空间介质材料的内部充电特性数值模拟
发布时间：2021-12-02 09:49
随着航空航天事业的发展以及B5G/6G技术的布局,航天器的辐射防护和卫星的稳定运行已经成为国家战略需求和世界空间科学技术的重大问题。空间介质内部充电效应引起的卫星故障事件已成为航天器防护领域的重要问题,直接影响卫星的稳定性和寿命。近年来,蒙特卡洛粒子输运方法被运用于空间辐射环境效应的评估中,相比早期使用的经验模型能更好地描述粒子输运过程中的复杂物理机制,目前已经成为一种有效的内部充电效应仿真手段。本文使用蒙特卡洛软件Geant4模拟粒子辐照过程,并结合辐致电导率（RIC）理论模型对空间介质内部充电问题进行研究。本文讨论了简单几何模型接地方式、常用空间材料和温度效应对空间介质内部的宏观电场变化和微观电荷迁移过程的影响,同时模拟了空间电子环境辐照情况下介质电场变化。研究结果如下:（1）Geant4-RIC方法研究内部充电过程是可行的,经验证在分布趋势和数量级方面都可以给出较好的预测效果;（2）在单能电子辐照芯部接地圆柱模型的研究中,辐照区域容易因辐致电导率影响而出现电场先减小后增大的“突起型”分布;（3）在单能电子辐照不同材料（ETFE、PTFE、FR-4、PI和PE）背面接地平板模型的研...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航天器空间环境效应故障比例
兰州大学硕士学位论文空间介质材料内部充电特性数值模拟7第二章空间介质深层充电的计算方法本章主要讨论了高能辐照电子在介质内部沉积所导致的内部充电效应的物理机制和计算方法。内部充电（InternalCharging）效应，是指能量为MeV量级或更高的电子和离子穿过外部屏蔽材料，并在航天器内部部件的电介质材料中沉积电荷，建立电场的过程。由于粒子往往穿过介质材料并在深层沉积，又被称为介质深层充电（DeepDielectricCharging）效应，也有其他的文献将其称为体充电或是浸入充电。究其主要产生原因，是电荷在电介质中的迁移率较小，很难进行有效泄放。随着空间辐照时间增长，内部场强和电荷密度会逐渐增加，当内部场强超过材料击穿阈值时，就会发生材料的iESD现象（如图2-1[31]），产生电磁脉冲和电弧放电，造成航天器内部组件信号干扰和材料的微观损伤；暴露在空间环境中的时间越长，iESD风险越大。换言之，内部充电过程的基本物理过程也就是高能带电粒子在电介质材料中不断沉积与内部产生的泄放电流二者之间的动态变化过程。目前有很多计算方法模拟介质深层充电效应，按照其物理机制本章将分为电子在介质中的输运、沉积和介质内部电场建立两个过程对相关计算方法进行介绍，同时简单介绍下目前使用范围较广的内部充电效应软件。图2-1有机玻璃中的放电现象[31]
兰州大学硕士学位论文空间介质材料内部充电特性数值模拟9图2-2电子输运沉积分布的经验公式计算（实线）与蒙特卡洛模拟（圆点）结果比较[35]在内部充电效应研究早期，研究人员由于计算机能力限制而往往采用经验公式进行计算，与蒙特卡洛方法相比，其优点是形式简单、使用方便、效率高，避免了蒙特卡洛方法中的冗余计算和概率性误差。2.1.2蒙特卡洛方法蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）方法，也叫蒙特卡罗方法，以世界赌城之名（CasinodeMonteCarlo）为名，是一种广泛应用于数学、物理、经济、工程、医学等多种领域的计算方法。它主要依靠随机重复抽样和统计学来计算物理或数学模型的近似数值，其思想核心是统计大量随机性事件来确定原则上的可能性问题，因此也叫统计模拟方法。由于计算机硬件设备和软件技术的更新换代大幅度缩减了计算时间，蒙特卡洛方法得到重视，在粒子输运问题的领域被广泛应用[36]。电子的输运模拟可以通过MC方法抽样计算高能电子与材料相互作用过程，统计材料内部的电荷输运及沉积过程的相关物理量。MC方法按照以下三个部分解决问题，如图2-3：（1）根据需要解决的物理问题确定数学方法和发生概率（能谱抽样、物理过程抽样和相互作用原子抽样等）；（2）根据各种情况的概率进行相应的抽样模拟，得到取样结果；（3）对取样结果进行统计分析或判断，使数学解和物理模型要求相匹配。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电荷守恒定律的航天器内带电三维仿真简化模型[J]. 原青云,孙永卫,张希军. 物理学报. 2019(19)
