[發(fā)明專利]一種空間高壓部件內(nèi)部多電場耦合的電場計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710412297.6
• 申請日: 2017-06-02
• 公開（公告）號: CN107340435B
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦曉剛;陳益峰;楊生勝;史亮;王俊;柳青;湯道坦;李得天
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01R29/14
• 分類號: G01R29/14
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 溫子云;仇蕾安

本發(fā)明公開了一種空間高壓部件內(nèi)部多電場耦合的電場計(jì)算方法，采用有限元差分法，首先確定空間高能電子在高壓部件內(nèi)部的電荷沉積分布和內(nèi)部電荷傳導(dǎo)狀況，其次根據(jù)高壓部件工作電壓情況，設(shè)置邊界條件，最后將電荷沉積量和傳導(dǎo)量帶入電流傳導(dǎo)方程，計(jì)算出空間電荷分布，再將空間電荷代入泊松方程，計(jì)算獲得空間高能電子在高壓部件內(nèi)部沉積產(chǎn)生電場與工作電壓產(chǎn)生電場之間的耦合作用電場，獲得兩個(gè)電場耦合畸變位置。該方法考慮了衛(wèi)星部件的工作電壓對充放電效應(yīng)的影響，能夠提高電場計(jì)算準(zhǔn)確性，為準(zhǔn)確評估空間高壓部件充放電效應(yīng)誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，有效指導(dǎo)高壓部件充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力的基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間高壓部件內(nèi)部電場的計(jì)算分析計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種空間高壓部件內(nèi)部多電場耦合的電場計(jì)算方法。

背景技術(shù)

隨著我國衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，由于功能需求，新一代衛(wèi)星將采用高壓大功率的能源系統(tǒng)，高壓供配電部件是引起整星失效的單點(diǎn)故障源，其可靠性對于衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行至關(guān)重要。

當(dāng)出現(xiàn)較大的空間輻射環(huán)境擾動(dòng)事件時(shí)，如太陽耀斑爆發(fā)、太陽日冕物質(zhì)拋射、地磁暴或地磁亞暴等，大量的空間高能電子將直接穿透衛(wèi)星的表層結(jié)構(gòu)或儀器設(shè)備外殼，嵌入到內(nèi)部的電路板(PCB板)、同軸電纜絕緣層等介質(zhì)材料中，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)內(nèi)部電荷沉積從而建立電場的過程，這一過程就稱為內(nèi)帶電。

衛(wèi)星采用高壓大功率供配電系統(tǒng)后，其部件將工作于較高的電壓，使得部件內(nèi)的電場分布過于集中，在與空間帶電環(huán)境作用過程中，其內(nèi)部電場產(chǎn)生耦合畸變，容易發(fā)生靜電放電。

目前國內(nèi)外在空間內(nèi)帶電效應(yīng)研究方面主要采用蒙特卡洛方法計(jì)算分析和高能電子加速器模擬試驗(yàn)來開展，如文獻(xiàn)1(《衛(wèi)星介質(zhì)深層充電的計(jì)算機(jī)模擬研究》，地球物理學(xué)報(bào)47卷7期)和文獻(xiàn)2(《空間材料深層充放電效應(yīng)試驗(yàn)研究》，航天器環(huán)境工程26卷3期)所示，均未考慮衛(wèi)星部件的工作電壓對充放電效應(yīng)的影響，無法準(zhǔn)確評估空間高壓部件充放電效應(yīng)誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，也無法有效指導(dǎo)高壓部件充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種空間高壓部件內(nèi)部多電場耦合的電場計(jì)算方法，考慮衛(wèi)星部件的工作電壓對充放電效應(yīng)的影響，能夠提高電場計(jì)算準(zhǔn)確性，為準(zhǔn)確評估空間高壓部件充放電效應(yīng)誘發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，有效指導(dǎo)高壓部件充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力的基礎(chǔ)。

該空間高壓部件內(nèi)部多電場耦合的電場計(jì)算方法，包括如下步驟：

步驟一、針對高壓部件結(jié)構(gòu)，完成有限元網(wǎng)格劃分；

步驟二、通過Weber電子射程公式和電荷沉積模型，確定空間高能電子在高壓部件內(nèi)部的沉積電荷密度ρ和能量沉積分布狀況，根據(jù)沉積電荷密度ρ確定各有限元網(wǎng)格內(nèi)的電荷沉積量q；

步驟三、根據(jù)能量沉積分布狀況，求解材料輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率；將材料輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率代入Pool-Frenkel電導(dǎo)方程，建立介質(zhì)材料電導(dǎo)率與耦合作用電場E的關(guān)系表達(dá)式A；

步驟四、根據(jù)空間高壓部件的工作電壓情況，設(shè)置有限元模型的邊界條件滿足拉普拉斯方程；

步驟五、將介質(zhì)材料電導(dǎo)率與耦合電場的關(guān)系表達(dá)式A代入電流傳導(dǎo)方程，沉積電荷密度ρ代入泊松方程，電荷沉積量q代入電荷連續(xù)性方程；基于電流傳導(dǎo)方程、泊松方程、電荷連續(xù)性方程和所述邊界條件，采用有限元計(jì)算方法獲得空間高能電子在高壓部件內(nèi)部沉積產(chǎn)生電場與工作電壓產(chǎn)生電場之間的耦合作用電場E。

其中，所述步驟一分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分：高壓部件的界面附近的設(shè)定區(qū)域沿著界面法線方向采用自由三角形網(wǎng)格剖分；所述設(shè)定區(qū)域之外的遠(yuǎn)離界面區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格剖分；三角形網(wǎng)格的密集程度大于四邊形網(wǎng)格的密集程度。

其中，所述步驟二為：

空間高能電子與高壓部件介質(zhì)材料作用時(shí)，高能電子在介質(zhì)材料內(nèi)部最大射程可由Weber電子射程公式表示：