一种基于有限差分的卫星深层充电评估的电场计算方法技术

本发明专利技术属于航天器空间环境防护设计和在轨管理应用中的空间辐射环境效应评估领域，具体涉及一种卫星深层介质充电后的电场强度计算方法，适合于自旋稳定平台、三轴稳定平台为代表的各类静止轨道卫星内平板结构、同轴线套等介质充电评估。本发明专利技术在已有的电流平衡理论的深层充电评估方法基础上，提出采用有限差分方法进行卫星深层充电后的介质内部电场强度的评估，克服了过去常用基于解析方法的输入格式受限的问题，从而具有更好的科学性和更高的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限差分的卫星深层充电评估的电场计算方法
本专利技术涉及卫星在轨空间辐射环境效应管理领域，尤其涉及一种用于评估地球轨道卫星深层充电的介质电场强度的方法。
技术介绍
空间辐射环境的高能电子、高能质子及重离子等要素都会对卫星造成辐射效应危害。空间高能电子除了对卫星造成辐射剂量效应之外，还会穿透卫星蒙皮而沉积在卫星内部绝缘材料或非接地导体中而发生充电现象，以及沉积在星外导线皮套内的电荷，即发生卫星深层充电。卫星深层充电会像地面静电带电一样，当超过一定的容忍值时，就会产生放电，就如地面静电放电一般，放电期间会在短时间内释放出大量电荷、电磁波，这类静电放电会直接或间接耦合进电子系统中造成危害。受到深层充电影响的卫星可能会出现跳变等异常现象，甚至严重情况下会发生整星的失效。由于卫星深层充电会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展卫星深层充电评估是一种降低卫星充放电危害的重要手段，其中对于介质内部电场强度的计算是重点。目前卫星深层充电的介质内电场强度计算包括采用电流平衡解析法和数值计算两类方法，其中解释法采用的是原理性的欧姆定律结合泊松方程，而数值计算方法采用的是利用有限差分或者有限元等方法进行泊松方程的求解。如果采用解析法进行卫星深层充电危险的计算评估，会造成对深层充电对卫星的危害的评估耗费时间过长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决现在卫星深层充电危险评估采用解析法计算而存在着评估耗时过长的问题，本专利技术提供一种基于有限差分的用于评估卫星深层充电后危害的介质内电场强度的计算方法。为实现上述目的，本专利技术提出了一种用于评估卫星深层充电风险的方法，该方法利用高能电子探测器实测的数据作为持续动态输入，采用线性沉淀的电荷沉积方法并结合欧姆定律、麦克斯韦方程计算介质内部的电场、电位，用于解决以往采用静态数据输入带来的充电风险评估过量或不足的问题；采用连续高能电子数据作为动态输入，而非采用某个峰值数据的单点数据作为静态输入，增加评估时刻之前的电荷积累影响；采用线性沉淀的电荷沉积方计算不同能量电子在介质内的通量-深度和剂量率-深度数据对应关系，而非采用蒙特卡罗计算方法，降低评估所需要的计算时间，从而更加有利于应用在工程型号的相关评估工作；采用欧姆定律和麦克斯韦方程，进行介质内部电荷密度、电场、电位分布的计算，并比较介质内部不同位置处电场从而得出内部空间最大电场，进而将内部最大电场与介质击穿电场强度值进行比较，从而判定卫星在运行过程中是否存在静电放电。实现本专利技术的评估卫星深层充电电场的计算方法包括如下步骤：步骤1：将卫星内部或者外部需要评估的介质结构抽样成平板结构或同轴型结构，均包含有遮挡、介质及被层或芯柱，并给出介质厚度值；步骤2：将介质内部空间进行剖分，平板型介质结构的内部剖分为等高线，同轴型结构的内部剖分为同心圆，采用等距离剖分。步骤3：以预定格式的读入介质的初始条件和边界条件，包括最初介质内的电场分布和边界电位值；步骤4：以预定格式的读入空间高能电子的数据，可以是卫星实测粒子数据或辐射带粒子模型数据，诸如风云二号卫星实测数据或AE8辐射粒子模型数据。步骤5：利用线性沉淀法公式，这对步骤4所读入的数据，计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；步骤6：依据步骤2的介质分层参数和步骤3给出电场和电位的初始值和边界值，并根据步骤5中所计算出来的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：E(i+1/2)＝(φ(i+1)-φ(i))/(x(i+1)-x(i))(4)其中,ρ(i,t)为i深度处t时刻的总电荷密度；为i深度处t时刻电子束流在介质中由通量-深度对应关系得出的电荷注入率；φ(i+1)、φ(i)及φ(i-1)为x(i+1)、x(i)及x(i-1)深度处的介质内部深度值；E(i+1/2)为介质内部的x(i+1/2)位置处的电场强度,x(i+1/2)为x(i+1)和x(i)之间的位置；τ(i,t)和σ(it)分别为t时刻的x(i)深度处介质的时间常数和介质电导率，dt为计算时间步长,σ0为介质本征电导率，σD为辐射诱发电导率，k和Δ为辐射诱发电导率的系数和指数，为剂量率-深度对应关系；步骤7：根据步骤6中的计算结果，整理所有时刻的介质内电场分布，以获得每个时刻电场强度最大值Et,max。步骤8：采用步骤7中得到的每个时刻介质内电场强度最大值Et,max，分析在整个待评估的时间段内所有时刻的介质内电场强度最大值，将其与介质所能承受的放电电场强度最大阈值进行比较，如果大于该阈值，则放电风险较大，否则放电风险小。