MEO衛(wèi)星內(nèi)部充電環(huán)境及典型材料充電特征分析

王子鳳，張振龍

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

MEO衛(wèi)星內(nèi)部充電環(huán)境及典型材料充電特征分析

王子鳳1， 2，張振龍1

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

文章利用通用模型 DICTAT，計(jì)算了惡劣期地球中高軌道（MEO）高能電子通量隨衛(wèi)星運(yùn)行位置的變化情況以及日均積分能譜，之后選擇4種參數(shù)具有代表性的電介質(zhì)材料，分析了其在MEO環(huán)境下的充電特征，并將上述結(jié)果與地球同步軌道（GEO）情況進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，通常而言MEO衛(wèi)星的內(nèi)部充電風(fēng)險(xiǎn)更高，平均充電電位是GEO的3倍左右，而且充電電位在整個(gè)軌道周期內(nèi)起伏變化明顯，電位達(dá)到最高值的時(shí)間相對(duì)于高能電子通量最大值有0.3～0.9h的延遲，具體的變化特征由電介質(zhì)材料時(shí)間常數(shù)決定。

MEO衛(wèi)星；GEO衛(wèi)星；電介質(zhì)材料；內(nèi)部充電；充電電位

0 引言

衛(wèi)星內(nèi)部充電是指空間高能帶電粒子穿過(guò)衛(wèi)星表面，在衛(wèi)星的電介質(zhì)材料內(nèi)部沉積并建立電場(chǎng)的過(guò)程［1］。當(dāng)建立的電場(chǎng)超過(guò)電介質(zhì)材料的擊穿閾值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生靜電放電，威脅衛(wèi)星運(yùn)行安全［2］。

衛(wèi)星內(nèi)部充電是造成地球同步軌道（GEO）、中高軌道（MEO）衛(wèi)星故障的主要原因之一。由于GEO的特殊性，其上運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量眾多，國(guó)內(nèi)外對(duì)GEO環(huán)境及其內(nèi)部充電情況的研究較為深入［3-4］。但MEO作為導(dǎo)航衛(wèi)星的主要運(yùn)行軌道，其有關(guān)的內(nèi)部充電文獻(xiàn)報(bào)道［5-7］卻較少。隨著我國(guó)越來(lái)越多的導(dǎo)航衛(wèi)星被發(fā)射到MEO軌道，對(duì)該軌道的充電環(huán)境及充電特點(diǎn)的研究也更加必要。

本文利用DICTAT軟件和其中的FLUMIC模型，初步分析了MEO高能電子環(huán)境及典型材料的內(nèi)部充電情況，并與GEO情況對(duì)比，來(lái)說(shuō)明MEO衛(wèi)星的充電規(guī)律和材料參數(shù)對(duì)內(nèi)部充電電位的影響。

1 模型及計(jì)算條件

1.1計(jì)算模型

DICTAT是由 ESA開發(fā)的內(nèi)部充電一維仿真模型，可計(jì)算平板或圓柱構(gòu)型的電介質(zhì)材料在指定軌道空間環(huán)境下的充電電場(chǎng)和電位，并且具有較快的運(yùn)算速度，目前已被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星內(nèi)部充電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中［8-9］。DICTAT內(nèi)包含一個(gè)外輻射帶最惡劣電子環(huán)境模型FLUMIC，可根據(jù)衛(wèi)星的軌道參數(shù)、運(yùn)行的起始時(shí)間及在軌時(shí)間給出導(dǎo)致其充電的高能電子環(huán)境。得到電子環(huán)境后，DICTAT再結(jié)合材料的電導(dǎo)率、幾何形狀、接地方式等參數(shù)，計(jì)算出電介質(zhì)材料內(nèi)部最大電場(chǎng)和充電電位。當(dāng)?shù)玫降淖畲箅妶?chǎng)超過(guò)材料的擊穿閾值時(shí)，程序會(huì)建議修改衛(wèi)星的防護(hù)層及厚度，直到達(dá)到材料的安全閾值。

1.2軌道參數(shù)

