大橢圓軌道航天器介質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

（上海衛星裝備研究所，上海 200240）

為研究大橢圓軌道（HEO）航天器介質深層充電規律特征，基于FLUMIC模型建立輻射帶電子環境模式，初步分析了誘發HEO深層充電的高能電子環境，計算了介質材料在HEO環境下的充電特征，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，這將導致衛星在軌運行時，其上介質平均充電電位上升，增加內帶電的風險。HEO介質平均充電電位為GEO的1.3倍，瞬時電位以12h周期波動，電位最大值較環境電子通量最大值有數十min延時。增加屏蔽層厚度和減小介質厚度均能有效減緩HEO衛星介質電位波動，并降低內帶電的風險。

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上運行的航天器數量眾多，國內外對GEO環境及其內部充電情況的研究較為深入；而大橢圓軌道（HEO）作為通信、導航衛星的一種運行軌道，與其有關的內部充電研究的文獻報道卻較少。目前，關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、可仿真環境電子譜等優勢而被廣泛采用，已經形成了NASA最惡劣電子模型[8]等工程應用模型和DICTAT等深層充放電計算軟件[9-11]，但未見關于HEO深層充放電仿真的文獻。本文基于FLUMIC模型[12]建立了高能電子環境模型，計算了誘發HEO航天器深層充電的高能電子環境，并分析介質深層充電規律以及材料參數對內部充電的影響。

1 高能電子環境模式建立

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）。

據此，參照文獻[13]，綜合考慮軌道電子環境隨太陽活動及季節影響的規律等，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，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；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，可以建立內輻射帶高能電子環境模式。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要素計算地理坐標的轉換程序以及BILCAL程序[14]，即可實現任意軌道電子能譜的計算，關聯后的自建程序計算流程如圖1所示。

2 環境模式驗證

為了驗證上述高能電子環境模式的準確性，本節利用該環境模式針對GEO的情況進行了計算，取磁場模型為IGRF模型，值為6.6，將計算結果與NASA-HDBK-4002A《減緩空間帶電效應指南》建議的GEO最惡劣電子譜進行了比較，結果見圖2。二者計算的高能電子通量在能量低于0.6MeV的區間內處于同一量級，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，對分析結果影響不大，故本模型適合用于介質深層帶電風險評估。

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

3 典型HEO電子環境仿真分析

基于已建立的模型，首先給出一種典型HEO輸入參數，見表1。該軌道上衛星運行周期為12h，近地點高度1072.9km，遠地點高度39392km，遠地點位于東經90°和西經90°，覆蓋北美和亞洲大部分地區。

表1 典型HEO輸入參數

圖3為該算例中的HEO衛星運行過程中電子通量譜隨時間的變化關系。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系，以及GEO（=6.6處）的電子通量數據（不考慮日變化）。可以看出，HEO衛星在1個軌道運行周期（12h）內2次穿越輻射帶區域：當運行在外輻射帶中心區域時，所處環境的高能電子通量最大值可達3.23×107cm-2·s-1·sr-1；而當運行在輻射帶區域之外時，高能電子通量近似降為0。圖4顯示，HEO衛星運行時電子通量會有明顯的波動，而GEO電子通量較為穩定，、峰為衛星穿越外輻射帶中心區域，、峰為衛星運行在低軌極區區域，運行環境比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果及分析

4.1 典型參數下的深層充電計算

基于HEO電子積分通量譜隨衛星運行時間的變化關系，利用輻射誘導電導率（RIC）模型針對HEO和GEO衛星典型介質材料內部充電環境進行仿真。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入射電子譜輸入，電介質材料為聚四氟乙烯（Teflon），厚度設置為2mm，鋁屏蔽厚度為1mm（折合衛星蒙皮厚度），接地方式為背面接地。Teflon材料特征參數見表2[15]，其中p和是與材料有關的系數。