较好地，本专利技术的方法还包括步骤7：采用Python或Matlab软件将计算结果可视化。本专利技术的评估方法适合于绝缘介质的充电评估，例如FR4、F46、聚酰亚胺、聚四氟乙烯等，也适合于非接地导体的充电评估。本专利技术的评估方法适合于地球空间运行各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定卫星。作为上述技术方案的一个实施例，所述高能电子输入的能段低端小于等于500keV、高端大于等于500keV而小于10MeV。作为上述技术方案的一个实施例，其中所述高能电子输入数据的获取时段大于等于待评估的卫星深层充电介质的放电时间常数τt。本专利技术的优点在于：利用本专利技术的卫星深层充电危险评估方法可以卫星深层充电的仿真来计算和分析，避免了采用蒙特卡罗方法耗费时间的问题，从而便于在卫星工程设计、故障诊断、在轨管理等工程阶段应用。附图说明图1(a)和(b)显示的是利用本专利技术的评估方法所抽样出来的辐照电子及介质结构模型。图2为利用本专利技术的数值计算方法得出的介质中的电场强度在某段时间内的曲线。附图标记：1、空间辐射电子2、平板型结构遮挡3、平板型结构介质4、平板型结构接地层5、同轴型内芯6、同轴型结构介质7、同轴型结构遮挡具体实施方式下面结合附图和优选实施例对本专利技术的用于评估卫星深层充电风险的方法进行详细说明。首先，步骤1：将卫星内部需要评估的遮挡和部件抽样成平板结构或同轴型结构，并求得介质的厚度值。图1(a)和(b)为利用本专利技术的评估方法所抽样出来的介质结构模型，例如印刷电路板等可以抽样为图1(a)所示的平板模型,而诸如卫星系统中常见的各类线缆可以抽样为图1(b)所示的同轴模型；图1(b)中在介质3的上面金属层是遮挡2，下面金属层是接地层4,图1(a)中介质6包围在内芯5上。作为示范例，本实施例中，卫星内部中某印刷电路板介质被抽样成如图1(a)所示的平板型结构，用于说明的目的，这里以1.3mm的遮挡、1mm厚度的环氧树脂板材作为样本。步骤2：将介质内部空间进行剖分，平板型介质结构的内部剖分为等高线，同轴型结构的内部剖分为同心圆，剖分后的层间间距差别小于50％。本实施例中，平板型结构的介质采用平面划分，用于说明的目的，这里的环氧树脂板材作为样本等间距划分。步骤3：以预定格式的读入介质的初始条件和边界条件，包括最初介质内的电场分布和边界电位值；本实施例中，用于说明的目的，介质的最初介质内电场不充电，也即最初内部电场强度为0，介质遮挡层不接地而下金属层接地，也即下金属层的电位为0。步骤4：选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限差分的用于评估卫星深层充电后危害的介质内电场强度的计算方法，其特征在于，包括：步骤1：将卫星内部或者外部需要评估的介质结构抽样成平板结构或同轴型结构，均包含有遮挡、介质及被层或芯柱，并给出介质厚度值；步骤2：将介质内部空间进行剖分，平板型介质结构的内部剖分为等高线，同轴型结构的内部剖分为同心圆，不同层数之间的间距差别小于50％。步骤3：以预定格式的读入介质的初始条件和边界条件，包括最初介质内的电场分布和边界电位值；步骤4：以预定格式的读入空间高能电子的数据，可以是卫星实测粒子数据或辐射带粒子模型数据，诸如风云二号卫星实测数据或AE8辐射粒子模型数据。步骤5：利用线性沉淀法公式，这对步骤4所读入的数据，计算每个时刻的不同能段在介质内的通量‑深度和剂量率‑深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；步骤6：依据步骤2的介质分层参数和步骤3给出电场和电位的初始值和边界值，并根据步骤5中所计算出来的每个时刻的通量‑深度对应关系和剂量率‑深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：

【技术特征摘要】
1.一种基于有限差分的用于评估卫星深层充电后危害的介质内电场强度的计算方法，其特征在于，包括：步骤1：将卫星内部或者外部需要评估的介质结构抽样成平板结构或同轴型结构，均包含有遮挡、介质及被层或芯柱，并给出介质厚度值；步骤2：将介质内部空间进行剖分，平板型介质结构的内部剖分为等高线，同轴型结构的内部剖分为同心圆，不同层数之间的间距差别小于50％。步骤3：以预定格式的读入介质的初始条件和边界条件，包括最初介质内的电场分布和边界电位值；步骤4：以预定格式的读入空间高能电子的数据，可以是卫星实测粒子数据或辐射带粒子模型数据，诸如风云二号卫星实测数据或AE8辐射粒子模型数据。步骤5：利用线性沉淀法公式，这对步骤4所读入的数据，计算每个时刻的不同能段在介质内的通量-深度和剂量率-深度的对应关系，并最后求得所有能段的总通量和总剂量率分布关系；步骤6：依据步骤2的介质分层参数和步骤3给出电场和电位的初始值和边界值，并根据步骤5中所计算出来的每个时刻的通量-深度对应关系和剂量率-深度的对应关系，利用以下方程组来获得介质中的电荷密度和电场分布：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨垂柏，王世金，冯宇波，王月，
申请(专利权)人：北京天工科仪空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11