[發(fā)明專利]一種基于有限差分的衛(wèi)星深層充電評估的電場計算方法

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• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN108072795A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊垂柏;王世金;馮宇波;王月
• 申請（專利權(quán)）人: 北京天工科儀空間技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于航天器空間環(huán)境防護設(shè)計和在軌管理應(yīng)用中的空間輻射環(huán)境效應(yīng)評估領(lǐng)域，具體涉及一種衛(wèi)星深層介質(zhì)充電后的電場強度計算方法，適合于自旋穩(wěn)定平臺、三軸穩(wěn)定平臺為代表的各類靜止軌道衛(wèi)星內(nèi)平板結(jié)構(gòu)、同軸線套等介質(zhì)充電評估。本發(fā)明在已有的電流平衡理論的深層充電評估方法基礎(chǔ)上，提出采用有限差分方法進行衛(wèi)星深層充電后的介質(zhì)內(nèi)部電場強度的評估，克服了過去常用基于解析方法的輸入格式受限的問題，從而具有更好的科學(xué)性和更高的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星在軌空間輻射環(huán)境效應(yīng)管理領(lǐng)域，尤其涉及一種用于評估地球軌道衛(wèi)星深層充電的介質(zhì)電場強度的方法。

背景技術(shù)

空間輻射環(huán)境的高能電子、高能質(zhì)子及重離子等要素都會對衛(wèi)星造成輻射效應(yīng)危害。空間高能電子除了對衛(wèi)星造成輻射劑量效應(yīng)之外，還會穿透衛(wèi)星蒙皮而沉積在衛(wèi)星內(nèi)部絕緣材料或非接地導(dǎo)體中而發(fā)生充電現(xiàn)象，以及沉積在星外導(dǎo)線皮套內(nèi)的電荷，即發(fā)生衛(wèi)星深層充電。衛(wèi)星深層充電會像地面靜電帶電一樣，當(dāng)超過一定的容忍值時，就會產(chǎn)生放電，就如地面靜電放電一般，放電期間會在短時間內(nèi)釋放出大量電荷、電磁波，這類靜電放電會直接或間接耦合進電子系統(tǒng)中造成危害。受到深層充電影響的衛(wèi)星可能會出現(xiàn)跳變等異常現(xiàn)象，甚至嚴(yán)重情況下會發(fā)生整星的失效。

由于衛(wèi)星深層充電會對衛(wèi)星造成干擾危害，因此，在衛(wèi)星研制階段、在軌管理及事后故障診斷階段，開展衛(wèi)星深層充電評估是一種降低衛(wèi)星充放電危害的重要手段，其中對于介質(zhì)內(nèi)部電場強度的計算是重點。目前衛(wèi)星深層充電的介質(zhì)內(nèi)電場強度計算包括采用電流平衡解析法和數(shù)值計算兩類方法，其中解釋法采用的是原理性的歐姆定律結(jié)合泊松方程，而數(shù)值計算方法采用的是利用有限差分或者有限元等方法進行泊松方程的求解。如果采用解析法進行衛(wèi)星深層充電危險的計算評估，會造成對深層充電對衛(wèi)星的危害的評估耗費時間過長。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)在衛(wèi)星深層充電危險評估采用解析法計算而存在著評估耗時過長的問題，本發(fā)明提供一種基于有限差分的用于評估衛(wèi)星深層充電后危害的介質(zhì)內(nèi)電場強度的計算方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于評估衛(wèi)星深層充電風(fēng)險的方法，該方法利用高能電子探測器實測的數(shù)據(jù)作為持續(xù)動態(tài)輸入，采用線性沉淀的電荷沉積方法并結(jié)合歐姆定律、麥克斯韋方程計算介質(zhì)內(nèi)部的電場、電位，用于解決以往采用靜態(tài)數(shù)據(jù)輸入帶來的充電風(fēng)險評估過量或不足的問題；采用連續(xù)高能電子數(shù)據(jù)作為動態(tài)輸入，而非采用某個峰值數(shù)據(jù)的單點數(shù)據(jù)作為靜態(tài)輸入，增加評估時刻之前的電荷積累影響；采用線性沉淀的電荷沉積方計算不同能量電子在介質(zhì)內(nèi)的通量-深度和劑量率-深度數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，而非采用蒙特卡羅計算方法，降低評估所需要的計算時間，從而更加有利于應(yīng)用在工程型號的相關(guān)評估工作；采用歐姆定律和麥克斯韋方程，進行介質(zhì)內(nèi)部電荷密度、電場、電位分布的計算，并比較介質(zhì)內(nèi)部不同位置處電場從而得出內(nèi)部空間最大電場，進而將內(nèi)部最大電場與介質(zhì)擊穿電場強度值進行比較，從而判定衛(wèi)星在運行過程中是否存在靜電放電。

實現(xiàn)本發(fā)明的評估衛(wèi)星深層充電電場的計算方法包括如下步驟：

步驟1：將衛(wèi)星內(nèi)部或者外部需要評估的介質(zhì)結(jié)構(gòu)抽樣成平板結(jié)構(gòu)或同軸型結(jié)構(gòu)，均包含有遮擋、介質(zhì)及被層或芯柱，并給出介質(zhì)厚度值；

步驟2：將介質(zhì)內(nèi)部空間進行剖分，平板型介質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部剖分為等高線，同軸型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部剖分為同心圓，采用等距離剖分。

步驟3：以預(yù)定格式的讀入介質(zhì)的初始條件和邊界條件，包括最初介質(zhì)內(nèi)的電場分布和邊界電位值；

步驟4：以預(yù)定格式的讀入空間高能電子的數(shù)據(jù)，可以是衛(wèi)星實測粒子數(shù)據(jù)或輻射帶粒子模型數(shù)據(jù)，諸如風(fēng)云二號衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)或AE8輻射粒子模型數(shù)據(jù)。

步驟5：利用線性沉淀法公式，這對步驟4所讀入的數(shù)據(jù)，計算每個時刻的不同能段在介質(zhì)內(nèi)的通量-深度和劑量率-深度的對應(yīng)關(guān)系，并最后求得所有能段的總通量和總劑量率分布關(guān)系；