木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

武明志，朱基聪，全荣辉



木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

武明志，朱基聪，全荣辉

（南京航空航天大学 航天学院，南京 210016）

木星为太阳系内少有的强磁场行星，其等离子体环境十分恶劣，可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法，借助COMSOL仿真软件，对航天器表面充电现象进行三维仿真，结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果，证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明，在木星背景等离子体环境中15J处，航天器表面充电电位较低，仅为平均-80V左右；而在木星极光等离子体中，航天器表面充电电位最高可以达到-36.7kV，CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16kV，具有较高的放电风险。

表面充电效应；三维仿真；木星探测；有限元方法

0 引言

木星与地球相比，其距离太阳较远，所受到太阳风的作用相对弱一些，同时由于木星的自转速度更快，其众多卫星的喷射气体在木星磁层笼罩下，都会成为木星磁层中的等离子体源[1]。在多种条件影响下，木星的极光结构比较复杂，会对进行木星探测的探测器产生严重的充电效应，进而引发放电效应[1-2]，导致航天器产生非指令性开关，或器件损坏，严重时甚至会导致航天器失效报废。为了实现探测器的设计寿命，需要对木星极光环境下航天器的表面充电效应进行研究。

目前对木星环境下表面充电现象的研究相对较少。1983年，Divine和Garrett根据“先驱者号”和“旅行者号”木星探测器发回的数据建立了DG1木星等离子体模型[3]。该模型可以给出电子能量在1～100eV间、质子能量在1～600eV间的木星背景等离子体参数。随后Garrett等人[4]对DG1木星等离子体模型进行了完善和补充，并对木星极光分布下航天器的表面充电电势进行了估算。欧洲航天局对其计划2022年发射的JUICE航天器进行了分别在木卫二（Europa）和木卫三（Ganymede）轨道上的充电仿真研究，得到在木卫三最恶劣环境I（Ganymede Worst Case I）下，航天器主体会被充电到-15.5kV的电位[5]。为满足航天器的要求与任务目标，NASA同样为计划2022年发射的针对木卫二的探测器进行了结构与差分充电的详细研究，分析了在运行到不同位置时航天器的表面充电情况[6]。

常见的表面充电现象三维仿真分析软件主要有NASCAP-2k[7]、SPIS和MUSCAT[8]。NASA开发的NASCAP-2k通过计算三维航天器模型各表面的电流分布以及总电流模拟航天器表面充电。受到出口的管制，NASCAP-2k只对美国公民免费开放。SPIS是欧空局开发出来的基于PIC（particle-in- cell）代码的航天器表面充电模拟开源软件，其基本原理为通过表面电位平衡方程迭代求解。日本JAXA也开发了自己的表面充电工具，用来研究各种轨道条件下的卫星充电状态，其被命名为MUSCAT。

COMSOL Multiphysics®（以下简称COMSOL）为COMSOL公司开发的一款用于建模和模拟物理场问题的通用软件平台。其是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真的软件。COMSOL具有高效的计算性能，并可以通过电磁、结构力学、声学、流体、传热和化工等领域的专用物理接口和工具来进一步扩展建模功能，具有杰出的多场双向直接耦合分析能力，可以实现高度精确的数值仿真[9]。

本文采用多物理场仿真软件COMSOL建立全新表面充电模型，通过对GEO环境下的表面充电效应的仿真以及与NASCAP-2k和SPIS软件模拟结果的比对，以及与已有木星等离子体环境表面充电效应仿真数据的对比，分析验证了COMSOL在模拟表面充电效应上的准确性以及可行性。在此基础上，根据木星极光等离子体探测数据对航天器表面充电效应进行了三维仿真分析，为将来我国木星探测任务提供参考。

1 理论及模拟方法

1.1 木星等离子体环境

木星具有很强的磁场，其磁矩是地球磁矩的2×104倍[10]。同时木星磁场与木星旋转轴间存在11°的夹角。木星旁5J处（J代表木星半径）的木卫一在绕木星运行时会产生大量气体，形成巨大的气体环。在快速旋转的木星磁场作用下，空间中的冷等离子体会使这个气体环加速并膨胀，形成巨大的等离子体片。磁场的倾斜和快速旋转使这个等离子体片上下摆动，并以10h为一个周期发生快速变化。木星背景等离子体环境可以粗略地分为3个部分[10]：

1） 木卫一周围的冷等离子体和等离子体片（0＜＜1keV）；

2）热等离子体和极光（1keV＜＜100keV）；

3）辐射环境（＞100keV）。

木星的极光是长时间存在且十分强烈的。图1为通过哈勃空间望远镜得到的木星远/极紫外极光发射图像[3]，从图中可以看出，木星极光区等离子体环境根据其位置及产生机制可以粗略地分为3个组成部分：1）南北极60°以上纬度地区的卵形主极光；2）极盖上的大范围的极区发射；3）明显的 极光斑（木星卫星的尾迹发射）[3]。以上每一种木星等离子体环境都由不同的电流源引起，当三者叠加在一起后，便形成了木星极光复杂多变的等离子体环境，会对进行木星探测任务的航天器产生严重的充电威胁。

