航天器内部孤立导体表面带电面积效应研究

航天器内部孤立导体充放电对航天器的影响更为隐蔽, 造成直接和潜在的伤害更加严重. 综合考虑航天器内部环境中粒子参数及材料二次电子特性等因素, 基于气体动理论, 结合粒子的麦克斯韦速度分布函数, 得出孤立导体球充电电位一般表达式. 利用电位表达式推导得出孤立导体球净电荷量及静电场能量与导体面积关系表达式. 讨论了特殊情况下孤立导体静电场能量与面积及空间环境的关系, 与地面电子元器件电磁脉冲放电损伤值进行了对比, 总结出孤立导体表面带电面积效应规律. 关键词： 孤立导体 表面带电 静电场能量 面积效应     

等离子体环境非偏置固体表面带电研究

航天器与等离子体环境中的电子、离子相互作用, 表面将出现充放电效应, 对航天器产生负面影响. 表面充电电位对充放电影响至关重要. 综合考虑等离子体中粒子质量、温度及密度, 二次电子效应及非偏置固体的运动速度等因素, 基于气体动理论, 利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中非偏置固体表面充电电位一般表达式. 分析了等离子体以及非偏置固体特殊状态下的表达式及一般状态下的表达式, 总结出不同等离子环境、不同运动状态下的表面充电规律. 关键词： 等离子体 非偏置固体 表面充电     

SMILE卫星的表面充电效应

卫星在轨运行时,航天器表面材料与周围的等离子体环境相互作用,会积累电荷产生表面充电效应,严重时将导致静电放电从而影响航天器的运行. SMILE卫星运行在太阳同步轨道和高倾角大椭圆轨道,在轨运行将遭遇多种等离子体环境,产生的表面充电效应将影响卫星在轨安全和科学数据的获取.本文采用spacecraft plasma interaction system软件仿真,建立了复杂精细的三维模型,评估了卫星在磁尾瓣等离子体、太阳风等离子体及地球静止轨道极端恶劣等离子体不同环境中的表面充电风险.仿真结果显示,不同环境下的表面充电电位有差异,但是不会影响科学载荷的数据获取.通过对表面电流的分析发现,二次电子发射在各种等离子体环境中都对表面充电有很大的影响.通过分析阴影区材料表面充电电流,计算得到的结果能够补充氧化铟锡材料二次电子发射系数实验曲线.在光照下,光电子发射在表面充电中占据统治地位.     

天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究北大核心CSCD

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

航天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应

空间等离子体在有些情形下,并非单麦克斯韦分布,而是双麦克斯韦分布。为了研究双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面的充电效应,基于等离子体动理学理论,建立表面充电平衡方程,综合考虑双麦克斯韦分布等离子体的粒子参数、航天器的单位电容、二次电子发射及光照等因素,得出了双麦克斯韦分布等离子体对航天器表面充电电位的计算表达式,给出了表面充电电位随时间的变化规律。研究结果表明:当等离子体为双麦克斯韦分布时,航天器表面充电电位低于单麦克斯韦分布等离子体环境下的表面充电电位,单麦克斯韦分布的等离子体假设会过高估计航天器表面的充电效应;双麦克斯韦分布的第二分布函数中,对最终的表面充电平衡电位影响较大的主要是离子成分;双麦克斯韦分布等离子体的粒子数密度或温度越高,则表面充电达到平衡所需的时间越长;单位电容仅影响表面充电电位达到稳定所需的时间,对最终的充电平衡电位值影响不大。     

基于表面阻抗边界条件的等离子体薄涂层电磁散射的时域有限差分分析

基于表面阻抗边界条件时域有限差分(FDTD)方法研究了一维斜入射情况下非磁化等离子体薄涂层涂敷金属材料的电磁散射特性, 该方法忽略对薄层背景材料进行网格剖分, 大大减少了计算量. 首先推导了理想导体涂敷等离子体薄涂层的表面阻抗频域表达式, 然后代入边界条件并变换到时域, 再用分段线性递推卷积方法将时域表达式离散得到FDTD迭代式. 编程计算了垂直及斜入射情形下的平行极化和垂直极化反射系数, 通过验证算例与解析解对比, 结果表明该方法的准确性和有效性. 最后利用该方法分析了不同入射角对反射系数的影响.     

