一种航天器尾区带电效应仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种航天器尾区带电效应仿真方法，构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示，并拟合极区沉降电子能谱；建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；基于上述三类谱采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟。具有模拟过程清晰，模拟结果和实际监测带电情况较符合等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器尾区带电效应仿真方法
本专利技术属于空间计算领域，适用于极轨(PolarEarthOrbit)航天器尾区中表面电介质材料的充电过程模拟，具体涉及一种极区内在背景等离子体和极光电子作用下的航天器尾区带电效应仿真方法。
技术介绍
倾角大于或等于55度的低地球轨道(俗称极轨)航天器会频繁穿越极光弧。航天器会遭遇与地球静止轨道相似的高能电子环境。极轨等离子环境主要是增加了由于经过极区从而可能遭遇极光粒子事件，极光粒子事件是指地磁扰动或太阳爆发期间发生的高能带电粒子(电子和质子)沿地磁力线下降到极区引起的极光沉降粒子的增强效应。地球两极处的磁力线由于太阳风的影响，一部分被拉开。这些开力线不再接地磁两极而是有一端通向星际空间，从而在极区形成了一漏斗形状区域，开磁力线延伸到地面极区的部分称之为极盖区。当卫星运行在低温度、高密度的极区等离子体环境中时，在其尾部形成明显的“航迹”，这是一个不相等的电子和离子耗尽区。由于卫星轨道速率大于离子热速率而小于电子热速率，因此电子可较容易地进入这个区域从而形成一负电位势垒，这就是所谓的“尾迹效应”。它对卫星的明显作用是在尾区介质表面将充电至较高的负电位，此表面电位主要依赖于收集的电子通量和离子通量之比。卫星因尾迹效应而形成的表面不等量带电是影响中低轨道特别是极轨卫星安全运行的重要原因之一。当卫星尾部介质表面带电达到或超过航天器材料击穿阈值后，便会产生静电放电。目前国际上已有一些在使用的极轨航天器尾区带电效应仿真方法，例如美国NASA的极区大型航天器尾区带电效应仿真方法和ESA的极区航天器尾区等离子体相互作用模拟方法，这些模拟方法原理相似，只是在使用和功能上有些差别，但这些模拟方法的核心代码未公开而且模拟精度无法评估。国内在这方面的研究较少，而且在模拟极区极光电子沉降谱时，未采用较符合实际的极区电子分布谱。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种航天器尾区带电效应仿真方法，本专利技术中结合极区沉降电子能谱、离子分布特性谱和材料二次电子发射谱，利用PIC(Particle-In-Cell)方法有效的仿真极区航天器尾区带电效应过程，具有模拟过程清晰，模拟结果和实际监测带电情况较符合等优点。该航天器尾区带电效应仿真方法，包括如下步骤：步骤一、构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示；利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电子能谱表达式；步骤二、建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；步骤三、进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；步骤四、采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟：利用步骤一中拟合的极区沉降电子能谱，在整个模拟区域所划分的计算网格中分配各能量段的电子个数，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤三中获得的每种材料的二次电子发射能谱，分配航天器表面材料附近空间的计算网格中的二次电子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；分配完成后，运行单元粒子法PIC获得模拟结果。优选地，步骤三对ITO覆膜、Kapton、太阳能电池板玻璃片和碳纤维结构材料进行测试。优选地，所述步骤二具体为：步骤1、建立航天器等效模型为表面带负电、半径为a的导体球；a为航天器最大横向半宽；步骤2、建立离子在势场中轨道运动的能量守恒方程，并对离子质量m和离子电荷q进行无量纲转换，得到无量纲能量守恒方程；步骤3、建立离子速度空间分布函数f0()为麦克斯韦速度分布并对速度量进行无量纲转换，则其中，为单个离子无穷远处的速度矢量，为离子整体运动速度矢量，即航天器速度矢量的反方向；步骤4、建立离子撞击点处的局部直角坐标系；局部直角坐标系OXYZ建立在导体球的球面上，原点位于球面的撞击点，Z轴垂直于球面，X在Z平面内且与Z轴垂直，为离子撞击航天器的速度矢量，Y轴满足右手法则；在局部直角坐标系中定义如下角度：ψ为航天器速度矢量与在势场中离子撞击航天器的速度矢量之间的夹角，ξ为航天器速度矢量和撞击面法向Z之间的夹角，θ∞为无穷远处离子的速度与撞击面法向Z之间的夹角，为离子撞击航天器的速度矢量在XY平面上的投影与X轴之间的夹角，即离子运动轨道平面与X轴之间的夹角；则，上述角度之间的角度关系为：步骤5、建立球坐标系下的离子充电电流密度表达式：将局部直角坐标系下的离子充电电流密度表达式转换到球坐标系中，并代入所述无量纲能量守恒方程、所述离子速度空间分布函数和所述角度关系，得到球坐标系下离子充电电流密度表达式：α和为球坐标系中的极角，对极角积分得到：其中，x＝-v0V0sinξsinθ∞(10)其中，v0为的大小，V0为的大小；步骤6、求解贝塞尔函数从而消去充电电流密度表达式(6)中的未知量；为步骤7、根据航天器等效模型，建立势场中离子的运动轨道方程，并利用边界条件获得角度θ0、θ∞和α的关系为：将(12)式代入(13)式得到θ∞与α的关系式I；步骤8、将θ∞与α的关系式I代入式(7)，从而消去θ∞，得到j与ξ、α的关系式II；接着利用关系式II对α进行积分，得到j与ξ的关系式III；步骤9、对j与ξ的关系式III中的无量纲化速度进行有量纲化转换，得到即航天器离子分布特性；则步骤四中，所述利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子密度具体为：根据航天器离子分布特性，分配航天器周围空间网格各个角度上的离子充电电流密度。