大橢圓軌道航天器介質(zhì)材料深層充電仿真分析

蘇京，張麗新，劉剛，周博，潘陽陽，曹康麗

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大橢圓軌道航天器介質(zhì)材料深層充電仿真分析

蘇京，張麗新，劉剛，周博，潘陽陽，曹康麗

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

為研究大橢圓軌道（HEO）航天器介質(zhì)深層充電規(guī)律特征，基于FLUMIC模型建立輻射帶電子環(huán)境模式，初步分析了誘發(fā)HEO深層充電的高能電子環(huán)境，計算了介質(zhì)材料在HEO環(huán)境下的充電特征，并與地球同步軌道（GEO）下的情況進行對比。結(jié)果表明，HEO電子平均積分通量與GEO的相比處于同一量級，但存在明顯波動，這將導(dǎo)致衛(wèi)星在軌運行時，其上介質(zhì)平均充電電位上升，增加內(nèi)帶電的風(fēng)險。HEO介質(zhì)平均充電電位為GEO的1.3倍，瞬時電位以12h周期波動，電位最大值較環(huán)境電子通量最大值有數(shù)十min延時。增加屏蔽層厚度和減小介質(zhì)厚度均能有效減緩HEO衛(wèi)星介質(zhì)電位波動，并降低內(nèi)帶電的風(fēng)險。

航天器；大橢圓軌道；地球同步軌道；高能電子；深層充電；電子通量

0 引言

內(nèi)帶電是造成地球同步軌道（GEO）、中高軌道（MEO）航天器故障的主要原因之一[1-2]。GEO上運行的航天器數(shù)量眾多，國內(nèi)外對GEO環(huán)境及其內(nèi)部充電情況的研究較為深入；而大橢圓軌道（HEO）作為通信、導(dǎo)航衛(wèi)星的一種運行軌道，與其有關(guān)的內(nèi)部充電研究的文獻報道卻較少。目前，關(guān)于深層充放電的研究方法包括在軌試驗、地面模擬和仿真分析3個方面[3-7]。仿真具有成本低、可仿真環(huán)境電子譜等優(yōu)勢而被廣泛采用，已經(jīng)形成了NASA最惡劣電子模型[8]等工程應(yīng)用模型和DICTAT等深層充放電計算軟件[9-11]，但未見關(guān)于HEO深層充放電仿真的文獻。本文基于FLUMIC模型[12]建立了高能電子環(huán)境模型，計算了誘發(fā)HEO航天器深層充電的高能電子環(huán)境，并分析介質(zhì)深層充電規(guī)律以及材料參數(shù)對內(nèi)部充電的影響。

1 高能電子環(huán)境模式建立

目前，空間高能電子較普遍的能譜描述采用指數(shù)形式[13]，即假定

F=0×exp(-/0)。

式中：F為能量大于的電子通量；0為電子折合能量（或稱為譜硬度）。

據(jù)此，參照文獻[13]，綜合考慮軌道電子環(huán)境隨太陽活動及季節(jié)影響的規(guī)律等，可得到外輻射帶能譜計算表達式為

F(＞,,sc,oy)=(＞,)sc·oy，

其中：為磁殼參數(shù)，是磁力線與赤道面的交點到地心的距離；sc為從太陽活動低年開始的太陽周期階段；oy為從1月1日開始占整年的系數(shù)；sc=0.615+0.375sin[2π×(sc?0.7)]+0.125sin[4π×(sc?0.15)]；oy=0.625? 0.375cos[4π×(oy+0.03)]?0.125 cos×[2π×(oy+0.03)]；(＞,)為處能量大于的電子的積分通量，m-2·s-1·sr-1，且有(＞,)=8×108×exp[(2?)/0]×16tanh[0.6(?2.5)]/cosh[1.5(?4.3)]。

同理，可以建立內(nèi)輻射帶高能電子環(huán)境模式。至此有了完整的計算運行軌道高能電子通量能譜的方法，加上由軌道6要素計算地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換程序以及BILCAL程序[14]，即可實現(xiàn)任意軌道電子能譜的計算，關(guān)聯(lián)后的自建程序計算流程如圖1所示。

