层充电分析模型相结合,可用于对航天器的充放电异常进行在轨诊断,以及在工程上针对深层充电进行防护设计。     

“风云二号”卫星天线消旋失锁故障原因初步分析

文章针对"风云二号"C(FY-2C)卫星的天线消旋失锁事件,利用卫星数据统计分析了事件与高能电子之间的关系,并利用DICTAT软件针对常用于卫星的3种电介质材料——聚乙烯、聚四氟乙烯和环氧树脂的平板和圆柱模型分别计算其内部带电所能产生的最大电场。结果表明:FY-2C卫星的天线消旋失锁事件有可能是由高能电子导致的介质深层充电引起。     

卫星介质深层充电电场时域差分计算方法研究

根据卫星介质深层充电的物理机制,分别对应介质板正面接地、背面接地和正面背面同时接地三种情况建立相应的介质板深层充电模型,研究了利用时域差分和数值积分方法求解卫星介质深层充电电场的算法,计算了在单能电子束流垂直入射作用下卫星内部介质板(Teflon)深层充电电场,计算结果表明,文章建立的数值计算方法能求解出介质深层充电电场,且计算结果能反映充电电场在介质板中的时空分布特征.     

星用介质材料表面充放电效应试验研究

航天器表面介质材料易遭受表面充放电危害。利用30keV单能电子对几种不同的航天介质材料进行了表面充放电模拟试验,测量了不同电子通量辐照下的表面充电电位以及放电脉冲。试验结果表明,聚酰亚胺薄膜在接地处理不当时表面可充至千伏以上,易发生表面放电,且辐照强度越大,放电频率越高。表面镀铝的聚酰亚胺薄膜在不接地时,铝膜成为悬浮导体更加剧了放电的危害。而通过渗碳处理的聚酰亚胺薄膜,其良好的导电性能可有效抵御nA/cm~2量级电子的表面充电。聚四氟乙烯天线罩表面未进行防静电处理时,表面充电电位可达万伏量级,极易发生放电。     

不同地磁活动期间地球同步轨道

文章利用地球同步轨道GOES6～12卫星1986-2006年约两个太阳活动周期的高能电子角通量密度数据,分析了在地磁平静期或不同程度磁暴期间高能电子通量的变化,为建立更精确的航天器内部充电动态模型奠定基础。研究结果表明:地球同步轨道高能电子通量随太阳活动周期的变化规律表现为,在太阳活动极大年通量较低,极小年反而较高;高能电子通量随季节的变化规律表现为,在冬至和夏至附近通量达到最低值,春秋分附近达到最高值;Dst指数最小时,对应的高能电子通量一般较低。     

32颗GPS卫星星座空间覆盖特性建模与仿真

GPS卫星要准确完成定位功能可见卫星数应不少于4颗.通过建立针对低轨、中高轨和大椭圆轨道目标卫星的GPS信号空间几何覆盖模型,利用Matlab计算针对低轨、中高轨和大椭圆轨道的可见卫星数,对目前美国32颗GPS卫星星座的空间覆盖特性进行仿真.仿真结果显示,32颗GPS卫星星座不仅可以对低轨目标实现全轨道覆盖,而且对中高轨和大椭圆轨道也有所覆盖,大大扩展了24颗GPS卫星星座的空间应用.     

航天器太阳电池阵驱动机构导电滑环真空充放电实验研究

太阳电池阵驱动机构部分暴露在航天器舱体外,其内部导电滑环容易成为充放电效应的侵害对象,利用90Sr-90Yβ放射源模拟中高地球轨道的高能电子环境,实验研究不同辐照强度下导电滑环的充放电过程.结果显示:辐照初始阶段发生幅值较小的放电,多数为表面放电;随着电位升高,深层充电导致材料内部积累大量电子,超过一定阈值之后,发生击...     

航天器典型悬浮导体结构深层放电 现象的模拟试验研究

空间辐射环境中,由高能电子所引起的深层充放电现象是威胁航天器安全的重要因素之一。文章采用90Sr放射源模拟GEO电子环境,试验观测了电子辐照下几种含有悬浮导体的典型卫星模拟部件结构的深层充放电现象,比较了真空度、束流密度与温度对放电现象的影响。试验结果表明,深层放电现象的产生与部件结构密切相关,在一定环境条件下含有悬浮导体的结构即可产生放电现象。因此,航天器深层放电防护除了选择合适的介质材料外,要尽可能地避免悬浮导体的存在,同时还必须考虑真空度和温度的影响。     

木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。