大椭圆轨道航天器介质材料深层充电仿真分析

苏京，张丽新，刘刚，周博，潘阳阳，曹康丽



大椭圆轨道航天器介质材料深层充电仿真分析

苏京，张丽新，刘刚，周博，潘阳阳，曹康丽

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

为研究大椭圆轨道（HEO）航天器介质深层充电规律特征，基于FLUMIC模型建立辐射带电子环境模式，初步分析了诱发HEO深层充电的高能电子环境，计算了介质材料在HEO环境下的充电特征，并与地球同步轨道（GEO）下的情况进行对比。结果表明，HEO电子平均积分通量与GEO的相比处于同一量级，但存在明显波动，这将导致卫星在轨运行时，其上介质平均充电电位上升，增加内带电的风险。HEO介质平均充电电位为GEO的1.3倍，瞬时电位以12h周期波动，电位最大值较环境电子通量最大值有数十min延时。增加屏蔽层厚度和减小介质厚度均能有效减缓HEO卫星介质电位波动，并降低内带电的风险。

航天器；大椭圆轨道；地球同步轨道；高能电子；深层充电；电子通量

0 引言

内带电是造成地球同步轨道（GEO）、中高轨道（MEO）航天器故障的主要原因之一[1-2]。GEO上运行的航天器数量众多，国内外对GEO环境及其内部充电情况的研究较为深入；而大椭圆轨道（HEO）作为通信、导航卫星的一种运行轨道，与其有关的内部充电研究的文献报道却较少。目前，关于深层充放电的研究方法包括在轨试验、地面模拟和仿真分析3个方面[3-7]。仿真具有成本低、可仿真环境电子谱等优势而被广泛采用，已经形成了NASA最恶劣电子模型[8]等工程应用模型和DICTAT等深层充放电计算软件[9-11]，但未见关于HEO深层充放电仿真的文献。本文基于FLUMIC模型[12]建立了高能电子环境模型，计算了诱发HEO航天器深层充电的高能电子环境，并分析介质深层充电规律以及材料参数对内部充电的影响。

1 高能电子环境模式建立

目前，空间高能电子较普遍的能谱描述采用指数形式[13]，即假定

F=0×exp(-/0)。

式中：F为能量大于的电子通量；0为电子折合能量（或称为谱硬度）。

据此，参照文献[13]，综合考虑轨道电子环境随太阳活动及季节影响的规律等，可得到外辐射带能谱计算表达式为

F(＞,,sc,oy)=(＞,)sc·oy，

其中：为磁壳参数，是磁力线与赤道面的交点到地心的距离；sc为从太阳活动低年开始的太阳周期阶段；oy为从1月1日开始占整年的系数；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)]；(＞,)为处能量大于的电子的积分通量，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，可以建立内辐射带高能电子环境模式。至此有了完整的计算运行轨道高能电子通量能谱的方法，加上由轨道6要素计算地理坐标的转换程序以及BILCAL程序[14]，即可实现任意轨道电子能谱的计算，关联后的自建程序计算流程如图1所示。

2 环境模式验证

为了验证上述高能电子环境模式的准确性，本节利用该环境模式针对GEO的情况进行了计算，取磁场模型为IGRF模型，值为6.6，将计算结果与NASA-HDBK-4002A《减缓空间带电效应指南》建议的GEO最恶劣电子谱进行了比较，结果见图2。二者计算的高能电子通量在能量低于0.6MeV的区间内处于同一量级，在能量高于0.6MeV时几乎完全吻合。因1mm等效铝屏蔽能够有效阻挡＜0.6MeV的电子，而＞3MeV的相对论电子在空间中的实际通量极低，对分析结果影响不大，故本模型适合用于介质深层带电风险评估。

图2中还给出了NASA建立的AE8模型计算的GEO高能电子通量结果，可以看出AE8模型较本模型和最恶劣电子模型的结果低1～2个数量级，为平均环境模型，而航天器介质深层充放电往往与瞬时高能电子环境有关，故本模型可用于动态电子环境下介质深层带电风险分析。

3 典型HEO电子环境仿真分析

基于已建立的模型，首先给出一种典型HEO输入参数，见表1。该轨道上卫星运行周期为12h，近地点高度1072.9km，远地点高度39392km，远地点位于东经90°和西经90°，覆盖北美和亚洲大部分地区。

表1 典型HEO输入参数

图3为该算例中的HEO卫星运行过程中电子通量谱随时间的变化关系。图4给出了本模型计算得到的HEO中＞0.2MeV的电子积分通量随时间的变化关系，以及GEO（=6.6处）的电子通量数据（不考虑日变化）。可以看出，HEO卫星在1个轨道运行周期（12h）内2次穿越辐射带区域：当运行在外辐射带中心区域时，所处环境的高能电子通量最大值可达3.23×107cm-2·s-1·sr-1；而当运行在辐射带区域之外时，高能电子通量近似降为0。图4显示，HEO卫星运行时电子通量会有明显的波动，而GEO电子通量较为稳定，、峰为卫星穿越外辐射带中心区域，、峰为卫星运行在低轨极区区域，运行环境比GEO更恶劣的时间占整个周期的22%左右。将随时间变化的电子通量先积分并平均可得图5所示的平均电子通量能谱，显然，二者处于同一量级。