在本次計(jì)算中，設(shè)定的軌道參數(shù)為：MEO衛(wèi)星軌道高度為20 200km，傾角為55°，運(yùn)行周期為12h，用來(lái)對(duì)比的GEO衛(wèi)星軌道高度為36000km，經(jīng)度為120°，運(yùn)行周期為24h。

1.3電介質(zhì)材料選擇

在材料選擇上考慮了兩方面的因素：1）所選的電介質(zhì)材料是衛(wèi)星常用材料；2）不同材料的暗電導(dǎo)率和輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率［10-11］分別有一定的間距以利對(duì)比分析?；谝陨蟽牲c(diǎn)，選擇了聚乙烯、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、聚四氟乙烯4種材料，它們的特征參數(shù)如表1所示。表中參數(shù)εr、σ0、KP、Δ由Spenvis網(wǎng)站直接獲得，由Geant4計(jì)算得到。

表1　4種電介質(zhì)材料的特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of four dielectric materials

表1中：εr為相對(duì)介電常數(shù)；σ0為電介質(zhì)材料的暗電導(dǎo)率，大小取決于自身性質(zhì)；KP是與材料有關(guān)的系數(shù)；Δ是依賴于材料的無(wú)量綱指數(shù)；是由環(huán)境中電子能量及通量水平?jīng)Q定的輻射劑量率，本次計(jì)算所用的電子通量取的是MEO衛(wèi)星經(jīng)過(guò)外輻射帶中心時(shí)的數(shù)值，得到的輻射劑量率為電介質(zhì)材料厚度上的平均值；為輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率，受空間環(huán)境影響，由計(jì)算［12］。

在計(jì)算中，將電介質(zhì)厚度設(shè)置為0.2cm，鋁屏蔽厚度為0.1cm（考慮模擬衛(wèi)星蒙皮厚度），接地方式為背面接地。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1MEO的充電環(huán)境

根據(jù)1.2節(jié)的軌道參數(shù)，F(xiàn)LUMIC模型給出了MEO與GEO的磁層參數(shù)L值及兩軌道上隨時(shí)間變化的電子通量。

圖1所示為MEO與GEO的L值隨時(shí)間的變化曲線。圖中陰影部分為外輻射帶區(qū)域，其L值處于3～8之間。MEO的L值曲線在1個(gè)軌道周期內(nèi)2次進(jìn)、出外輻射帶，處于外輻射帶外的時(shí)間占軌道周期的2/5左右，且曲線經(jīng)過(guò)外輻射帶中心區(qū)域。而GEO的L值恒為6.6，衛(wèi)星始終處于外輻射帶靠近外邊緣區(qū)域。

圖1 MEO與GEO隨時(shí)間變化的L值Fig. 1 The time variation of L value for MEO and GEO

圖2為MEO與GEO大于0.2MeV的高能電子的通量隨時(shí)間的變化關(guān)系。對(duì)應(yīng)于圖1，衛(wèi)星運(yùn)行至外輻射帶中心位置時(shí)，所遭受的電子通量最大值可達(dá)3.05×1011m-2·s-1·sr-1；衛(wèi)星運(yùn)行在輻射帶外時(shí)，電子通量降為0（FLUMIC模型假設(shè)輻射帶外電子通量為0）。與MEO相比，GEO的電子通量一直處于相對(duì)較低水平，且變化幅度較小。

將隨時(shí)間變化的電子通量積分并平均可得到圖3所示的日均積分通量能譜。從圖中可知，MEO的積分通量比GEO高1個(gè)數(shù)量級(jí)左右?？傮w來(lái)說(shuō)，MEO的內(nèi)部充電風(fēng)險(xiǎn)比GEO更高。

圖2　MEO與GEO的電子通量隨時(shí)間的變化Fig. 2 Electron flux with time in MEO and GEO

圖3　MEO與GEO電子日均積分通量能譜Fig. 3 Daily-averaged electron spectra in MEO and GEO

2.2典型材料的充電電位

根據(jù)2.1節(jié)得到的充電環(huán)境及1.3節(jié)中的材料參數(shù)，計(jì)算得到了4種材料的充電電位（以下均指負(fù)電位）隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖4～圖7所示。