[2]多层隔热材料影响下在轨卫星温度场计算[J]. 张翔,王耀霆,李兵. 中国科技论文. 2018(04)
[3]地球同步轨道卫星在轨异常与空间环境相关性分析[J]. 常峥,王咏梅,田天,潘业欣. 宇航学报. 2017(04)
[4]星用介质材料深层充电效应仿真分析[J]. 安恒,薛玉雄,杨生胜,庄凯,秦秀波,王俊. 核技术. 2016(12)
[5]考虑温度梯度的卫星外露介质深层充电[J]. 王松,唐小金,孙永卫,武占成,易忠. 高电压技术. 2016(05)
[6]聚酰亚胺电导率随温度和电场强度的变化规律[J]. 王松,武占成,唐小金,孙永卫,易忠. 物理学报. 2016(02)
[7]载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究[J]. 李志杰,果琳丽. 航天返回与遥感. 2015(02)
[8]卫星电缆网内部充电效应仿真分析[J]. 孙建军,张振龙,梁伟,岳赟,杨涛,韩建伟. 航天器环境工程. 2014(02)
[9]多层隔热材料飞行试验研究综述[J]. 石进峰,吴清文,陈立恒,杨献伟. 中国光学. 2013(04)
[10]地球同步轨道高能电子通量预报方法研究[J]. 郭策,薛炳森,林兆祥. 空间科学学报. 2013(04)
博士论文
[1]典型结构的深层充放电规律及放电干扰影响研究[D]. 郑汉生.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2017
[2]低轨道航空器辐射环境和表面充电效应研究[D]. 师立勤.中国科学技术大学 2011
[3]介质深层带电数值模拟与应用研究[D]. 秦晓刚.兰州大学 2010
[4]航天器介质深层充放电特征及其影响[D]. 全荣辉.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2009
硕士论文
[1]航天器介质材料深层充放电效应模拟分析研究[D]. 强鹏.南京航空航天大学 2015
[2]基于GEANT4的航天器介质抗内带电数值模拟[D]. 唐夫乐.山东大学 2013
本文编号：3528195
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航天器空间环境效应故障比例
兰州大学硕士学位论文空间介质材料内部充电特性数值模拟7第二章空间介质深层充电的计算方法本章主要讨论了高能辐照电子在介质内部沉积所导致的内部充电效应的物理机制和计算方法。内部充电（InternalCharging）效应，是指能量为MeV量级或更高的电子和离子穿过外部屏蔽材料，并在航天器内部部件的电介质材料中沉积电荷，建立电场的过程。由于粒子往往穿过介质材料并在深层沉积，又被称为介质深层充电（DeepDielectricCharging）效应，也有其他的文献将其称为体充电或是浸入充电。究其主要产生原因，是电荷在电介质中的迁移率较小，很难进行有效泄放。随着空间辐照时间增长，内部场强和电荷密度会逐渐增加，当内部场强超过材料击穿阈值时，就会发生材料的iESD现象（如图2-1[31]），产生电磁脉冲和电弧放电，造成航天器内部组件信号干扰和材料的微观损伤；暴露在空间环境中的时间越长，iESD风险越大。换言之，内部充电过程的基本物理过程也就是高能带电粒子在电介质材料中不断沉积与内部产生的泄放电流二者之间的动态变化过程。目前有很多计算方法模拟介质深层充电效应，按照其物理机制本章将分为电子在介质中的输运、沉积和介质内部电场建立两个过程对相关计算方法进行介绍，同时简单介绍下目前使用范围较广的内部充电效应软件。图2-1有机玻璃中的放电现象[31]
