MEO卫星内部充电环境及典型材料充电特征分析

王子凤，张振龙

（1. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049）

MEO卫星内部充电环境及典型材料充电特征分析

王子凤1， 2，张振龙1

（1. 中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049）

文章利用通用模型 DICTAT，计算了恶劣期地球中高轨道（MEO）高能电子通量随卫星运行位置的变化情况以及日均积分能谱，之后选择4种参数具有代表性的电介质材料，分析了其在MEO环境下的充电特征，并将上述结果与地球同步轨道（GEO）情况进行了对比。结果表明，通常而言MEO卫星的内部充电风险更高，平均充电电位是GEO的3倍左右，而且充电电位在整个轨道周期内起伏变化明显，电位达到最高值的时间相对于高能电子通量最大值有0.3～0.9h的延迟，具体的变化特征由电介质材料时间常数决定。

MEO卫星；GEO卫星；电介质材料；内部充电；充电电位

0 引言

卫星内部充电是指空间高能带电粒子穿过卫星表面，在卫星的电介质材料内部沉积并建立电场的过程［1］。当建立的电场超过电介质材料的击穿阈值时，便会产生静电放电，威胁卫星运行安全［2］。

卫星内部充电是造成地球同步轨道（GEO）、中高轨道（MEO）卫星故障的主要原因之一。由于GEO的特殊性，其上运行的卫星数量众多，国内外对GEO环境及其内部充电情况的研究较为深入［3-4］。但MEO作为导航卫星的主要运行轨道，其有关的内部充电文献报道［5-7］却较少。随着我国越来越多的导航卫星被发射到MEO轨道，对该轨道的充电环境及充电特点的研究也更加必要。

本文利用DICTAT软件和其中的FLUMIC模型，初步分析了MEO高能电子环境及典型材料的内部充电情况，并与GEO情况对比，来说明MEO卫星的充电规律和材料参数对内部充电电位的影响。

1 模型及计算条件

1.1计算模型

DICTAT是由 ESA开发的内部充电一维仿真模型，可计算平板或圆柱构型的电介质材料在指定轨道空间环境下的充电电场和电位，并且具有较快的运算速度，目前已被广泛应用于卫星内部充电风险评估中［8-9］。DICTAT内包含一个外辐射带最恶劣电子环境模型FLUMIC，可根据卫星的轨道参数、运行的起始时间及在轨时间给出导致其充电的高能电子环境。得到电子环境后，DICTAT再结合材料的电导率、几何形状、接地方式等参数，计算出电介质材料内部最大电场和充电电位。当得到的最大电场超过材料的击穿阈值时，程序会建议修改卫星的防护层及厚度，直到达到材料的安全阈值。

1.2轨道参数

在本次计算中，设定的轨道参数为：MEO卫星轨道高度为20 200km，倾角为55°，运行周期为12h，用来对比的GEO卫星轨道高度为36000km，经度为120°，运行周期为24h。

1.3电介质材料选择

在材料选择上考虑了两方面的因素：1）所选的电介质材料是卫星常用材料；2）不同材料的暗电导率和辐射诱导电导率［10-11］分别有一定的间距以利对比分析。基于以上两点，选择了聚乙烯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚四氟乙烯4种材料，它们的特征参数如表1所示。表中参数εr、σ0、KP、Δ由Spenvis网站直接获得，由Geant4计算得到。

表1　4种电介质材料的特征参数Table 1 Characteristic parameters of four dielectric materials

表1中：εr为相对介电常数；σ0为电介质材料的暗电导率，大小取决于自身性质；KP是与材料有关的系数；Δ是依赖于材料的无量纲指数；是由环境中电子能量及通量水平决定的辐射剂量率，本次计算所用的电子通量取的是MEO卫星经过外辐射带中心时的数值，得到的辐射剂量率为电介质材料厚度上的平均值；为辐射诱导电导率，受空间环境影响，由计算［12］。

在计算中，将电介质厚度设置为0.2cm，铝屏蔽厚度为0.1cm（考虑模拟卫星蒙皮厚度），接地方式为背面接地。

2 计算结果及分析

2.1MEO的充电环境

根据1.2节的轨道参数，FLUMIC模型给出了MEO与GEO的磁层参数L值及两轨道上随时间变化的电子通量。

图1所示为MEO与GEO的L值随时间的变化曲线。图中阴影部分为外辐射带区域，其L值处于3～8之间。MEO的L值曲线在1个轨道周期内2次进、出外辐射带，处于外辐射带外的时间占轨道周期的2/5左右，且曲线经过外辐射带中心区域。而GEO的L值恒为6.6，卫星始终处于外辐射带靠近外边缘区域。

图1 MEO与GEO随时间变化的L值Fig. 1 The time variation of L value for MEO and GEO

图2为MEO与GEO大于0.2MeV的高能电子的通量随时间的变化关系。对应于图1，卫星运行至外辐射带中心位置时，所遭受的电子通量最大值可达3.05×1011m-2·s-1·sr-1；卫星运行在辐射带外时，电子通量降为0（FLUMIC模型假设辐射带外电子通量为0）。与MEO相比，GEO的电子通量一直处于相对较低水平，且变化幅度较小。

将随时间变化的电子通量积分并平均可得到图3所示的日均积分通量能谱。从图中可知，MEO的积分通量比GEO高1个数量级左右。总体来说，MEO的内部充电风险比GEO更高。

