论文部分内容阅读
摘 要：空间等离子体会对航天器产生严重的表面充电效应，对航天器的运行产生影响。本文采用有限元法，并根据粒子输运方程，借助COMSOL仿真软件对航天器表面充电现象进行三维仿真，建立与传统表面带电软件不同的全新模型。采用该模型对GEO等离子体环境下的航天器表面充电进行仿真，并与SPIS和NASCAP-2K软件的仿真结果进行对比分析，验证了本文提出模型的可行性与准确性，为表面充电模拟提供新的思路。
关键词：GEO 充电仿真 COMSOL
中图分类号：V41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0007-05
空间环境效应是影响航天器在轨安全运行的一个重要因素，其中，航天器表面充电效应是典型的空间环境效应之一。航天器表面充电是指航天器与空间等离子体环境相互作用，各种电荷在航天器表面累积的结果。当航天器相邻结构或部件、不同材料之间、结构表面与背面之间的电位差达到或超过击穿阈值时，将发生静电放电。静电放电能够降低表面材料的性能，对航天器电子设备造成逻辑干扰与破坏等，严重时能导致整个航天器的瘫痪[1]，造成不可估量的损失。
仿真与研究航天器表面充电的方法基本都围绕着表面电荷平衡方程展开，并衍生出了若干表面充电三维仿真分析软件，其中以NASCAP-2K、SPIS以及MUSCAT较为出名[2]。NASCAP-2K为NASA所开发，通过综合计算航天器表面各种电流分布以模拟航天器表面充电，并只对美国境内的科研院所开放。SPIS为欧空局所开发，基于粒子分室算法（PIC，particle-in-cell）对航天器表面各种粒子的综合作用进行迭代计算，尽管SPIS对外开源，但是由于其所用物理参数较多而使用介绍又比较简单，使用者往往需要经过专门培训才能达到很好的使用掌握。MUSCAT是日本宇航局自研自用的一个充电仿真软件。
COMSOL Multiphysics?（以下简称COMSOL）为COMSOL公司开发的一款用于建模和模拟物理场问题的通用软件平台。COMSOL具有高效的计算性能，并可以通过电气、力学、流体流动和化学等领域的专用物理接口和工具来进一步扩展建模功能，具有杰出的多场双向直接耦合分析能力，可以实现高度精确的数值仿真[3]。
本文对利用COMSOL模拟仿真航天器表面充电的方法进行了探索，以典型高充电轨道GEO为研究对象，提示了新的表面充电模型，并与SPIS和NASCAP-2K的仿真结果进行比对分析，以验证所用方法的合理性。
1 GEO等离子体环境
地球同步轨道（GEO，Geosynchronous orbit）是指距离地心6.5Re左右的近赤道区，是人造航天器的高密集区。GEO的等离子体环境构成比较复杂，主要由外辐射带重叠的部分、等离子体层及其层顶以及背阳侧的等离子体片的内边界区所构成，如图1所示。由于地球同步轨道穿越了几个不同的等离子体区，综合起来，GEO等离子体环境具有如下特征[4]。
（1）粒子能量范围宽，几乎涉及所有能量的等离子体。
（2）在不同位置、不同时间粒子的能谱也不完全一样。
（3）在不同的太阳活动条件以及地磁活动条件下，由于空间等离子体区域的变化，地球同步轨道的构成区亦不完全相同。
2 基于Comsol充电仿真与分析
2.1 Comsol充电仿真算法与原理
本次研究基于粒子输运方程，模拟等离子体在空间中的输运过程，计算航天器表面充电效应，等离子体环境满足的基本方程如下：
2.2 模型建立与仿真
选取不同的GEO等离子体环境参数和航天器模型，对本文提出的模型进行验证。首先选取ATS-6[5]卫星在空间中测得的地球同步轨道最恶劣环境等离子体参数进行航天器表面充电模拟。模拟所用航天器模型为卫星通用模型，其表面材料取航天器表面常用材料进行模拟，航天器模型及表面材料如图2所示，环境参数如表1所示。
模拟结果如图3所示，在达到充电平衡后，太阳电池上表面电势平均为-7200V，太阳电池背面材料表面充电电势平均为-10800V，航天器主体平均表面充电电势为-10020V。SPIS软件模拟结果如图4所示，可以看出本文模型的仿真結果与取相同环境参数、航天器模型及充电时间后，用SPIS软件的模拟结果基本一致[6]。
取NASA测得的地球同步轨道下的Wosrt Case[7]等离子体环境数据对模型进行验证，模拟时长为1000s。航天器模型及表面材料如图5所示，航天器NASA Worst Case环境参数如表2所示。
COMSOL表面充电结果如图6所示，在经过1000s的表面充电后，可以得到太阳板上表面充电电势为-7900～-10200V，航天器主体电势为-11590～-13800V，天线的平均表面电势为-10240V。对比V.A.Davis[8]等人使用NASCAP-2k的模拟结果，两组结果也基本一致，说明本文建立的表面充电模型是准确的。
通过以上两组分别与SPIS和NASCAP-2k模拟结果的对比，我们可以看出本文所提出的表面充电模型在模拟结果上与上述两款软件是基本一致的，证明了该模型的准确性及可行性。同时，基于粒子输运方程建立的模型能更真实地还原空间表面充电的物理过程，相比于等效电路法，结果更接近真实情况，更具有参考价值。
3 结语
本文基于粒子输运方程，推出了一个新的航天器表面充电模型，并通过与现有较成熟的表面充电软件模拟结果的对比，验证了该模型的准确性及可行性。粒子输运方程与传统等效电路法相比，在模拟的过程中能更好地还原充电的物理过程，使结果更具有参考价值。同时，本模型可以进行适当的推广，根据不同环境下的等离子体条件以及不同的航天器模型进行不同轨道高度下的表面充电模拟，为表面充电模拟研究提供新的思路与方法。 參考文献
[1] Robinson，Paul A.Spacecraft environmental anomalies handbook[M].Spacecraft Environmental Anomalies Handbook，1989.