2 環(huán)境模式驗證

為了驗證上述高能電子環(huán)境模式的準(zhǔn)確性，本節(jié)利用該環(huán)境模式針對GEO的情況進行了計算，取磁場模型為IGRF模型，值為6.6，將計算結(jié)果與NASA-HDBK-4002A《減緩空間帶電效應(yīng)指南》建議的GEO最惡劣電子譜進行了比較，結(jié)果見圖2。二者計算的高能電子通量在能量低于0.6MeV的區(qū)間內(nèi)處于同一量級，在能量高于0.6MeV時幾乎完全吻合。因1mm等效鋁屏蔽能夠有效阻擋＜0.6MeV的電子，而＞3MeV的相對論電子在空間中的實際通量極低，對分析結(jié)果影響不大，故本模型適合用于介質(zhì)深層帶電風(fēng)險評估。

圖2中還給出了NASA建立的AE8模型計算的GEO高能電子通量結(jié)果，可以看出AE8模型較本模型和最惡劣電子模型的結(jié)果低1～2個數(shù)量級，為平均環(huán)境模型，而航天器介質(zhì)深層充放電往往與瞬時高能電子環(huán)境有關(guān)，故本模型可用于動態(tài)電子環(huán)境下介質(zhì)深層帶電風(fēng)險分析。

3 典型HEO電子環(huán)境仿真分析

基于已建立的模型，首先給出一種典型HEO輸入?yún)?shù)，見表1。該軌道上衛(wèi)星運行周期為12h，近地點高度1072.9km，遠(yuǎn)地點高度39392km，遠(yuǎn)地點位于東經(jīng)90°和西經(jīng)90°，覆蓋北美和亞洲大部分地區(qū)。

表1 典型HEO輸入?yún)?shù)

圖3為該算例中的HEO衛(wèi)星運行過程中電子通量譜隨時間的變化關(guān)系。圖4給出了本模型計算得到的HEO中＞0.2MeV的電子積分通量隨時間的變化關(guān)系，以及GEO（=6.6處）的電子通量數(shù)據(jù)（不考慮日變化）?？梢钥闯?，HEO衛(wèi)星在1個軌道運行周期（12h）內(nèi)2次穿越輻射帶區(qū)域：當(dāng)運行在外輻射帶中心區(qū)域時，所處環(huán)境的高能電子通量最大值可達3.23×107cm-2·s-1·sr-1；而當(dāng)運行在輻射帶區(qū)域之外時，高能電子通量近似降為0。圖4顯示，HEO衛(wèi)星運行時電子通量會有明顯的波動，而GEO電子通量較為穩(wěn)定，、峰為衛(wèi)星穿越外輻射帶中心區(qū)域，、峰為衛(wèi)星運行在低軌極區(qū)區(qū)域，運行環(huán)境比GEO更惡劣的時間占整個周期的22%左右。將隨時間變化的電子通量先積分并平均可得圖5所示的平均電子通量能譜，顯然，二者處于同一量級。

4 HEO航天器深層充電仿真結(jié)果及分析

4.1 典型參數(shù)下的深層充電計算

基于HEO電子積分通量譜隨衛(wèi)星運行時間的變化關(guān)系，利用輻射誘導(dǎo)電導(dǎo)率（RIC）模型針對HEO和GEO衛(wèi)星典型介質(zhì)材料內(nèi)部充電環(huán)境進行仿真。仿真過程中，取HEO中＞0.2MeV電子平均通量為2.69×106cm-2·s-1·sr-1，GEO為2.50×106cm-2·s-1·sr-1，采用隨機抽樣方法實現(xiàn)入射電子譜輸入，電介質(zhì)材料為聚四氟乙烯（Teflon），厚度設(shè)置為2mm，鋁屏蔽厚度為1mm（折合衛(wèi)星蒙皮厚度），接地方式為背面接地。Teflon材料特征參數(shù)見表2[15]，其中p和是與材料有關(guān)的系數(shù)。

