航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术

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1、航天器环境工程第29卷第2期144SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2012年4月航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术田立成，石红，李娟，张天平（兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，兰州730000）摘要：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。关键词：空间等离

2、子体；地磁亚暴；航天器表面充电；等效电路模型；电位主动控制；空心阴极等离子体接触器；仿真计算中图分类号：V416.5;TP391.9文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)02-0144-06DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2012.02.0060引言中测量记录的充电电位达到-500V以上的事例高达27次，同年2月14日测得卫星充电电位达到宇宙空间99%的物质以空间等离子体的形式[2-4]-2000V。存在，因此空间等离子体是空间环境研究的主要对近年来，随着人们对航天器充电研究的不断深象之一。空间等离子体

3、分布对运行在其中的航天器入，充电防护渐渐引起人们的重视。在GEOTAIL安全存在重要影响。地球同步轨道（GEO）航天器和CLUSTER卫星上安装了卫星主动电位控制仪，时刻浸没在热等离子体区，由于航天器表面材料的[5]将航天器表面电位钳制在较低的水平。几何形状、介电特性及光照条件等不同，所以相邻国外对航天器充放电现象进行了充分的数值外表面之间以及处于阴影区和光照区的航天器两模拟研究，编写的航天器充电系列软件对航天器侧会产生电位差；当该电位差达到或超过航天器材[6-7]的带电防护设计具有一定的理论指导作用。国料击穿阈值后，便会在航天器材料表面产生静

4、电放内在卫星设计中，为了抑制航天器表面充电效应，电（ESD）。同时，放电会产生电磁脉冲（EMP），普遍采用的是航天器表面电位被动控制措施，如干扰卫星通信和星上电子设备的应用。20世纪70地球探测双星的太阳电池板电池玻璃盖片镀ITO年代初，包括DSCII，DSP，IntelsatIII和IntelsatIV[8]导电膜。20世纪90年代，中国科学院空间科学等在内的几十颗GEO卫星在运行中发生了不同程与应用研究中心研制了脉冲等离子体源作为卫星[1]度的故障。表面电位主动控制装置，但未进行卫星搭载试验。运行中的GEO航天器在强地磁亚暴空间环境对航天器

5、表面充电进行精确计算和评价，于航下，将遭遇高能量等离子体的轰击，尤其当航天天器的早期设计具有重要的理论指导意义。本文运器处于地球阴影区时，其表面会产生严重的充电用等效电路理论推导出表示随时间演化的充电过效应，使表面相对于周围空间等离子体的负电位程的微分方程组，用FORTRAN语言开发了相应达到几千甚至上万伏。如此高的电位差会击穿航天的计算机模拟程序，针对强地磁亚暴空间环境分析器表面材料使其发生故障。我国于1994年2月了GEO航天器在阴影区和光照区的充电水平。最发射了专门针对空间等离子体环境进行研究的空后计算讨论了采用空心阴极等离子体接触器向航

6、间探测卫星“实践四号”，在该卫星运行过程天器外的宇宙空间（即电子束远离航天器表面方————————————收稿日期：2011-09-09；修回日期：2012-03-10基金项目：真空低温技术与物理重点实验室基金（项目编号：9140C5504020704）。作者简介：田立成（1983—），男，硕士学位，从事等离子体浸没离子注入材料改性研究、离子电推进和霍尔电推进等空间特种推进理论与试验技术研究以及航天器充放电理论与试验技术研究。E-mail：tlc1676@163.com。第2期田立成等：航天器表面充电仿真计算和电位主动控制技术145向）发射电子

7、束作为控制航天器充电水平手段的作表面相互作用情况，将组成航天器表面的不同材料用效果。视作不同的电路元（如图2所示），并用数学公式表达出各电路元的等效电阻、等效电容及流入电路1航天器表面充电的等效电路模型元的等效电流，根据电流平衡列出各等效元的微分运行中的GEO航天器犹如一个浸没在空间等方程，进而形成一微分方程组。离子体中的悬浮探针，其表面与空间等离子体相互[9]作用情况见图1。根据等离子体物理中的悬浮探针理论，流入航天器表面的各种电流满足动态平[9]衡，即航天器表面净电流为0，其表达式为IV()[()−++++IVIVIVIV()()()esi

8、ssessisbesIVIVIV()()()]++=I。(1)phsbsssnet图2等效电路模型原理图其中，Vs代表航天器某外露材料部分的表面电位；