[2] 师立勤.低轨道航空器辐射环境和表面充电效应研究[D]. 中国科学技术大学，2011.
[3] COMSOL 公司.COMSOL Multiphysics基于物理场的模拟和仿真平台[EB/OL].（2017-08-07）[2017-08-09].http：//cn.comsol.com/comsol-multiphysics.
[4] 原青云，孙永卫.地球同步轨道航天器表面带电模拟[A].中国物理学会全国静电学术会议[C].2014.
[5] Ferguson D C，Katz I.The worst case GEO environment and the frequency of arcs in GEO[J].IEEE Transactions on Plasma Science， 2015，43（9）：3021-3026.
[6] Yenan L，Weiquan F.GEO Spacecraft potential estimation In worst-case environment by spis[A].14th Spacecraft Charging Technology Conference，ESA/ESTEC，Noordwijk， NL[C].2016：1-3.
[7] C.K.Purvis，H.B.Garrett，A.C.Whittlesey.et al.Design Guidelines for Assessing and Controlling Spacecraft Charging Effects，NASA TP-2361，3[Z].
[8] Davis V A，Mandell M J，Gardner B M，et al.Validation of NASCAP-2K spacecraft-environment interactions calculations[A].8th Spacecraft Charging Technology Conference[C]. 2004：7-8.
关键词：GEO 充电仿真 COMSOL
中图分类号：V41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（b）-0007-05
空间环境效应是影响航天器在轨安全运行的一个重要因素，其中，航天器表面充电效应是典型的空间环境效应之一。航天器表面充电是指航天器与空间等离子体环境相互作用，各种电荷在航天器表面累积的结果。当航天器相邻结构或部件、不同材料之间、结构表面与背面之间的电位差达到或超过击穿阈值时，将发生静电放电。静电放电能够降低表面材料的性能，对航天器电子设备造成逻辑干扰与破坏等，严重时能导致整个航天器的瘫痪[1]，造成不可估量的损失。
仿真与研究航天器表面充电的方法基本都围绕着表面电荷平衡方程展开，并衍生出了若干表面充电三维仿真分析软件，其中以NASCAP-2K、SPIS以及MUSCAT较为出名[2]。NASCAP-2K为NASA所开发，通过综合计算航天器表面各种电流分布以模拟航天器表面充电，并只对美国境内的科研院所开放。SPIS为欧空局所开发，基于粒子分室算法（PIC，particle-in-cell）对航天器表面各种粒子的综合作用进行迭代计算，尽管SPIS对外开源，但是由于其所用物理参数较多而使用介绍又比较简单，使用者往往需要经过专门培训才能达到很好的使用掌握。MUSCAT是日本宇航局自研自用的一个充电仿真软件。
COMSOL Multiphysics?（以下简称COMSOL）为COMSOL公司开发的一款用于建模和模拟物理场问题的通用软件平台。COMSOL具有高效的计算性能，并可以通过电气、力学、流体流动和化学等领域的专用物理接口和工具来进一步扩展建模功能，具有杰出的多场双向直接耦合分析能力，可以实现高度精确的数值仿真[3]。
本文对利用COMSOL模拟仿真航天器表面充电的方法进行了探索，以典型高充电轨道GEO为研究对象，提示了新的表面充电模型，并与SPIS和NASCAP-2K的仿真结果进行比对分析，以验证所用方法的合理性。
1 GEO等离子体环境
地球同步轨道（GEO，Geosynchronous orbit）是指距离地心6.5Re左右的近赤道区，是人造航天器的高密集区。GEO的等离子体环境构成比较复杂，主要由外辐射带重叠的部分、等离子体层及其层顶以及背阳侧的等离子体片的内边界区所构成，如图1所示。由于地球同步轨道穿越了几个不同的等离子体区，综合起来，GEO等离子体环境具有如下特征[4]。
（1）粒子能量范围宽，几乎涉及所有能量的等离子体。
（2）在不同位置、不同时间粒子的能谱也不完全一样。
（3）在不同的太阳活动条件以及地磁活动条件下，由于空间等离子体区域的变化，地球同步轨道的构成区亦不完全相同。