圖4　聚乙烯材料的充電電位隨時(shí)間的變化Fig. 4 Charged potential of polythene with time

圖5　環(huán)氧樹脂材料的充電電位隨時(shí)間的變化Fig. 5 Charged potential of epoxy with time

圖6　聚酰亞胺材料的充電電位隨時(shí)間的變化Fig. 6 Charged potential of kapton with time

圖7 聚四氟乙烯材料的充電電位隨時(shí)間的變化Fig. 7 Charged potential of teflon with time

圖4～圖7中，一個(gè)顯著的特征是電介質(zhì)材料在 MEO的充電電位隨時(shí)間有很明顯的周期性波動(dòng)，而GEO的充電電位相對(duì)穩(wěn)定。

可以將所選的4種材料在MEO的充電電位變化分為3類：第1類為充電電位隨時(shí)間變化幅度很大，出輻射帶一段時(shí)間后電位下降到GEO充電電位值的下方，如聚乙烯材料；第2類為充電電位始終具有很高的值，變化幅度比第一類小很多，如聚四氟乙烯材料；第3類為充電電位變化介于一、二類之間，充電電位最小值稍大于GEO的充電電位值，如聚酰亞胺及環(huán)氧樹脂材料。

圖中還繪出了電介質(zhì)材料在MEO與GEO的充電電位的平均值，可以看到，MEO的平均充電電位是GEO的3倍左右。

造成上述3類充電電位變化的原因，是電介質(zhì)材料的時(shí)間常數(shù)不同。時(shí)間常數(shù)定義為/τεσ=，表示充電電位降為初值的1/e時(shí)所用的時(shí)間。式中電導(dǎo)率σ由暗電導(dǎo)率σ0和輻射誘發(fā)電導(dǎo)率σr兩部分組成。衛(wèi)星處于輻射帶之內(nèi)時(shí)，σr起主導(dǎo)作用；衛(wèi)星處于輻射帶之外時(shí)，σr迅速減小，σ的大小主要由σ0決定［13］。為了區(qū)分，將只考慮σ0時(shí)的時(shí)間常數(shù)記為τ0，將同時(shí)考慮σ0與σr的時(shí)間常數(shù)記為τ。根據(jù)1.3節(jié)中的材料參數(shù)，計(jì)算4種材料的τ0與τ，如表2所示。

表2　4種電介質(zhì)材料的時(shí)間常數(shù)Table 2 The time constants of four dielectric materials

對(duì)于時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于軌道周期的材料來(lái)說(shuō)，沉積在其內(nèi)部的電荷泄漏緩慢，每個(gè)軌道周期沉積的電荷不斷累加，最終使充電電位維持在一個(gè)較高水平，且隨軌道周期的變化幅度較小。而對(duì)于時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于軌道周期的材料，沉積在其內(nèi)的電荷泄漏快，每個(gè)軌道周期沉積的電荷得不到累積，每次進(jìn)、出輻射帶，都會(huì)導(dǎo)致充電電位的迅速上升或者下降，而且總體上充電維持在較低水平。對(duì)比4種材料的時(shí)間常數(shù)和圖4～圖7可知，聚乙烯材料的時(shí)間常數(shù)最小，聚四氟乙烯材料的最大，相應(yīng)地（見圖4、圖7），聚乙烯材料的平均充電電位只有-235V，充電電位的峰谷差值為平均值的3倍左右，變化幅度最大；聚四氟乙烯材料的平均充電電位高達(dá)-5810V，充電位的峰谷差值為平均值的1/4左右，變化幅度最小。

2.3材料充電相對(duì)于環(huán)境的延遲

對(duì)比MEO上4種材料的充電電位與高能電子的通量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)充電電位達(dá)到最高值的時(shí)間相對(duì)于高能電子通量最大值有延遲性。圖8所示為聚四氟乙烯材料在MEO的充電電位（紅色）與MEO軌道高能電子通量（藍(lán)色）隨時(shí)間變化的對(duì)比圖，延遲時(shí)間為0.9h。其余3種材料的延遲時(shí)間分別為聚乙烯0.3h、聚酰亞胺0.3h、環(huán)氧樹脂0.6h。