表2 Teflon電介質(zhì)材料特征參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)建立Geant4模型，輸入電子譜采用實時譜，采樣時間間隔為50s，將HEO衛(wèi)星的介質(zhì)材料分為200層進行蒙特卡羅計算，仿真獲得各層的沉積能量和注入電荷密度，并利用公式計算介質(zhì)材料內(nèi)部10μm處劑量率隨運行時間變化關(guān)系（圖6），最終得到GEO與HEO上Teflon材料充電電位隨時間變化關(guān)系（圖7）。由圖可知，HEO衛(wèi)星介質(zhì)材料內(nèi)部充電電位呈現(xiàn)明顯的波動性，大致有12h的周期，與衛(wèi)星軌道周期相同。充電電位在入軌48～72h后進入循環(huán)，表明HEO衛(wèi)星入軌后介質(zhì)材料內(nèi)部的電荷積累過程需要4～6個軌道周期時間，隨后材料內(nèi)部沉積電荷與泄漏電流達到動態(tài)平衡；而GEO充電電位在初始上升期過后一直保持穩(wěn)定。

圖8給出了2個軌道周期內(nèi)HEO衛(wèi)星介質(zhì)材料充電電位與環(huán)境電子通量（＞0.6MeV）的關(guān)系，可以看出，介質(zhì)表面峰值電位為-4060V，谷值電位為-3420V，變化幅度為640V，平均充電電位為-3745V，是GEO的約1.3倍，內(nèi)部電場最大值為4.25×106V/m，接近介質(zhì)擊穿電場，表明HEO衛(wèi)星內(nèi)部介質(zhì)材料在1mm鋁等效屏蔽下仍然存在內(nèi)部放電的風(fēng)險。

由于衛(wèi)星軌道周期為12h，所以環(huán)境電子通量在前后12h內(nèi)基本相同，選取前12h周期內(nèi)、兩處電子通量峰值區(qū)域，此時衛(wèi)星均運行至外輻射帶中央?yún)^(qū)域（=4.5附近），而介質(zhì)材料充電電位峰值較、兩處時刻有一定延后，分別為0.35和0.88h，表明充電電位達到最大值的時間相對于環(huán)境電子通量最大值有一定的延時性，在材料相同時，延時的長短與材料電位和內(nèi)部電場大小相關(guān)。

4.2 電子環(huán)境波動對深層充電的影響

為研究環(huán)境電子通量的波動對航天器深層充電的影響，本節(jié)計算相同累積通量下，定常環(huán)境介質(zhì)深層充電情況。

設(shè)狀態(tài)1為HEO瞬時電子環(huán)境，能量＞0.2MeV的電子平均通量為2.69×106cm-2·s-1·sr-1，1個軌道周期（12h）累積通量為1.1621×1011e/cm-2。狀態(tài)2為對HEO累積電子通量取平均后的定常環(huán)境。將二者作為輸入譜（圖9）進行計算，得到如圖10所示的結(jié)果。可以看出，在累積電子通量相同的情況下，由于HEO環(huán)境的波動性，導(dǎo)致星內(nèi)介質(zhì)材料電位平均值比定常狀態(tài)下高近700V，表明環(huán)境的波動會加劇航天器介質(zhì)深層充放電的風(fēng)險；在累積通量相同時，HEO航天器比GEO航天器的內(nèi)帶電風(fēng)險更大。

4.3 屏蔽厚度對深層充電的影響

航天器介質(zhì)材料的深層充電不僅與環(huán)境電子通量有關(guān)，也與介質(zhì)材料的性質(zhì)（如介質(zhì)厚度、密度、電導(dǎo)率）和屏蔽材料及其厚度等密切相關(guān)。圖11和圖12為HEO航天器上2mm厚度Teflon材料在不同厚度等效鋁屏蔽下的充電電位和最大平衡電場變化?？梢钥闯?，等效屏蔽厚度越小，介質(zhì)充電電位越高，由HEO電子環(huán)境波動性造成的電位變化越明顯。由于介質(zhì)的擊穿場強一般為107V/m，而電場低于106V/m時可以認(rèn)為不存在內(nèi)放電風(fēng)險，故當(dāng)屏蔽厚度為0.1mm時極有可能發(fā)生介質(zhì)擊穿，而屏蔽厚度大于2mm時發(fā)生內(nèi)放電的風(fēng)險概率較低。因此HEO航天器應(yīng)避免外露介質(zhì)，以降低內(nèi)放電風(fēng)險。

