在太空中，沒有保護(hù)航天器免受輻射的大氣層。輻射產(chǎn)生的電荷無法消散，因?yàn)楹教炱鳑]有接地。因此，航天器設(shè)計(jì)必須適當(dāng)?shù)販p輕航天器表面和內(nèi)部組件的電荷積累和耗散。

圖 1：人類太空艙在地球靜止軌道 (GEO) 環(huán)境中的 EMA3D Charge 充電模擬

當(dāng)電荷積累時(shí)，它會(huì)感應(yīng)電場(chǎng)。電場(chǎng)的強(qiáng)度可能超過空氣、塑料或電介質(zhì)的擊穿極限并導(dǎo)致靜電放電 (ESD)。放電造成的損害可能導(dǎo)致任務(wù)完全失敗。

ADEOS-II——一項(xiàng)耗資 5.67 億美元的任務(wù)——于 2003 年 10 月因太陽能電池陣列中的電弧危害而失敗。而這次失敗并非孤立事件。大約50%的空間環(huán)境航天器異常是由航天器充電效應(yīng)引起的。1

圖 2：航天器充電中涉及的物理過程的概念圖。

NASA 和 ESA 制定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以先發(fā)制人地緩解這些航天器充電問題。對(duì)于私營(yíng)部門而言，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)可能既昂貴又耗時(shí)。突破設(shè)計(jì)極限需要精確的充電仿真工具，例如 Ansys EMA3D Charge。

表面充電

圖 4：上圖是人類太空艙表面充電模擬的結(jié)果。在航天器周圍的 3D 時(shí)域中監(jiān)測(cè)電場(chǎng)。下面是太陽光照對(duì)月球著陸器高分辨率網(wǎng)格的影響。 

表面充電來自材料對(duì)外部輻射的反應(yīng)，例如環(huán)境帶電粒子、光照明和摩擦起電。材料對(duì)充電效應(yīng)的響應(yīng)取決于材料的特性。產(chǎn)生的光電子、二次電子、背散射電子和質(zhì)子誘導(dǎo)電子與電場(chǎng)相互作用形成等離子體鞘層。在某些航天器軌道環(huán)境中，等離子體的表面電勢(shì)可能超過 10 kV。通過求解電荷平衡，EMA3D Charge 提供了分析航天器表面電荷的方法。

在前往月球的途中，航天器將根據(jù)其轉(zhuǎn)移軌道遇到不同規(guī)模的表面充電效應(yīng)。地球靜止軌道 (GEO)、低地球軌道 (LEO)、極地軌道、極光軌道和月球軌道都將具有設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同等離子體環(huán)境。幾何形狀、陰影和材料特性，以及等離子體特性或摩擦起電振幅，都會(huì)對(duì)航天器表面積累的電荷產(chǎn)生影響。使用高保真網(wǎng)格，您不必從模型中遺漏重要細(xì)節(jié)。月球著陸器和人類太空艙的圓形窗口、傳感器、天線和推進(jìn)器都可以足夠保真地嚙合，以精確隔離 ESD 關(guān)注的區(qū)域。

內(nèi)部充電

圖 5：上圖，高能電子照射在屏蔽針連接器上。當(dāng)電子與建筑材料相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射粒子和二次光子。下面，引腳周圍的電介質(zhì)中的電場(chǎng)達(dá)到了接近典型絕緣體的介電強(qiáng)度的水平。 

內(nèi)部介電充電是來自太陽的帶電粒子（和高能光子）與航天器主體材料相互作用的結(jié)果。這些粒子可能會(huì)被太陽耀斑或地球磁場(chǎng)加速，例如在范艾倫帶或兩極附近。這些粒子沉積的電荷會(huì)產(chǎn)生可導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)。通過對(duì)電荷沉積速率和幅度進(jìn)行建模，工程師可以改進(jìn)他們的輻射硬化設(shè)計(jì)、估計(jì) ESD 風(fēng)險(xiǎn)并模擬電子設(shè)備上的感應(yīng)電流。

在帶電粒子的能量高到足以導(dǎo)致深度電介質(zhì)充電的等離子體環(huán)境中，EMC 工程師必須關(guān)注敏感組件（例如太陽能電池、傳感器和裸露的電纜或連接器）內(nèi)電荷積累的風(fēng)險(xiǎn)。為了評(píng)估電介質(zhì)中的 ESD 風(fēng)險(xiǎn)，EMA3D Charge 將 3D 粒子傳輸工具與在時(shí)域中求解的電磁學(xué)全波有限元法 (FEM) 解決方案相結(jié)合。通過這種方法，工程師可以監(jiān)測(cè)粒子與散裝材料相互作用引起的電勢(shì)、電場(chǎng)、電荷和電流。粒子可以入射到各種幾何配置上，它們的能譜可以是時(shí)間相關(guān)的，并且可以一次模擬多種類型的粒子。為了解決作為示例提供的應(yīng)用程序，EMA3D Charge 改進(jìn)了網(wǎng)格算法（例如擠壓），以確保在模擬大量薄層或具有復(fù)雜屏蔽設(shè)計(jì)的長(zhǎng)電纜時(shí)具有適當(dāng)?shù)谋Ｕ娑?。需要?duì) 1-mil厚層中的電場(chǎng)進(jìn)行高分辨率模擬，以隔離存在 ESD 風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵區(qū)域。