图2　MEO与GEO的电子通量随时间的变化Fig. 2 Electron flux with time in MEO and GEO

图3　MEO与GEO电子日均积分通量能谱Fig. 3 Daily-averaged electron spectra in MEO and GEO

2.2典型材料的充电电位

根据2.1节得到的充电环境及1.3节中的材料参数，计算得到了4种材料的充电电位（以下均指负电位）随时间的变化关系，如图4～图7所示。

图4　聚乙烯材料的充电电位随时间的变化Fig. 4 Charged potential of polythene with time

图5　环氧树脂材料的充电电位随时间的变化Fig. 5 Charged potential of epoxy with time

图6　聚酰亚胺材料的充电电位随时间的变化Fig. 6 Charged potential of kapton with time

图7 聚四氟乙烯材料的充电电位随时间的变化Fig. 7 Charged potential of teflon with time

图4～图7中，一个显著的特征是电介质材料在 MEO的充电电位随时间有很明显的周期性波动，而GEO的充电电位相对稳定。

可以将所选的4种材料在MEO的充电电位变化分为3类：第1类为充电电位随时间变化幅度很大，出辐射带一段时间后电位下降到GEO充电电位值的下方，如聚乙烯材料；第2类为充电电位始终具有很高的值，变化幅度比第一类小很多，如聚四氟乙烯材料；第3类为充电电位变化介于一、二类之间，充电电位最小值稍大于GEO的充电电位值，如聚酰亚胺及环氧树脂材料。

图中还绘出了电介质材料在MEO与GEO的充电电位的平均值，可以看到，MEO的平均充电电位是GEO的3倍左右。

造成上述3类充电电位变化的原因，是电介质材料的时间常数不同。时间常数定义为/τεσ=，表示充电电位降为初值的1/e时所用的时间。式中电导率σ由暗电导率σ0和辐射诱发电导率σr两部分组成。卫星处于辐射带之内时，σr起主导作用；卫星处于辐射带之外时，σr迅速减小，σ的大小主要由σ0决定［13］。为了区分，将只考虑σ0时的时间常数记为τ0，将同时考虑σ0与σr的时间常数记为τ。根据1.3节中的材料参数，计算4种材料的τ0与τ，如表2所示。

表2　4种电介质材料的时间常数Table 2 The time constants of four dielectric materials

对于时间常数远大于轨道周期的材料来说，沉积在其内部的电荷泄漏缓慢，每个轨道周期沉积的电荷不断累加，最终使充电电位维持在一个较高水平，且随轨道周期的变化幅度较小。而对于时间常数远小于轨道周期的材料，沉积在其内的电荷泄漏快，每个轨道周期沉积的电荷得不到累积，每次进、出辐射带，都会导致充电电位的迅速上升或者下降，而且总体上充电维持在较低水平。对比4种材料的时间常数和图4～图7可知，聚乙烯材料的时间常数最小，聚四氟乙烯材料的最大，相应地（见图4、图7），聚乙烯材料的平均充电电位只有-235V，充电电位的峰谷差值为平均值的3倍左右，变化幅度最大；聚四氟乙烯材料的平均充电电位高达-5810V，充电位的峰谷差值为平均值的1/4左右，变化幅度最小。

2.3材料充电相对于环境的延迟

对比MEO上4种材料的充电电位与高能电子的通量数据，可以发现充电电位达到最高值的时间相对于高能电子通量最大值有延迟性。图8所示为聚四氟乙烯材料在MEO的充电电位（红色）与MEO轨道高能电子通量（蓝色）随时间变化的对比图，延迟时间为0.9h。其余3种材料的延迟时间分别为聚乙烯0.3h、聚酰亚胺0.3h、环氧树脂0.6h。

图8　MEO上聚四氟乙烯材料充电电位与电子通量的对比Fig. 8 Comparison between charged potentialof teflon and the electron flux in MEO

不同电介质材料的延迟时间不同。出现这种现象的原因是材料充电电位达到最大值的时间是由电介质在辐射环境下的时间常数τ决定的：时间常数越大，电位达到最值的时间越久［14］，相对于通量最值的延迟时间就越久。

3 结束语

本文分析了MEO的高能电子辐射环境及典型材料的内部充电特征。相对于GEO，卫星在MEO遭遇的电子日均积分通量要高1个数量级左右，这使得通常情况下MEO内部充电的风险更高。由于MEO卫星在每个周期内都要经历2次进、出辐射带的过程，所以其材料的充电电位随着轨道周期有很明显的波动。电位波动的具体特征是由材料的时间常数决定的。对于时间常数较大的材料，其充电电位始终处于较高水平，波动相对较小；对于时间常数较小的材料，波动很大，其充电电位只有在卫星处于辐射带内的时候，才会达到较高水平。需要指出的是，内部充电的风险是由充电至最高水平的那一刻决定的，而不是整个轨道周期内的充电平均水平。此外，MEO内部充电电位达到最大值的时间相对于环境电子通量达到最大值的时间要有所延迟，根据材料的不同，该延迟时间大约在10min 至1h量级。

需要说明的是，本文结论基于一般情况下MEO与GEO的高能电子通量及充电电位对比，实际情况下GEO可能会出现高能电子增强事件，产生严重的内部充放电现象，须另行特殊分析。此外，文章使用的FLUMIC模型假设辐射带外的电子通量为0并且不计能量小于200keV的电子的通量，这与实际情况有所差别；但内部充电效应主要由辐射带内高能电子引起，因此使用FLUMIC模型计算仍具有意义。

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（编辑：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

国家国防科工局基础科研计划（编号B1320133032）

王子凤（1991—），女，硕士研究生，专业为地球与空间探测；E-mail:wangzifeng14@mails.ucas.ac.cn。通信作者：张振龙（1976—），男，研究员，研究方向为航天器空间环境效应；E-mail:zzl@nssc.ac.cn。