4 HEO航天器深层充电仿真结果及分析

4.1 典型参数下的深层充电计算

基于HEO电子积分通量谱随卫星运行时间的变化关系，利用辐射诱导电导率（RIC）模型针对HEO和GEO卫星典型介质材料内部充电环境进行仿真。仿真过程中，取HEO中＞0.2MeV电子平均通量为2.69×106cm-2·s-1·sr-1，GEO为2.50×106cm-2·s-1·sr-1，采用随机抽样方法实现入射电子谱输入，电介质材料为聚四氟乙烯（Teflon），厚度设置为2mm，铝屏蔽厚度为1mm（折合卫星蒙皮厚度），接地方式为背面接地。Teflon材料特征参数见表2[15]，其中p和是与材料有关的系数。

表2 Teflon电介质材料特征参数

根据上述参数建立Geant4模型，输入电子谱采用实时谱，采样时间间隔为50s，将HEO卫星的介质材料分为200层进行蒙特卡罗计算，仿真获得各层的沉积能量和注入电荷密度，并利用公式计算介质材料内部10μm处剂量率随运行时间变化关系（图6），最终得到GEO与HEO上Teflon材料充电电位随时间变化关系（图7）。由图可知，HEO卫星介质材料内部充电电位呈现明显的波动性，大致有12h的周期，与卫星轨道周期相同。充电电位在入轨48～72h后进入循环，表明HEO卫星入轨后介质材料内部的电荷积累过程需要4～6个轨道周期时间，随后材料内部沉积电荷与泄漏电流达到动态平衡；而GEO充电电位在初始上升期过后一直保持稳定。

图8给出了2个轨道周期内HEO卫星介质材料充电电位与环境电子通量（＞0.6MeV）的关系，可以看出，介质表面峰值电位为-4060V，谷值电位为-3420V，变化幅度为640V，平均充电电位为-3745V，是GEO的约1.3倍，内部电场最大值为4.25×106V/m，接近介质击穿电场，表明HEO卫星内部介质材料在1mm铝等效屏蔽下仍然存在内部放电的风险。

由于卫星轨道周期为12h，所以环境电子通量在前后12h内基本相同，选取前12h周期内、两处电子通量峰值区域，此时卫星均运行至外辐射带中央区域（=4.5附近），而介质材料充电电位峰值较、两处时刻有一定延后，分别为0.35和0.88h，表明充电电位达到最大值的时间相对于环境电子通量最大值有一定的延时性，在材料相同时，延时的长短与材料电位和内部电场大小相关。

4.2 电子环境波动对深层充电的影响

为研究环境电子通量的波动对航天器深层充电的影响，本节计算相同累积通量下，定常环境介质深层充电情况。

设状态1为HEO瞬时电子环境，能量＞0.2MeV的电子平均通量为2.69×106cm-2·s-1·sr-1，1个轨道周期（12h）累积通量为1.1621×1011e/cm-2。状态2为对HEO累积电子通量取平均后的定常环境。将二者作为输入谱（图9）进行计算，得到如图10所示的结果。可以看出，在累积电子通量相同的情况下，由于HEO环境的波动性，导致星内介质材料电位平均值比定常状态下高近700V，表明环境的波动会加剧航天器介质深层充放电的风险；在累积通量相同时，HEO航天器比GEO航天器的内带电风险更大。

4.3 屏蔽厚度对深层充电的影响

航天器介质材料的深层充电不仅与环境电子通量有关，也与介质材料的性质（如介质厚度、密度、电导率）和屏蔽材料及其厚度等密切相关。图11和图12为HEO航天器上2mm厚度Teflon材料在不同厚度等效铝屏蔽下的充电电位和最大平衡电场变化。可以看出，等效屏蔽厚度越小，介质充电电位越高，由HEO电子环境波动性造成的电位变化越明显。由于介质的击穿场强一般为107V/m，而电场低于106V/m时可以认为不存在内放电风险，故当屏蔽厚度为0.1mm时极有可能发生介质击穿，而屏蔽厚度大于2mm时发生内放电的风险概率较低。因此HEO航天器应避免外露介质，以降低内放电风险。

4.4 介质厚度对深层充电的影响

由于背面接地情况下最大电场出现在介质背面，故随着介质厚度的增加，表面电位也会有一定增加，本节分别计算了0.5、1、2、3mm厚Teflon在HEO环境下的充电电位和最大平衡电场，等效铝屏蔽厚度取1mm，结果见图13和图14。