1.2 航天器表面充电效应

航天器表面充电是指航天器和空间中的等离子体发生相互作用，电荷在航天器表面发生沉积，使航天器表面带电的过程。表面充电会降低航天器表面性能并影响其在轨运行[11]。表面充电主要有两种类型：一是绝对充电，即整个航天器电位相对于空间等离子体电位发生变化；二是不等量充电，即航天器各部分相对电位不同。

航天器表面充电过程满足基本方程如下：

式(1)～(3)中：为电位移矢量；q为电荷密度；为电场；为电势；e为电子数密度；e为迁移电子通量矢量；为速度矢量；e为电子生成率。

当粒子在运动过程中，会与航天器表面发生碰撞，部分粒子会发生反射，部分会产生二次电子发射，故太阳电池边界满足如下方程：

式(5)和式(6)中：0为真空介电常数，其值为8.85× 10-12F/m；r为相对介电常数；s为材料厚度；ref为参考电势；s为表面电荷密度；e为壁电子流密度；i为壁离子流密度。

1.3 仿真计算方法

本文采用COMSOL的直流放电模块进行仿真求解。首先建立航天器表面充电模型，然后通过计算粒子的热扩散运动，材料表面的电荷吸附、二次电子发射，以及背散射效应等求得航天器表面的充电电势。本次研究的目的是探究木星极光等离子体环境对航天器的充电效应，故在模拟过程中，忽略太阳光照对表面充电的影响。

计算所涉及材料厚度均为0.1mm，物性参数取自NASCAP-2k默认参数，如表1所示。

2 表面充电模型的验证

本章通过COMSOL对GEO等离子体环境下表面充电进行仿真，并分别与NASCAP-2k和SPIS的表面充电仿真结果进行对比分析，以验证本文所提出模型对表面充电计算的可行性与准确性。

由于木星表面充电实验与仿真数据较为贫乏，暂无木星主极光等离子体环境下三维仿真或表面充电曲线的完整探测结果，所以通过与现有的木星背景等离子体环境下的充电结果进行对比，来验证本文模型对木星等离子体环境表面充电仿真的可行性。

2.1 与NASCAP-2k的对比验证

与NASCAP-2k的仿真对比参考Davis[12]等人的文章。航天器模型及其表面材料如图2所示。模拟时长为1000s，模拟环境选取NASA测得的GEO最恶劣等离子体环境参数（NASA Worst Case），如表2所示。

图2 航天器几何模型及其表面材料示意

Fig.2 Spacecraft geometric model and surface materials

表2 GEO最恶劣等离子体环境参数

图3给出了本文与NASCAP-2k模拟结果。从图中可以看出两者计算出的充电电位基本相同，误差在5%以下，航天器表面充电电位分布情况也基本一致，说明本文与NASCAP- 2k的模拟结果基本吻合。

2.2 与SPIS的对比验证

与SPIS的仿真对比参考刘业楠等人[13]的研究。航天器模型及其表面材料如图4所示。充电环境取卫星ATS-6获取的恶劣等离子体环境参数，如表3所示。充电时长为1000s。

图4 航天器模型及其表面材料示意

表3 ATS-6 等离子体环境参数

Table 3 Plasma environment parameters for ATS-6 satellite

从图5中可以看出本文仿真结果和SPIS模拟结果也基本一致。SPIS模拟中将航天器主体下方的Al材料与主体接地（S/C Ground），本文则是将两部分分开计算，得到了如图5(a)的结果。

图5 本文和SPIS的表面充电模拟结果

2.3 木星背景环境表面充电的验证

对木星背景等离子体环境下的航天器表面充电进行仿真，航天器几何模型如图6所示。

图6 航天器几何模型示意

太阳电池板上表面材料为CERS，侧面及底面为CFRP。航天器主体除底面为Kapton外，其他面为ITO。材料参数均选取NASCAP-2k默认值。

模拟环境选取木星赤道面上空15J处的等离子体环境，环境参数如表4所示[3]。

表4 15RJ处木星背景等离子体环境参数

模拟结果如图7、图8所示。

图7 15RJ处木星等离子体环境中航天器表面充电模拟结果

图8 15RJ处航天器表面电势随时间变化

Fig.8 Time series of surface potential at a distance of 15J

从图7中可以看出当航天器达到充电平衡，太阳电池板上表面充电电位平均为-45V，电池板下表面的充电电位平均为-120 V，航天器主体表面充电电位平均为-95 V。该结果与Rudolph[14]通过SPIS模拟出的在木星阴影面15J处的航天器表面充电结果基本一致，其模拟结果为-40.32V。本文与Rudolph的模拟不同之处在于其所用航天器模型的太阳电池板侧面与下表面材料为PCB-Z材料，而本文采用的材料为CFPR，因此本文模拟中太阳电池板下表面及航天器主体的充电（负）电位偏大。