避开矢量分析推导电场能量密度公式

在讨论静电能问题时,大多数教科书都详细地推导了带电体系的静电能公式,对于能量定域于电场的观点,相比之下显得轻描淡写.究其原因,大概是推导能量密度公式涉及矢量分析.本文介绍一种避开矢量分析推导能量密度公式的方法,意在强化能量定域于电场的观点,强化对静电场基本规律的认识. 我们知道,点电荷系的静电能是一个表面电荷密度为σ、电位为U的带电导体,可以看成无限多个点电荷的带电体系,其静电能是表面电荷密度分别为σ1、σ2、…、σN,电位分别为 U1、U2、…、UN的导体系的总能量则为 按照能量定域于电场的观点,建立带电体系的过程就…     

计算均匀外电场中导体球表面上感应电荷分布的初等方法

本文根据导体在静电平衡下的性质和静电场边值问题的唯一性，用初等方法计算出均匀外电场中导体球表面上感应电荷的分布．     

嫦娥一号卫星太阳风离子探测器数据分析

探月航天器与月球周围等离子体环境相互作用,表面将出现充放电效应,给航天器带来很多不利影响.表面充电电位对充放电的影响至关重要.评估探月航天器的充放电效应,首先需获得月球周围等离子体环境数据.嫦娥一号上搭载的两台太阳风离子探测器SWIDA/B是用来观测月球200 km轨道附近等离子体环境的探测仪器,获得了月球附近的太阳风速度、密度和温度.本文对2008年6月一个月内太阳风离子探测器SWIDA机获得的离子微分通量进行统计平均,得到太阳风离子微分通量能谱,并计算得到了月球200 km附近的太阳风速度(300.00—600.00 km·s-1)、密度(1—10 cm-3)和温度(1—20 eV).最后采用等效电路模型的方法计算得到了探月航天器表面充电电位范围为-7—-70 V.     

基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电特征分析

为了进一步贴近航天器表面起电环境以得到更加可信的分析结果,针对航天器在恶劣充电环境下的表面起电问题,考虑空间等离子体双麦克斯韦分布情况,建立了基于平均二次电子发射系数的航天器表面起电阈值方程,可在入射电子能量连续分布情况下定量分析航天器表面起电特征,其中双麦分布可更好地描述磁层亚爆期间的恶劣充电环境。经过理论分析,归纳出双麦分布下的两种典型等离子体状态。通过仿真计算,得到了在两种典型等离子体状态下航天器表面电位随等离子体浓度和温度变化的特征。结果表明:电子温度越高,表面负带电电位越高,充电越严重,与此同时,双麦分布下等离子体两种电子组分的浓度比值对带电结果有重要影响。     

Application of the electrostatic mean value theorem to electrostatic sensor electrodes

We present a method for approximating the potential of conducting objects due to a known electrostatic source. The method involves averaging the incident potential over the conductor surface or volume region, which is known to give the exact value for a perfectly conducting sphere. The method is extended to spheroidal geometries, both prolate and oblate, to study the error incurred for deviations from the spherical case. Exact values for the spheroid potentials are derived and compared with those obtained by the mean value approximations. The result for the oblate spheroid is extended to the case of a two-dimensional electrostatic disk. The approximations are proposed as a method for predicting the potential of conducting electrodes used with electrostatic sensors for the measurement of electrostatic field disturbances. In this regard, the mean value approximation is applied to determine the source to electrode mutual capacitance, which is implemented in the model for the sensor system. Electrostatic disk electrodes are used with an electrostatic disturbance sensor to experimentally validate the application of the mean value approximation.     

