SMILE卫星的表面充电效应

许亮亮; 蔡明辉; 杨涛; 韩建伟

doi:10.7498/aps.69.20200044

摘要

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.

关键词:

表面充电效应 /
SMILE卫星 /
spacecraft plasma interaction system仿真 /
等离子体

Abstract

When the satellite is on orbit, the surrounding plasma environment will interact with the spacecraft surface, accumulate charges on the spacecraft surface and cause surface charging effect, which could lead to electrostatic discharge and affect the running of the spacecraft. SMILE is a satellite operating in a solar synchronous and high inclination large elliptical orbit. The on-orbit motion will encounter ionospheric plasma, magnetospheric plasma and solar wind plasma, pass through the region of the outer radiation belt enriched by high-energy electrons. These environmental factors can cause the surface charging effect on satellite and affect on-orbit security of the satellite and the acquisition of scientific data. Utilizing the software simulation of spacecraft plasma interaction system, the charging effects of SMILE satellite surface in solar wind plasma, magnetic tail plasma and extremely harsh plasma environment have been simulated, and the charging potential distribution on its surface have been obtained. The results show that the surface charging potential varies in different environments, but all comfort with the design requirements. The analysis of surface current shows that the secondary electron emission has great influence on surface charging in various plasma environments. Under sun illumination, photoelectron emission dominates surface charging. By analyzing the charge current on the surface on the eclipse, the calculated results can supply the experimental curve of the secondary electron emission coefficient of indium tin oxide materials.

Keywords:

作者及机构信息

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

通信作者: 蔡明辉, caiminghui@nssc.ac.cn

Authors and contacts

1.
National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Corresponding author: Cai Ming-Hui, caiminghui@nssc.ac.cn

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参考文献

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施引文献

图 1 SMILE卫星模型图. 红绿蓝三个轴分别为x, y, z方向

Fig. 1. The model of SMILE. The red, green and blue axes are in the x, y, z direction, respectively.

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图 2 阴影区节点4的平均表面电位　(a) 磁尾瓣等离子体环境; (b) 太阳风等离子体环境; (c) GEO极端恶劣等离子体环境

Fig. 2. Average surface potential on node 4 on the eclipse: (a) The magnetic tail lobes plasma; (b) the solar wind plasma; (c) the GEO worst case plasma.

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图 3 阴影区节点4的表面电流　(a) 磁尾瓣等离子体环境; (b) 太阳风等离子体环境; (c) GEO极端恶劣等离子体环境

Fig. 3. Surface current on node 4 on the eclipse; (a) The magnetic tail lobes plasma; (b) the solar wind plasma; (c) the GEO worst case plasma.

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图 4 光照下节点4的平均表面电位　(a) 磁尾瓣等离子体环境; (a) 太阳风等离子体环境; (c) GEO极端恶劣等离子体环境

Fig. 4. Average surface potential on node 4 under sun illumination: (a) The magnetic tail lobes plasma; (b) the solar wind plasma; (c) the GEO worst case plasma.

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图 5 光照下节点4的表面电流　(a) 磁尾瓣等离子体环境; (b) 太阳风等离子体环境; (c) GEO极端恶劣等离子体环境

Fig. 5. Surface current on node 4 under sun illumination: (a) The magnetic tail lobes plasma; (b) the solar wind plasma; (c) the GEO worst case plasma.

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表 1 SMILE卫星模型电路节点、表面材料及电路设置

Table 1. Design of nodes, surface materials and circuits of SMILE model.

航天器部件	电路节点	表面材料	电路设置/Ω
载荷仓(底面)	0	ITO
载荷仓	1—5	ITO	20000
伸杆天线	6	KAPT	20000
推进器	7—10	ITO	20000
太阳电池下表面	11, 12	CFRP	37500
太阳电池上表面	13, 14	ITO	20000
+X面测控天线顶端	15, 17	PCBZ	20000
+X面测控天线底端	16, 18	ITO	20000
星敏	19—21	ITO	20000
推进舱+X面探测器	22	AL	20000
推进舱-X面探测器	23	AL	20000
散热板对内面	24, 26, 28	ITO	20000
散热板对外面	25, 27, 29	PCBZ	20000
-X面测控天线	30, 31	PCBZ	20000
LIA安装面、测量面	32, 34, 36, 38	AL	20000
LIA对外面	33, 37	PCBZ	20000
LIA靠星体面	35, 39	ITO	20000
探测器镜头	40—42	ITO	20000

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表 2 等离子体环境参数

Table 2. Parameters of various plasma environment.

等离子体环境		离子密度	电子密度	离子温度	电子温度
等离子体环境		cm^–3	cm^–3	eV	eV
磁尾瓣		0.1	0.1	540	180
太阳风		8.7	8.7	12	10
GEO极端恶劣	成分1	0.6	0.2	2000	4000
GEO极端恶劣	成分2	1.3	1.2	28000	27500

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