空间等离子体能谱计算和航天器表面带电分析及防护.pdf

目录

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2研究意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1等离子体环境2

1.2.2航天器带电效应3

1.2.3航天器带电效应防护4

1.3本文主要研究内容及论文结构5

第2章麦克斯韦等离子体能谱计算分析6

2.1麦克斯韦速度分布函数6

2.2单麦克斯韦等离子体能谱计算7

2.2.1能谱计算7

2.2.2结果与讨论8

2.3双麦克斯韦等离子体能谱计算11

2.3.1能谱计算11

2.3.2结果与讨论12

2.4本章小结16

第3章基于等离子体能谱的表面带电电位计算17

3.1电子等离子体环境17

3.1.1物理模型17

3.1.2电位计算18

3.1.3结果与讨论18

3.2电子离子等离子体环境21

3.2.1物理模型21

3.2.2电位计算22

3.2.3结果与讨论22

3.3本章小结24

第4章航天器带电效应的防护设计分析26

4.1带电效应对航天器器件的影响26

4.1.1太阳电池阵26

4.1.2航天器姿控电子设备26

4.2防护设计分析27

4.2.1太阳电池阵防护设计27

4.2.2航天器姿控电子设备防护分析29

4.3本章小结29

结论与展望31

本文创新点32

参考文献33

摘要

摘要

航天器在低地球轨道与地球同步轨道中运行时，会受到复杂空间环境的影响，

表面材料与带电粒子相互作用，发生表面带电效应，严重影响航天器在轨运行寿命。

本文基于空间等离子体环境的基础参数和麦克斯韦速度分布函数，计算空间等离

子体环境能谱，在不考虑光照和二次电子的情况下，建立航天器与等离子体相互作

用模型，提出计算航天器表面带电平衡电位的新方法。结合表面带电效应，对太阳

电池阵与航天器裸露在外的其他元器件和电缆等进行防护设计。

等离子体环境研究结果表明，对于单麦克斯韦等离子体环境，粒子的数通量随

能量的升高先保持某一定值而后在1.468eV位置附近迅速降低，微分数通量随能

-1

量变化的基本规律与麦克斯韦速度分布函数相近，先增后减，在2.154×10eV位

置附近达到最大，且粒子温度越高其数通量越大，微分数通量也与温度密切相关；

4

双麦克斯韦等离子体环境中粒子数通量先近似保持不变，在6.813×10eV位置附

近开始大幅度递减；其微分数通量随着能量的增加呈现先增后减再增再减的趋势，

4

在能量为1.00eV时到达第一个波峰，2.154×10eV时到达第二个波峰，14.68eV

时到达图中波谷位置。

充放电效应研究结果表明利用能谱求解表面平衡电位的方法是高效且准确的。

本文将根据表面带电效应的物理意义，建立航天器与等离子体相互作用模型，通过

推导得出包含数通量的平衡电位表达式。在单麦克斯韦等离子体环境中，建立航天

器与电子等离子体环境相互作用模型，运行在低地球轨道等离子体环境中的航天

器发生表面带电效应后，通过模型计算得到临界能量为10.4keV、平衡电位为-10.04

-5

kV，平衡时间为1.74×10s；在双麦克斯韦等离子体环境中，建立航天器与电子

离子等离子体环境相互作用模型，运行在地球同步轨道等离子体环境中的航天器

发生表面带电效应后，通过模型计算得到临界能量为63.1keV、平衡电位