兰州大学硕士学位论文空间介质材料内部充电特性数值模拟9图2-2电子输运沉积分布的经验公式计算（实线）与蒙特卡洛模拟（圆点）结果比较[35]在内部充电效应研究早期，研究人员由于计算机能力限制而往往采用经验公式进行计算，与蒙特卡洛方法相比，其优点是形式简单、使用方便、效率高，避免了蒙特卡洛方法中的冗余计算和概率性误差。2.1.2蒙特卡洛方法蒙特卡洛（MonteCarlo，MC）方法，也叫蒙特卡罗方法，以世界赌城之名（CasinodeMonteCarlo）为名，是一种广泛应用于数学、物理、经济、工程、医学等多种领域的计算方法。它主要依靠随机重复抽样和统计学来计算物理或数学模型的近似数值，其思想核心是统计大量随机性事件来确定原则上的可能性问题，因此也叫统计模拟方法。由于计算机硬件设备和软件技术的更新换代大幅度缩减了计算时间，蒙特卡洛方法得到重视，在粒子输运问题的领域被广泛应用[36]。电子的输运模拟可以通过MC方法抽样计算高能电子与材料相互作用过程，统计材料内部的电荷输运及沉积过程的相关物理量。MC方法按照以下三个部分解决问题，如图2-3：（1）根据需要解决的物理问题确定数学方法和发生概率（能谱抽样、物理过程抽样和相互作用原子抽样等）；（2）根据各种情况的概率进行相应的抽样模拟，得到取样结果；（3）对取样结果进行统计分析或判断，使数学解和物理模型要求相匹配。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电荷守恒定律的航天器内带电三维仿真简化模型[J]. 原青云,孙永卫,张希军. 物理学报. 2019(19)
[2]多层隔热材料影响下在轨卫星温度场计算[J]. 张翔,王耀霆,李兵. 中国科技论文. 2018(04)
[3]地球同步轨道卫星在轨异常与空间环境相关性分析[J]. 常峥,王咏梅,田天,潘业欣. 宇航学报. 2017(04)
[4]星用介质材料深层充电效应仿真分析[J]. 安恒,薛玉雄,杨生胜,庄凯,秦秀波,王俊. 核技术. 2016(12)
[5]考虑温度梯度的卫星外露介质深层充电[J]. 王松,唐小金,孙永卫,武占成,易忠. 高电压技术. 2016(05)
[6]聚酰亚胺电导率随温度和电场强度的变化规律[J]. 王松,武占成,唐小金,孙永卫,易忠. 物理学报. 2016(02)
[7]载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究[J]. 李志杰,果琳丽. 航天返回与遥感. 2015(02)
[8]卫星电缆网内部充电效应仿真分析[J]. 孙建军,张振龙,梁伟,岳赟,杨涛,韩建伟. 航天器环境工程. 2014(02)
[9]多层隔热材料飞行试验研究综述[J]. 石进峰,吴清文,陈立恒,杨献伟. 中国光学. 2013(04)
[10]地球同步轨道高能电子通量预报方法研究[J]. 郭策,薛炳森,林兆祥. 空间科学学报. 2013(04)
博士论文
[1]典型结构的深层充放电规律及放电干扰影响研究[D]. 郑汉生.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2017
[2]低轨道航空器辐射环境和表面充电效应研究[D]. 师立勤.中国科学技术大学 2011
[3]介质深层带电数值模拟与应用研究[D]. 秦晓刚.兰州大学 2010
[4]航天器介质深层充放电特征及其影响[D]. 全荣辉.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2009
硕士论文
[1]航天器介质材料深层充放电效应模拟分析研究[D]. 强鹏.南京航空航天大学 2015
[2]基于GEANT4的航天器介质抗内带电数值模拟[D]. 唐夫乐.山东大学 2013
本文编号：3528195
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