大椭圆轨道航天器介质材料深层充电仿真分析

为研究大椭圆轨道(HEO)航天器介质深层充电规律特征,基于FLUMIC模型建立辐射带电子环境模式,初步分析了诱发HEO深层充电的高能电子环境,计算了介质材料在HEO环境下的充电特征,并与地球同步轨道(GEO)下的情况进行对比。结果表明,HEO电子平均积分通量与GEO的相比处于同一量级,但存在明显波动,这将导致卫星在轨运行时,其上介质平均充电电位上升,增加内带电的风险。HEO介质平均充电电位为GEO的1.3倍,瞬时电位以12 h周期波动,电位最大值较环境电子通量最大值有数十min延时。增加屏蔽层厚度和减小介质厚度均能有效减缓HEO卫星介质电位波动,并降低内带电的风险。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同地磁活动期间地球同步轨道高能电子通量分析

文章利用地球同步轨道GOES～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.     

MEO卫星氢镍蓄电池组自主充电管理方法

MEO卫星运行轨道存在不可测控弧段,每年有长光照期和两个地影季,为此对星上充电管理的自主能力提出了较高要求。文章介绍了我国首颗在轨飞行的MEO卫星的氢镍蓄电池组的在轨自主管理方法,包括地影季的电压-温度（V-T）控制与电量计结合的充电管理方法和长光照期控制电池压力的涓流管理方法,并给出了在轨飞行的实际效果,可作为后续卫...     

“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。     

BM2表面充电试验设备研制

卫星表面充放电是危害地球同步轨道卫星的严重问题,BM2表面充电试验设备是用于地球同步轨道卫星表面样品和外露组件表面充电效应研究和试验的设备,设备由真空设备、电子枪、紫外辐照装置和测量仪器组成,它是国内尺寸最大性能最好的表面充电试验设备。本文详细介绍了设备的组成和主要技术性能。     

Exposure estimates for repair satellites at geosynchronous orbit

Communications and weather satellites in geosynchronous (GEO, altitude: 35,793 km.) and geostationary orbits (GSO) are revolutionizing our ability to almost instantly communicate with each other, capture high resolution global imagery for weather forecasting and obtain a multitude of other geophysical data for environmental protection purposes. The rapid increase in the number of satellites at GEO is partly due to the exponential expansion of the internet, its commercial potential and the need to deliver a large amount of digital information in near real time. With the large number of satellites operating at GEO and particularly at GSO, there is a need to think of viable approaches to retrieve, rejuvenate and perhaps repair these satellites. The first step in this process is a detailed understanding of the ionizing radiation environment at GEO. Currently, the most widely used trapped particle radiation environment definition near Earth is based on the NASA’s static AP8/AE8 models which define the trapped proton and electron intensities. These models are based on a large number of satellite measurements carried out in the 1960s and 1970s. In this paper, the AP8/AE8 models as well as a heavy ion galactic cosmic ray (GCR) model are used to define the radiation environments for protons, electrons and heavy ions at low Earth orbit (LEO), medium Earth orbit (MEO) and GEO. LEO and MEO dosimetric calculations are included in the analysis since any launch platform capable of delivering a payload to GEO will accumulate exposure during its transit through LEO and MEO. The computational approach (particle transport) taken in this paper is to use the static LEO, MEO, GEO and geomagnetically attenuated GCR environments as input to the NASA Langley Research Center (LaRC) developed deterministic particle transport codes high charge and energy transport (HZETRN) and coupled electron photon transport (CEPTRN). This is done through exposure prediction within a spherical shell, a legacy Apollo era command service module (CSM) configuration, and a large modular structure represented by a specific configuration of the international Space Station (ISS-11A, circa 2005). Based on the results of the simulations, conclusions are drawn on the exposure levels accumulated by these geometries throughout a mission to GEO.     

空间材料深层充放电效应试验研究

利用电子枪发射的单能电子束、以及放射源发射的能谱结构接近空间电子环境的β射线电子,模拟试验了几种常用空间介质材料和某卫星部件的深层充电过程;结合对放电电流脉冲和电场脉冲的测量,观测了深层放电脉冲信号及其对试验电路的影响。试验结果表明,在类似实际空间强度的pA量级电子束辐照下,介质材料可以累积大量电荷,其表面电位可以达到近万V;随后发生的介质材料放电可产生高强度的放电电流脉冲和电场脉冲,放电脉冲对试验电路造成较强的干扰。     

空间电子辐照下星用热缩套管力学性能退化试验研究

为掌握星用热缩套管的力学性能在空间带电粒子辐射环境中的退化情况,分别利用1 Me V高能电子和45 ke V低能电子模拟地球同步轨道带电粒子辐射环境,研究热缩套管在这2种不同能量电子辐照下断裂伸长率和抗拉强度性能退化情况。试验结果表明,辐照后热缩套管颜色由透明变为黄色,力学性能均出现显著退化现象,且高能电子辐照后退化较低能电子辐照后更为严重。文章通过能量沉积分析、辐解气体分析、表面形貌分析和X射线光电子能谱分析等多种手段,对试验结果做出了合理解释。本研究对开展结构材料力学性能退化地面模拟试验中的能量粒子选择有指导意义。     

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。     

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.     

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。     

上面级发射中高轨道卫星外热流分析

研究发射轨道的外热流是卫星热控制系统设计的基础。针对上面级发射轨道的特点和卫星姿态，推导出上面级滑行段和点火段瞬态及平均外热流计算公式。以北斗三号中轨导航卫星为例，给出了阳光和轨道面夹角随太阳黄经和升交点赤经的变化关系，以及最长阴影时间、滑行段旋转角速度约束条件的分析方法，在此基础上确定了上面级阶段卫星的极端外热流工况并给出了外热流计算结果。     

电子辐照下聚酰亚胺薄膜的深层充电现象研究

空间辐射环境下聚合物绝缘材料的深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一。文章利用能量为5～100keV的单能电子枪,研究了不同束流强度电子辐照下聚酰亚胺薄膜样品的深层充电过程。实验表明,在102pA量级的电子束辐照下,聚酰亚胺薄膜样品的表面电位迅速上升后缓慢变化,最终可以达到几kV。在一定条件下,样品表面电位随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而增大;充电达到平衡所需的时间随着辐照电子束流密度和样品厚度的增加而减少。辐照截止后聚酰亚胺薄膜样品内部电荷的泄放需经历较长时间,由衰减时间常数推测出的样品电阻率要比采用传统测量方法得到的结果高一个量级。