[發明專利]一種航天器尾區帶電效應仿真方法

有效

• 申請號: 201410447424.2
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104239620B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 趙呈選;李得天;楊生勝;秦曉剛;陳益峰;王俊;湯道坦;史亮
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 溫子云,仇蕾安

1.一種航天器尾區帶電效應仿真方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、構建極區沉降電子能譜的擬合表達式，即極光電子通量Φ隨能量E變化的關系，該關系通過功率定律分布Φ_p(E)、麥克斯韋分布Φ_m(E)和高斯分布Φ_G(E)的疊加來表示；利用現有的極區電子譜觀測數據獲得擬合表達式中的未知參數，得到極區沉降電子能譜表達式；

步驟二、建立背景等離子體環境中離子分布特性譜；

步驟三、進行航天器不同表面材料的二次電子發射譜測試；

步驟四、采用單元粒子法PIC進行航天器尾區帶電效應的過程模擬：

利用步驟一中擬合的極區沉降電子能譜，在整個模擬區域所劃分的計算網格中分配各能量段的電子個數，然后等效成一定數目的宏粒子；

利用步驟二中建立的離子分布特性譜，在航天器周圍空間的計算網格中分配離子密度，然后等效成一定數目的宏粒子；

利用步驟三中獲得的每種材料的二次電子發射能譜，分配航天器表面材料附近空間的計算網格中的二次電子密度，然后等效成一定數目的宏粒子；

分配完成后，運行單元粒子法PIC獲得模擬結果。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟三對ITO覆膜、Kapton、太陽能電池板玻璃片和碳纖維結構材料進行測試。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟二具體為：

步驟1、建立航天器等效模型為表面帶負電、半徑為a的導體球；a為航天器最大橫向半寬；

步驟2、建立離子在勢場中軌道運動的能量守恒方程，并對離子質量m和離子電荷q進行無量綱轉換，得到無量綱能量守恒方程；

步驟3、建立離子速度空間分布函數f₀()為麥克斯韋速度分布并對速度量進行無量綱轉換，則

其中，為單個離子無窮遠處的速度矢量，為離子整體運動速度矢量，即航天器速度矢量的反方向；

步驟4、建立離子撞擊點處的局部直角坐標系；

局部直角坐標系OXYZ建立在導體球的球面上，原點位于球面的撞擊點，Z軸垂直于球面，X在Z平面內且與Z軸垂直，為離子撞擊航天器的速度矢量，Y軸滿足右手法則；

在局部直角坐標系中定義如下角度：

ψ為航天器速度矢量與在勢場中離子撞擊航天器的速度矢量之間的夾角，ξ為航天器速度矢量和撞擊面法向Z之間的夾角，θ_∞為無窮遠處離子的速度與撞擊面法向Z之間的夾角，為離子撞擊航天器的速度矢量在XY平面上的投影與X軸之間的夾角，即離子運動軌道平面與X軸之間的夾角；

則，上述角度之間的角度關系為：

步驟5、建立球坐標系下的離子充電電流密度表達式：

將局部直角坐標系下的離子充電電流密度表達式轉換到球坐標系中，并代入所述無量綱能量守恒方程、所述離子速度空間分布函數和所述角度關系，得到球坐標系下離子充電電流密度表達式：

α和為球坐標系中的極角，對極角積分得到：

j=(2π)-3/2∫0∞v0(v02+2Φ)exp[-v02/2]F(v0)dv0---(7)]]>

其中，

F(v0)=(2π)-3/2∫0π/2exp[-V02/2]exp[(v0V0cosξcosθ∞)/2]I0(x)cosαsinαdα---(8)]]>

x＝-v₀V₀sinξsinθ_∞???(10)

其中，v₀為的大小，V₀為的大小；

步驟6、求解貝塞爾函數從而消去充電電流密度表達式(6)中的未知量；為

步驟7、根據航天器等效模型，建立勢場中離子的運動軌道方程，并利用邊界條件獲得角度θ₀、θ_∞和α的關系為：

cosθ0=[2(E/Φ+1)sin2α-1]1+4E(E+Φ)/Φ2·sin2α-1---(12)]]>

cos(θ∞-θ0)=-1+4E(E+Φ)/Φ2·sin2α-1---(13)]]>

將(12)式代入(13)式得到θ_∞與α的關系式I；

步驟8、將θ_∞與α的關系式I代入式(7)，從而消去θ_∞，得到j與ξ、α的關系式II；接著利用關系式II對α進行積分，得到j與ξ的關系式III；

步驟9、對j與ξ的關系式III中的無量綱化速度進行有量綱化轉換，得到即航天器離子分布特性；

則步驟四中，所述利用步驟二中建立的離子分布特性譜，在航天器周圍空間的計算網格中分配離子密度具體為：根據航天器離子分布特性，分配航天器周圍空間網格各個角度上的離子充電電流密度。