圖8　MEO上聚四氟乙烯材料充電電位與電子通量的對(duì)比Fig. 8 Comparison between charged potentialof teflon and the electron flux in MEO

不同電介質(zhì)材料的延遲時(shí)間不同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是材料充電電位達(dá)到最大值的時(shí)間是由電介質(zhì)在輻射環(huán)境下的時(shí)間常數(shù)τ決定的：時(shí)間常數(shù)越大，電位達(dá)到最值的時(shí)間越久［14］，相對(duì)于通量最值的延遲時(shí)間就越久。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了MEO的高能電子輻射環(huán)境及典型材料的內(nèi)部充電特征。相對(duì)于GEO，衛(wèi)星在MEO遭遇的電子日均積分通量要高1個(gè)數(shù)量級(jí)左右，這使得通常情況下MEO內(nèi)部充電的風(fēng)險(xiǎn)更高。由于MEO衛(wèi)星在每個(gè)周期內(nèi)都要經(jīng)歷2次進(jìn)、出輻射帶的過(guò)程，所以其材料的充電電位隨著軌道周期有很明顯的波動(dòng)。電位波動(dòng)的具體特征是由材料的時(shí)間常數(shù)決定的。對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的材料，其充電電位始終處于較高水平，波動(dòng)相對(duì)較小；對(duì)于時(shí)間常數(shù)較小的材料，波動(dòng)很大，其充電電位只有在衛(wèi)星處于輻射帶內(nèi)的時(shí)候，才會(huì)達(dá)到較高水平。需要指出的是，內(nèi)部充電的風(fēng)險(xiǎn)是由充電至最高水平的那一刻決定的，而不是整個(gè)軌道周期內(nèi)的充電平均水平。此外，MEO內(nèi)部充電電位達(dá)到最大值的時(shí)間相對(duì)于環(huán)境電子通量達(dá)到最大值的時(shí)間要有所延遲，根據(jù)材料的不同，該延遲時(shí)間大約在10min 至1h量級(jí)。

需要說(shuō)明的是，本文結(jié)論基于一般情況下MEO與GEO的高能電子通量及充電電位對(duì)比，實(shí)際情況下GEO可能會(huì)出現(xiàn)高能電子增強(qiáng)事件，產(chǎn)生嚴(yán)重的內(nèi)部充放電現(xiàn)象，須另行特殊分析。此外，文章使用的FLUMIC模型假設(shè)輻射帶外的電子通量為0并且不計(jì)能量小于200keV的電子的通量，這與實(shí)際情況有所差別；但內(nèi)部充電效應(yīng)主要由輻射帶內(nèi)高能電子引起，因此使用FLUMIC模型計(jì)算仍具有意義。

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（編輯：王 洋）

Internal charging environment and typical charging characteristics of MEO

WANG Zifeng1， 2， ZHANG Zhenlong1
（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

This paper prestnts the calculations of the worst-cast high energy electron flux of MEO against the satellite’s orbit position and the daily-averaged electron spectra by using the general DICTAT model. For the selected four kinds of typical dielectric materials， we analyzes their charging characteristics in the environment of MEO. The results are compared with those in GEO. It can be concluded that usually， the internal charge risk in MEO is about three times higher than that in GEO， and the charged potential shows obvious fluctuations in the whole orbital period， with 0.3-0.9h of delay of the high of the charged potential in contrast to the high of the electron flux. The overall profiles are determined by the time constants of the dielectric materials.

MEO satellites； GEO satellites； dielectric materials； internal charging； charged voltage

V442

A

1673-1379（2016）04-0382-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.008

2015-12-14；

2016-05-16

國(guó)家國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研計(jì)劃（編號(hào)B1320133032）

王子鳳（1991—），女，碩士研究生，專業(yè)為地球與空間探測(cè)；E-mail:wangzifeng14@mails.ucas.ac.cn。通信作者：張振龍（1976—），男，研究員，研究方向?yàn)楹教炱骺臻g環(huán)境效應(yīng)；E-mail:zzl@nssc.ac.cn。