通过与NASCAP-2k和SPIS模拟结果的对比可以看出，COMSOL可以较准确地计算出航天器的表面充电电位，且表面电位分布也与SPIS和NASCAP-2k的结果基本一致，验证了本文所提出的表面充电模型的准确性。通过和木星背景等离子体环境下表面充电仿真数据的对比，验证了该模型同样可用于木星等离子体环境下航天器表面充电的仿真模拟。

3 木星极光等离子体环境下的表面充电分析

木星极光等离子体环境参数选取Ajello等人[15]根据伽利略极紫外光谱仪和霍普金斯紫外望远镜观测数据计算出的木星极光高能电子注入分布：环境电子密度0.57×106m-3，电子温度25keV。

航天器模型取图6所示模型，木星极光等离子体环境下，航天器表面充电效应的仿真结果如图9所示，航天器表面电位随时间的变化如图10所示。

图9 极光环境中航天器表面充电模拟结果

Fig.9 Surface charging potential in aurora environment

图10 木星极光环境中航天器表面电位随时间的变化

Fig.10 Time series of surface potential in Jupiter auroral environment

从图9和图10中可以看出，当航天器处于木星极光等离子体环境中时，航天器太阳电池板上表面的充电电位平均为-15.33 kV，下表面的充电电位平均为-32 kV；航天器主体的充电电位平均为-25.6 kV，底部的充电电位平均为-16 kV。太阳电池板上下表面电位差高达16kV，远大于表面材料放电阈值，有极大的概率发生静电放电，进而对航天器造成严重损伤。

对比航天器在GEO最恶劣环境中的充电电势与木星背景等离子体环境中的表面充电电势，可以看出，在木星背景等离子体环境下的充电（负）电位相对较低。若采用GEO航天器的标准防护，理论上可满足木星探测器的充电效应防护要求。但当探测器对木星进行探测时，考虑到发射窗口及木星、地球间的位置，其探测路线势必会穿过或经过木星大范围的极光区。而极光等离子体环境下，航天器表面充电效应会比GEO最恶劣环境下的充电效应严重许多，此时GEO标准防护无法满足对木星探测器的防护需求，须进行全新的针对性设计。

4 结束语

木星等离子体环境在多种因素的影响下比较复杂，且十分恶劣。本文采用有限元法，通过COMSOL仿真模拟软件对航天器表面充电进行建模仿真，并将结果与NASCAP-2k、SPIS的模拟结果以及木星背景等离子体环境充电仿真结果对比分析，验证了COMSOL在模拟航天器表面充电时的准确性及可行性。分析结果表明：航天器在木星环境下会受到表面充电效应的影响，尤其是在木星极光环境中，其充电负电位比GEO最恶劣环境下的高出许多。这说明仅采取GEO卫星的充电标准防护并不能确保对木星探测器的有效防护，故而需要对木星探测器的充电防护进行新的讨论与设计。

由于木星轨道的日照水平很低，且本文模拟的为木星地影区的等离子体环境，故而本文的仿真中忽略了太阳光照的影响。此外，本文的木星环境采用麦克斯韦方程拟合的极光等离子体分布函数，而若采用Kappa分布拟合的极光等离子体分布，航天器表面充电预测可能会更精准一些，这将是后续需要开展的工作。

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（编辑：闫德葵）

3D simulation of spacecraft surface charging in Jovian auroral environment

WU Mingzhi, ZHU Jicong, QUAN Ronghui

(College of Aeronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

The magnetic field of Jupiter is very strong, and the related plasma environment may have a serious surface charging effect on the Jupiter detectors. In this paper, the surface charging phenomenon of the spacecraft in Jupiter plasma environment is simulated by the COMSOL software based on the finite element method. The result is verified by comparing with those of the NASCAP-2k and the SPIS software with regard to the GEO plasma environment. It is further shown that in the Jovian background plasma environment, the surface potentials of the spacecraft can be reduced to an average of -80V; while in the Jovian auroral environment, the maximum surface potentials of the spacecraft can be as high as -36.7kV, and the maximum differential potential between CERS and other materials can reach up to -16 kV, with very high risk of discharging.

surface charging effect; three-dimensional simulation; Jupiter detection; finite element method

O242.21; P354.2

A

1673-1379(2017)06-0624-07

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.009

武明志（1993—），男，硕士研究生，研究方向为空间环境效应；E-mail: muzeenii@qq.com。指导教师及

全荣辉（1981—），男，博士学位，副教授，研究方向为空间环境；E-mail: quanrh@nuaa.edu.cn。

2017-08-10；

2017-12-07

南京航空航天大学研究生创新基地（实验室）开放基金项目(编号：kfjj20161503)