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理

空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理是研究和防护航天器聚合物充放电特性的基础.采用蒙特卡罗方法模拟空间电子的散射过程,快二次电子模型模拟二次电子的产生,有限差分法求解电荷连续性方程、电流密度方程和泊松方程的电荷输运过程,俘获过程基于Poole-Frenkel效应来实现.基于电子散射/输运同步模型基础,结合法国国家航空航天科研局(ONERA)的地球同步轨道电子能谱分布理论公式和欧空局(SIRENE)机构的地面实验方法,建立了基于地球同步轨道电子能谱分布的空间多能电子的散射模型.通过空间电子辐照聚合物充电过程的数值模拟,获得了空间电荷密度、电位、电场和空间电位分布.阐明了空间电子辐照聚合物的充电特性和样品微观参数与表面电位的关联性.表面电位特性与实验结果相吻合,单能电子的电位强度高于多能电子的电位.充电达到稳态时,电子迁移率较小时(小于10~(–11)cm~2·V~(–1)·s~(–1)),空间电位绝对值随电子迁移率的降低明显加强;复合率较大时(大于10~(–14)cm~3·s~(–1)),空间电位绝对值随复合率的增大而增大.研究结果对于揭示空间电子辐照聚合物的充电特性和微观机理、提高航天器充放电故障机理研究水平具有重要科学意义和价值.     

Effect of the size of macroparticles on their electrostatic interaction in a plasma

The electrostatic interaction of two spherical macroparticles in a plasma has been considered. Primary attention has been focused on investigating the electrostatic interaction at short distances where polarization effects of the surface charge of finite-size macroparticles begin to play a dominant role. The first part of this study is devoted to the interaction of a point charge with a charged conducting sphere in an equilibrium plasma. It has been shown that the presence of a plasma in the system leads to a decrease in the potential barrier when two like-charged macroparticles approach each other and that this decrease proves to be the most significant in the case where the macroparticle radius is comparable to the Debye screening length. The second part of this study is concerned with the interaction of two conducting spheres in the bispherical system of the coordinates under the assumption that the charges of the conducting spheres are constant and under the assumption that the surface potentials of the spheres are constant. The latter case is closer to the physics of electrostatic interaction of two macroparticles in a plasma medium where the electrostatic potential of their surface is determined by the floating potential of the plasma. It has been demonstrated that the interaction potentials in these two cases are substantially different from each other and that, at constant macroparticle charges, the energy of the electrostatic field is an interaction potential, but, in the case of macroparticles with constant surface potentials, which are independent of the interparticle distance, the energy of the electrostatic field is not an interaction potential. In the latter case, account must be taken of the work done by external sources on the macroparticle potentials to maintain them constant. The form of the interaction potential has been established in this case from the analysis of the interaction force in terms of the Maxwell tension tensor. In the third part of this study, the interaction of two macroparticles has been considered in the spherical system of coordinates and analytical expressions for the interaction potentials have been derived for both the case of constant macroparticle charges and the case of constant surface potentials of the macroparticles.     

Electrostatic charging of an electrically insulated metal body as a result of thermionic emission from its surface

The electrostatic charging of an electrically insulated metal body (emitter) as a result of thermionic emission current from the body to the ambient is investigated. The cases when the body is in vacuum and in plasma are considered. It is assumed that electrons in the surface layer of the metal body have its temperature or are heated to the temperature of “hot” electrons. The electric currents determining the charging/discharging processes in the body are determined. The values of the electric charge, field strength, and potential of the metal body are estimated.     

Spacecraft charging potential during electron-beam injections intospace plasmas

Injections of nonrelativistic electron beams from an infinite conductor have been simulated by using a two-dimensional electrostatic particle code to study the spacecraft charging potential. The simulations show that the conductor charging potential at the end of simulations does not vary with the beam density when the beam density exceeds four times the ambient density. The reflection coefficient, which determines a percentage of incident electrons reflected by the conductor, increases the charging potential. To charge the conductor to the beam energy, the reflection coefficient needs to be about 0.5. The results are applied to explain the spacecraft charging potential measured during the SEPAC (Space Experiments with Particle Accelerators) experiments from Spacelab 1