表2 Teflon電介質材料特征參數

根據上述參數建立Geant4模型，輸入電子譜采用實時譜，采樣時間間隔為50s，將HEO衛星的介質材料分為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材料內部10μm處劑量率隨運行時間變化關系（圖6），最終得到GEO與HEO上Teflon材料充電電位隨時間變化關系（圖7）。由圖可知，HEO衛星介質材料內部充電電位呈現明顯的波動性，大致有12h的周期，與衛星軌道周期相同。充電電位在入軌48～72h后進入循環，表明HEO衛星入軌后介質材料內部的電荷積累過程需要4～6個軌道周期時間，隨后材料內部沉積電荷與泄漏電流達到動態平衡；而GEO充電電位在初始上升期過后一直保持穩定。

圖8給出了2個軌道周期內HEO衛星介質材料充電電位與環境電子通量（＞0.6MeV）的關系，可以看出，介質表面峰值電位為-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，內部電場最大值為4.25×106V/m，接近介質擊穿電場，表明HEO衛星內部介質材料在1mm鋁等效屏蔽下仍然存在內部放電的風險。

由于衛星軌道周期為12h，所以環境電子通量在前后12h內基本相同，選取前12h周期內、兩處電子通量峰值區域，此時衛星均運行至外輻射帶中央區域（=4.5附近），而介質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部電場大小相關。

4.2 電子環境波動對深層充電的影響

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

設狀態1為HEO瞬時電子環境，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2為對HEO累積電子通量取平均后的定常環境。將二者作為輸入譜（圖9）進行計算，得到如圖10所示的結果。可以看出，在累積電子通量相同的情況下，由于HEO環境的波動性，導致星內介質材料電位平均值比定常狀態下高近700V，表明環境的波動會加劇航天器介質深層充放電的風險；在累積通量相同時，HEO航天器比GEO航天器的內帶電風險更大。

4.3 屏蔽厚度對深層充電的影響

航天器介質材料的深層充電不僅與環境電子通量有關，也與介質材料的性質（如介質厚度、密度、電導率）和屏蔽材料及其厚度等密切相關。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。可以看出，等效屏蔽厚度越小，介質充電電位越高，由HEO電子環境波動性造成的電位變化越明顯。由于介質的擊穿場強一般為107V/m，而電場低于106V/m時可以認為不存在內放電風險，故當屏蔽厚度為0.1mm時極有可能發生介質擊穿，而屏蔽厚度大于2mm時發生內放電的風險概率較低。因此HEO航天器應避免外露介質，以降低內放電風險。

4.4 介質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在介質背面，故隨著介質厚度的增加，表面電位也會有一定增加，本節分別計算了0.5、1、2、3mm厚Teflon在HEO環境下的充電電位和最大平衡電場，等效鋁屏蔽厚度取1mm，結果見圖13和圖14。

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

5 結束語

本文基于FLUMIC模型建立輻射帶電子環境模式，利用該模式分析了HEO高能電子輻射環境并與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，表現為大致12h的周期。在電子積分通量平均值相同的情況下，環境的劇烈波動會使介質材料內部充電電位比定常環境下的高，從而增加內帶電的風險。在航天器穿越外輻射帶中心區域（=4.5）時，介質充電電位達到最大值的時刻相對于環境電子通量最大值有一定的延時；在材料參數相同時，延時時間的長短與材料電位和內部電場大小相關。仿真結果表明，增加屏蔽層厚度和減小介質厚度均能有效降低HEO航天器的內帶電風險。

綜上，HEO航天器穿越外輻射帶過程中，其上介質材料可能會充至高負電位并存在較大的放電風險，需要適當防護。

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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，研究方向為空間環境效應；E-mail: 460624405@qq.com。指導教師：張麗新（1967—），女，博士學位，研究員，主要從事航天器環境工程及空間環境效應相關技術研究；E-mail: 1071268395@qq.com。

2017-08-31；

2017-11-28

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