固體介質(zhì)擊穿

圖 6：連接到地平面的金屬鉚釘放置在玻璃電介質(zhì)中。高能電子沉積在玻璃的頂部，圖像電荷在鉚釘?shù)募舛朔e聚。產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)到足以擊穿玻璃。

如果系統(tǒng)中電荷過多，則產(chǎn)生的電場(chǎng)將超過介質(zhì)的擊穿閾值。從航天器到等離子體，從一個(gè)導(dǎo)體到另一個(gè)導(dǎo)體穿過等離子體、空氣或直接在電介質(zhì)/絕緣體內(nèi)部發(fā)生放電。更糟糕的是，如果航天器接地不良，這些放電會(huì)導(dǎo)致二次電弧，并可能發(fā)生類似于 ADEOS-II 的情況。此外，ESD 會(huì)發(fā)出電磁輻射，這可能會(huì)損壞通信系統(tǒng)。例如，連接到敏感電子設(shè)備的電纜中積累的過多電荷可能會(huì)產(chǎn)生電流，從而損壞儀器。在某些情況下，由于設(shè)計(jì)限制，您將不得不接受航天器中最少量的初級(jí)電弧。在其他情況下，為了模擬電介質(zhì)擊穿（發(fā)生在納秒時(shí)間尺度的過程），EMA3D Charge 利用全波電磁求解器和隨機(jī)樹模型計(jì)算擊穿概率作為電場(chǎng)、材料的介電強(qiáng)度和耦合的函數(shù)相鄰節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。該概率分布在每個(gè)時(shí)間步和用于該問題的 FEM 網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行評(píng)估。 

圖 7：上圖是太陽能電池片擊穿的模型設(shè)置，其中每個(gè)電池都施加了偏置電壓并具有材料特性。來自地球同步 (GEO) 環(huán)境的電子從頂部以平面幾何形狀發(fā)光。下面是太陽能電池介電擊穿造成的真實(shí)損壞圖像。 

作為這種模擬能力的演示，圖 7 中的太陽能電池試片非常適合舉例說明與太空太陽能電池板充電相關(guān)的問題。四個(gè)太陽能電池放置在導(dǎo)電背襯上，每個(gè)都分配有不同的偏壓。每個(gè)電池的底部和頂部都有一層薄薄的粘合劑層。玻璃基板放置在電池頂部以提供電氣和機(jī)械保護(hù)。在 GEO 中，高能電子將沉積在基板頂部，圖像電荷將在太陽能電池上形成。在此設(shè)計(jì)中，電池的幾何形狀增強(qiáng)了由此產(chǎn)生的電場(chǎng)，結(jié)果證明它足夠高，足以使玻璃發(fā)生介電擊穿。 

使用 EMA3D Charge，全波電磁求解器和 3D 粒子傳輸在同一個(gè) FEM 網(wǎng)格上共同模擬。在這種高輻射環(huán)境中經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，電場(chǎng)超過了玻璃的擊穿強(qiáng)度，隨機(jī)樹模型被激活以模擬擊穿過程。

圖 8：頂部是平均電場(chǎng)和總電荷隨時(shí)間變化的線圖。中間是 700 個(gè)時(shí)間步后電場(chǎng)的 3D 彩色圖。底部是玻璃中電荷密度的 3D 圖。

圖 8 中顯示的結(jié)果快照展示了模型的電弧損壞。當(dāng)平均電場(chǎng)達(dá)到 3x10 6時(shí)，放電首先發(fā)生在電池的邊緣伏/米。高導(dǎo)電性電弧通道會(huì)耗散任何進(jìn)一步沉積的電荷。隨著時(shí)間的推移，擊穿后電導(dǎo)率超過玻璃電導(dǎo)率，導(dǎo)致較低的電場(chǎng)平衡。電荷密度圖顯示了由于入射電子而產(chǎn)生的負(fù)電荷層。正圖像電荷形成在電池和底部基板的邊緣，而負(fù)電荷形成在粘合劑的頂部。這導(dǎo)致電池邊緣的電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致多個(gè)同時(shí)擊穿。隨著擊穿的發(fā)生，它們會(huì)消散高能電子等離子體沉積的空間電荷，從而緩慢降低模型中的總電荷。通過查看放電前后能量和電荷的變化，我們可以計(jì)算出它們的平均值。平均電荷為 117 nC，平均能量為19mJ.

為解決上述應(yīng)用，Ansys EMA3D Charge 利用多個(gè)能夠進(jìn)行協(xié)同仿真的物理求解器：表面電荷平衡求解器、電磁學(xué)的全波 FEM 解決方案和 3D 粒子傳輸工具。Ansys EMA3D Charge 提供了一種準(zhǔn)確詳細(xì)地模擬各種儀器、材料和軌道目標(biāo)的電荷積累和耗散的方法，可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開發(fā)更強(qiáng)大的空間平臺(tái)，并最大限度地提高這些昂貴項(xiàng)目的長(zhǎng)期成功概率.

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1. “空間環(huán)境對(duì)空間系統(tǒng)的影響”，HC Koons、JE Mazur、RS Selesnick、JB Blake、JF Fennell、JL Roeder 和 PC Anderson；空間與環(huán)境技術(shù)中心技術(shù)運(yùn)營(yíng)；1999 年 7 月 20 日

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