有益效果：(1)本专利技术中极区沉降电子谱可通过三种分布的叠加来表示，实现极光电子谱的拟合，拟合结果符合美国DMSP卫星实测谱。(2)本专利技术实施例背景等离子体环境中离子分布特性谱计算中，把航天器表面材料等效成同种材料的并处于一定负电位的球面，利用轨道限制理论计算出的离子电流体现出随撞击点角度、离子整体速度和球表面电势的变化，结果符合实际充电过程。附图说明图1为极光电子沉降谱拟合结果。其中，点线-功率定律分布谱，点虚线-麦克斯韦分布谱，虚线-高斯分布谱，实线-极光电子拟合谱。图2为航天器尾区带电效应仿真结果。图3(a)和图3(b)为局部坐标系示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种尾区带电效应仿真分析方法，结合极区沉降电子能谱、离子分布特性谱和材料二次电子发射谱，利用PIC方法能够有效的仿真分析极区航天器尾区带电效应过程。该方案具体包括下列步骤：步骤一、通过三种分布的叠加来表示极区沉降电子能谱。构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示。其中，功率定律分布函数为Φp＝ApE-α1，式中Ap为系数，α1为指数，E为能量。麦克斯韦分布函数为式中e为单位电子电荷，me为电子的质量，n为电子密度，θ1为能量参数，E为能量。高斯分布为式中AG为系数，E0和Δ为能量参数，E为能量。利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电子能谱表达式。本专利技术实施例中功率定律分布与二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器尾区带电效应仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示；利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电子能谱表达式；步骤二、建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；步骤三、进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；步骤四、采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟：利用步骤一中拟合的极区沉降电子能谱，在整个模拟区域所划分的计算网格中分配各能量段的电子个数，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤三中获得的每种材料的二次电子发射能谱，分配航天器表面材料附近空间的计算网格中的二次电子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；分配完成后，运行单元粒子法PIC获得模拟结果。

【技术特征摘要】
1.一种航天器尾区带电效应仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、构建极区沉降电子能谱的拟合表达式，即极光电子通量Φ随能量E变化的关系，该关系通过功率定律分布Φp(E)、麦克斯韦分布Φm(E)和高斯分布ΦG(E)的叠加来表示；利用现有的极区电子谱观测数据获得拟合表达式中的未知参数，得到极区沉降电子能谱表达式；步骤二、建立背景等离子体环境中离子分布特性谱；步骤三、进行航天器不同表面材料的二次电子发射谱测试；步骤四、采用单元粒子法PIC进行航天器尾区带电效应的过程模拟：利用步骤一中拟合的极区沉降电子能谱，在整个模拟区域所划分的计算网格中分配各能量段的电子个数，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤二中建立的离子分布特性谱，在航天器周围空间的计算网格中分配离子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；利用步骤三中获得的每种材料的二次电子发射能谱，分配航天器表面材料附近空间的计算网格中的二次电子密度，然后等效成一定数目的宏粒子；分配完成后，运行单元粒子法PIC获得模拟结果；所述步骤二具体为：步骤1、建立航天器等效模型为表面带负电、半径为a的导体球；a为航天器最大横向半宽；步骤2、建立离子在势场中轨道运动的能量守恒方程，并对离子质量m和离子电荷q进行无量纲转换，得到无量纲能量守恒方程；步骤3、建立离子速度空间分布函数为麦克斯韦速度分布并对速度量进行无量纲转换，则其中，为单个离子无穷远处的速度矢量，为离子整体运动速度矢量，即航天器速度矢量的反方向；步骤4、建立离子撞击点处的局部直角坐标系；局部直角坐标系OXYZ建立在导体球的球面上，原点位于球面的撞击点，Z轴垂直于球面，X在Z平面内且与Z轴垂直，为离子撞击航天器的速度矢量，Y轴满足右手法则；在局部直角坐标系中定义如下角度：ψ为航天器速度矢量与在势场中离子撞击航天器的速度矢量之间的夹角，ξ为航天器速度矢量和撞击面法向Z之间的夹角，θ∞为无穷远处离子的速度与撞击面法向Z之间的夹角，为离子撞击航天器的速度矢量在XY平面上的投影与X轴之间的夹角，即离子运动轨道平面与X轴之间的夹角；则，上述角度之间的角度关系为：步骤5、建立球坐标系下的离子充电电流密度表达式：将局部直角坐标系下的离子充电电流密度表达式转换到球坐标系中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵呈选，李得天，杨生胜，秦晓刚，陈益峰，王俊，汤道坦，史亮，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62