4.4 介質(zhì)厚度對深層充電的影響

由于背面接地情況下最大電場出現(xiàn)在介質(zhì)背面，故隨著介質(zhì)厚度的增加，表面電位也會有一定增加，本節(jié)分別計算了0.5、1、2、3mm厚Teflon在HEO環(huán)境下的充電電位和最大平衡電場，等效鋁屏蔽厚度取1mm，結(jié)果見圖13和圖14。

可以看出，隨著介質(zhì)厚度的增加，介質(zhì)表面電位和內(nèi)部最大平衡電場均有上升，即厚度越大，內(nèi)部平衡電場越大；當(dāng)厚度小于0.5mm時，平衡電場小于106V/m。因此HEO航天器應(yīng)避免使用較厚介質(zhì)。

5 結(jié)束語

本文基于FLUMIC模型建立輻射帶電子環(huán)境模式，利用該模式分析了HEO高能電子輻射環(huán)境并與GEO情況進行了比對。HEO的電子平均積分通量與GEO相比處于同一量級，但由于HEO航天器在每個軌道周期內(nèi)會2次進出輻射帶，電子通量存在明顯波動，這種波動性反映在材料的充電電位變化上，表現(xiàn)為大致12h的周期。在電子積分通量平均值相同的情況下，環(huán)境的劇烈波動會使介質(zhì)材料內(nèi)部充電電位比定常環(huán)境下的高，從而增加內(nèi)帶電的風(fēng)險。在航天器穿越外輻射帶中心區(qū)域（=4.5）時，介質(zhì)充電電位達到最大值的時刻相對于環(huán)境電子通量最大值有一定的延時；在材料參數(shù)相同時，延時時間的長短與材料電位和內(nèi)部電場大小相關(guān)。仿真結(jié)果表明，增加屏蔽層厚度和減小介質(zhì)厚度均能有效降低HEO航天器的內(nèi)帶電風(fēng)險。

綜上，HEO航天器穿越外輻射帶過程中，其上介質(zhì)材料可能會充至高負(fù)電位并存在較大的放電風(fēng)險，需要適當(dāng)防護。

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（編輯：張艷艷）

Simulation of deep dielectric charging for highly elliptic orbit spacecrafts

SU Jing, ZHANG Lixin, LIU Gang, ZHOU Bo, PAN Yangyang, CAO Kangli

(Shanghai Institute of Satellite Equipment, Shanghai 200240, China)

To determine the charging characteristics of the HEO satellite, a model is constructed based on the FLUMIC model of the ESA in the manner of electrons in the radiation belt, as in the HEO electron environment evaluation. The main characteristics of the deep dielectric charging on the HEO satellites are studied. The results are compared with those in the GEO. It can be concluded that the daily-averaged electron flux of the HEO and the GEO are in the same level, while the instantaneous flux sees significant fluctuations, which might increase the charged potential and the risk of the internal charging. It is shown that the average charged potential in the HEO is about 1.3 times higher than that in the GEO, while the instantaneous potential has a 12-hour period. The results demonstrate that the peaks of the charged potential have tens of minutes delay in contrast to the peaks of the electron flux. It is recommended that a thicker shield layer and a thinner dielectric layer can mitigate the fluctuations of the charged potential and reduce the risk of the internal charging during HEO missions.

spacecrafts; HEO; GEO; energetic electrons; deep dielectric charging; electron flux

V250.3; V524.3

A

1673-1379(2017)06-0618-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.008

蘇京（1993—），男，碩士研究生，研究方向為空間環(huán)境效應(yīng)；E-mail: 460624405@qq.com。指導(dǎo)教師：張麗新（1967—），女，博士學(xué)位，研究員，主要從事航天器環(huán)境工程及空間環(huán)境效應(yīng)相關(guān)技術(shù)研究；E-mail: 1071268395@qq.com。

2017-08-31；

2017-11-28

國家重點研發(fā)計劃資助項目“面向航天的納米復(fù)合材料制備及實用化”（編號：2017YFA0204600）；國家自然科學(xué)基金項目“面向空間抗輻照熱控涂層的電致變色聚合物材料”（編號：51603123）