2 基于Comsol充电仿真与分析
2.1 Comsol充电仿真算法与原理
本次研究基于粒子输运方程，模拟等离子体在空间中的输运过程，计算航天器表面充电效应，等离子体环境满足的基本方程如下：
2.2 模型建立与仿真
选取不同的GEO等离子体环境参数和航天器模型，对本文提出的模型进行验证。首先选取ATS-6[5]卫星在空间中测得的地球同步轨道最恶劣环境等离子体参数进行航天器表面充电模拟。模拟所用航天器模型为卫星通用模型，其表面材料取航天器表面常用材料进行模拟，航天器模型及表面材料如图2所示，环境参数如表1所示。
模拟结果如图3所示，在达到充电平衡后，太阳电池上表面电势平均为-7200V，太阳电池背面材料表面充电电势平均为-10800V，航天器主体平均表面充电电势为-10020V。SPIS软件模拟结果如图4所示，可以看出本文模型的仿真結果与取相同环境参数、航天器模型及充电时间后，用SPIS软件的模拟结果基本一致[6]。
取NASA测得的地球同步轨道下的Wosrt Case[7]等离子体环境数据对模型进行验证，模拟时长为1000s。航天器模型及表面材料如图5所示，航天器NASA Worst Case环境参数如表2所示。
COMSOL表面充电结果如图6所示，在经过1000s的表面充电后，可以得到太阳板上表面充电电势为-7900～-10200V，航天器主体电势为-11590～-13800V，天线的平均表面电势为-10240V。对比V.A.Davis[8]等人使用NASCAP-2k的模拟结果，两组结果也基本一致，说明本文建立的表面充电模型是准确的。
通过以上两组分别与SPIS和NASCAP-2k模拟结果的对比，我们可以看出本文所提出的表面充电模型在模拟结果上与上述两款软件是基本一致的，证明了该模型的准确性及可行性。同时，基于粒子输运方程建立的模型能更真实地还原空间表面充电的物理过程，相比于等效电路法，结果更接近真实情况，更具有参考价值。
3 结语
本文基于粒子输运方程，推出了一个新的航天器表面充电模型，并通过与现有较成熟的表面充电软件模拟结果的对比，验证了该模型的准确性及可行性。粒子输运方程与传统等效电路法相比，在模拟的过程中能更好地还原充电的物理过程，使结果更具有参考价值。同时，本模型可以进行适当的推广，根据不同环境下的等离子体条件以及不同的航天器模型进行不同轨道高度下的表面充电模拟，为表面充电模拟研究提供新的思路与方法。 參考文献
[1] Robinson，Paul A.Spacecraft environmental anomalies handbook[M].Spacecraft Environmental Anomalies Handbook，1989.
[2] 师立勤.低轨道航空器辐射环境和表面充电效应研究[D]. 中国科学技术大学，2011.
[3] COMSOL 公司.COMSOL Multiphysics基于物理场的模拟和仿真平台[EB/OL].（2017-08-07）[2017-08-09].http：//cn.comsol.com/comsol-multiphysics.
[4] 原青云，孙永卫.地球同步轨道航天器表面带电模拟[A].中国物理学会全国静电学术会议[C].2014.
[5] Ferguson D C，Katz I.The worst case GEO environment and the frequency of arcs in GEO[J].IEEE Transactions on Plasma Science， 2015，43（9）：3021-3026.
[6] Yenan L，Weiquan F.GEO Spacecraft potential estimation In worst-case environment by spis[A].14th Spacecraft Charging Technology Conference，ESA/ESTEC，Noordwijk， NL[C].2016：1-3.
[7] C.K.Purvis，H.B.Garrett，A.C.Whittlesey.et al.Design Guidelines for Assessing and Controlling Spacecraft Charging Effects，NASA TP-2361，3[Z].
[8] Davis V A，Mandell M J，Gardner B M，et al.Validation of NASCAP-2K spacecraft-environment interactions calculations[A].8th Spacecraft Charging Technology Conference[C]. 2004：7-8.