可以看出，随着介质厚度的增加，介质表面电位和内部最大平衡电场均有上升，即厚度越大，内部平衡电场越大；当厚度小于0.5mm时，平衡电场小于106V/m。因此HEO航天器应避免使用较厚介质。

5 结束语

本文基于FLUMIC模型建立辐射带电子环境模式，利用该模式分析了HEO高能电子辐射环境并与GEO情况进行了比对。HEO的电子平均积分通量与GEO相比处于同一量级，但由于HEO航天器在每个轨道周期内会2次进出辐射带，电子通量存在明显波动，这种波动性反映在材料的充电电位变化上，表现为大致12h的周期。在电子积分通量平均值相同的情况下，环境的剧烈波动会使介质材料内部充电电位比定常环境下的高，从而增加内带电的风险。在航天器穿越外辐射带中心区域（=4.5）时，介质充电电位达到最大值的时刻相对于环境电子通量最大值有一定的延时；在材料参数相同时，延时时间的长短与材料电位和内部电场大小相关。仿真结果表明，增加屏蔽层厚度和减小介质厚度均能有效降低HEO航天器的内带电风险。

综上，HEO航天器穿越外辐射带过程中，其上介质材料可能会充至高负电位并存在较大的放电风险，需要适当防护。

[1] FREDERICKSON A R. Upsets related to spacecraft charging[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1996, 43(2): 426-441

[2] GRISERI V. Behavior of dielectrics in a charging space environment and related anomalies in flight[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009, 16(3): 689-695

[3] FREDERICKSON A R, HOLEMAN E G, MULLEN EG. Characteristics of spontaneous electrical discharging of various insulators in space radiations[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1992, 39(6): 1773-1782

[4] JUN I, GARRETT H B, KIN W, et al. Review of an internal charging code, NUMIT[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008, 36(5): 2467-2472

[5] 黄建国, 陈东. 卫星介质深层充电的计算机模拟研究[J]. 地球物理学报, 2004, 47(3): 392-397

HUANG J G, CHEN D. A study of deep dielectric charging on satellites by computer simulation[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2004, 47(3): 392-397

[6] 张振龙, 韩建伟, 全荣辉, 等. 空间材料深层充放电效应试验研究[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(3): 210-213

ZHANG Z L, HAN J W, QUAN R H, et al. Experiment on deep dielectric charging and discharging of space materials[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(3): 210-213

[7] 郑汉生, 韩建伟, 张振龙. 高能电子辐照下聚合物介质深层放电实验研究[J]. 航天器环境工程, 2017, 34(3): 295-300

ZHENG H S, HAN J W, ZHANG Z L. Experimental study of deep dielectric discharging of polymer under energetic electron irradiation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(3): 295-300

[8] Avoid problems caused by spacecraft on-orbit internal charging effects: NASA-HDBK-4002[G], 1999

[9] SORENSEN J, RODGERS D J, RYDEN K A, et al. ESA’s tools for internal charging[J]. European Conference on Radiation and Its Effects on Components & Systems, 1999, 47(3): 27-33

[10] 王子凤, 张振龙. MEO卫星内部充电环境及典型材料充电特征分析[J]. 航天器环境工程, 2016, 33(4): 382-386

WANG Z F, ZHANG Z L. Internal charging environment and typical charging characteristics of MEO[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2016, 33(4): 382-386

[11] 沈自才. 空间辐射环境工程[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2013: 325-326

[12] RODGERS D J, HUNTER K. The FLUMIC electron environment model[C]//8thSpacecraft Charging Technology Conference. Huntsville, 2003

[13] 闫小娟, 陈东, 黄建国, 等. 诱发卫星深层充电的高能电子环境模式研究[J]. 航天器环境工程, 2008, 25(2): 120-124

YAN X J, CHEN D, HUANG J G, et al. A space energetic electron environment model for spacecraft deep dielectric charging evaluation[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(2): 120-124

[14] 田天, 焦维新, 李珑, 等. 航天器内部充电评估软件的实现[J]. 装备环境工程, 2010, 7(2): 64-67

TIAN T, JIAO W X, LI L, et al. Development of spacecraft internal charging evaluation software[J]. Equipment Environmental Engineering, 2010, 7(2): 64-67

[15] 秦晓刚. 介质深层带电数值模拟与应用研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2010

（编辑：张艳艳）

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

苏京（1993—），男，硕士研究生，研究方向为空间环境效应；E-mail: 460624405@qq.com。指导教师：张丽新（1967—），女，博士学位，研究员，主要从事航天器环境工程及空间环境效应相关技术研究；E-mail: 1071268395@qq.com。

2017-08-31；

2017-11-28

国家重点研发计划资助项目“面向航天的纳米复合材料制备及实用化”（编号：2017YFA0204600）；国家自然科学基金项目“面向空间抗辐照热控涂层的电致变色聚合物材料”（编号：51603123）