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SMILE卫星的表面充电效应

许亮亮 蔡明辉 杨涛 韩建伟

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SMILE卫星的表面充电效应

许亮亮, 蔡明辉, 杨涛, 韩建伟

Surface charging effect of the satellite SMILE

Xu Liang-Liang, Cai Ming-Hui, Yang Tao, Han Jian-Wei
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  • 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.
    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.
      通信作者: 蔡明辉, caiminghui@nssc.ac.cn
      Corresponding author: Cai Ming-Hui, caiminghui@nssc.ac.cn
    [1]

    Ferguson D 1993 31st Aerospace Sciences Meeting Reno, NV, USA, January 11–14, 1993 p705

    [2]

    王立 1995 真空与低温 1 2

    Wang L 1995 Vac. Cryogenics 1 2

    [3]

    王立, 秦晓刚 2002 真空与低温 8 2

    Wang L, Qin X G 2002 Vac. Cryogenics 8 2

    [4]

    Ch J Mateo-Velez, Sarrail H P, Roussel J F 2010 Technical Manual of SPIS Final Report FR 10/14511 DESP

    [5]

    Whipple E C, Krinsky I S, Torbert R B, Olsen R C 1983 Spacecraft Plasma Interactions and Their Influence on Field and Particle Measurements, Proceedings of the 17th ESLAB Symposium Noordwijk, The Netherlands, September 13–16, 1983 p35

    [6]

    Reasoner D L, Lennartsson W, Chappell C R 1976 Spacecraft Charging by Magnetospheric Plasmas 47 89

    [7]

    庞永江 2001 硕士学位论文 (北京: 中国科学院)

    Pang Y J 2001 M. S. Thesis (Beijing: Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)

    [8]

    田立成, 石红, 李娟, 张天平 2012 航天器环境工程 29 2

    Tian L C, Shi H, Li J, Zhang T P 2012 Spacecraft Environ. Eng. 29 2

    [9]

    杨昉, 师立勤, 刘四清, 龚建村 2011 空间科学学报 31 4

    Yang F, Shi L Q, Liu S Q, Gong J C 2011 Chin. J. Spac. Sci. 31 4

    [10]

    Schmidt R, Arends H, Pedersen A, Rüdenauer F, Fehringer M, Narheim B T, Svenes R, Kvernsveen K, Tsuruda K, Mukai T, Hayakawa H, Nakamura H M 1995 JGR: Space Physics 100 A9

    [11]

    Riedler W, Torkar K, Rüdenauer F, Fehringer M, Pedersen A, Schmidt R, Grard J L, Arends H, Narheim B T, Troim J, Torbert R, Olsen R C, Whipple E, Goldstein R, Valavanoglou N, Zhao H 1997 The Cluster and Phoenix Missions 79 271

    [12]

    Pedersen A, Chapell C R, Knott K, Olsen R C 1983 Spacecraft Plasma Interactions and Their Influence on Field and Particle Measurements, Proceedings of the 17th ESLAB Symposium ESA SP-198 Noordwijk, The Netherlands, September 13–16, 1983 p185

    [13]

    张国荣, 柯建新, 许滨 2014 计算机仿真 9 38Google Scholar

    Zhang G R, Ke J X, Xu B 2014 Comput. Simul. 9 38Google Scholar

    [14]

    原青云, 孙永卫 2015 河北师范大学学报: 自然科学版 1 38

    Yuan Q Y, Sun Y W 2015 J. Hebei Normal Univ.: Nat. Sci. Ed. 1 38

    [15]

    杨集, 陈贤祥, 夏善红 2007 微纳电子技术 44 7Google Scholar

    Yang J, Chen X X, Xia S H 2007 Micronanoelectronic Technol. 44 7Google Scholar

    [16]

    姜春华, 赵正予 2008 航天器环境工程 25 2

    Jiang C H, Zhao Z Y 2008 Spacecraft Environ. Eng. 25 2

    [17]

    顾超超, 陈晓宁, 林楚 2017 微型机与应用 36 11

    Gu C C, Chen X N, Lin C 2017 Microcomputer & Its Applications 36 11

    [18]

    朱基聪, 方美华, 武明志, 田鹏宇, 费涛 2018 真空科学与技术学报 38 6

    Zhu J C, Fang M H, Wu M Z, Tian P Y, Fei T 2018 Chin. J. Vac. Technol. 38 6

    [19]

    Ferro O J, Hess S, Seran E, Denis P 2018 IEEE Trans. Plasma Sci. 46 3Google Scholar

    [20]

    Galgani G, Antonelli M, Bandinelli M, Scione E, Scorzafaval E Esa Workshop on Aerospace Emc. IEEE Valencia, Spain, May 23–25, 2016 p89

    [21]

    陈益峰, 杨生胜, 李得天, 秦晓刚, 王俊, 柳青 2015 原子能科学技术 49 1673Google Scholar

    Chen Y F, Yang S S, Li D T, Qin X G, Wang J, Liu Q 2015 Atom. Energ. Sci. Technol. 49 1673Google Scholar

    [22]

    Kuznetsova I A, Hessb S L G, Zakharova A V, Ciprianic F, Serand E, Popela S I, Lisine E A, Petrove O F, Dolnikova G G, Lyasha A A, Kopnina K I 2018 Planet. Space Sci. 156 62Google Scholar

    [23]

    赵呈选, 李得天, 杨生胜, 秦晓刚, 王俊 2017 高电压技术 43 1438

    Zhao C X, Li D T, Yang S S, Qin X G, Wang J 2017 High Voltage Eng. 43 1438

    [24]

    毕嘉眙, 李磊 2018 空间科学学报 38 909Google Scholar

    Bi J Y, Li L 2018 Chin. J. Space Sci. 38 909Google Scholar

    [25]

    朱基聪, 方美华, 全荣辉, 田鹏宇, 梁尔涛 2018 南京航空航天大学学报 50 422

    Zhu J C, Fang M H, Quan R H, Tian P Y, Liang E T 2018 J. Nanjing Univ. Aeronaut. Astronautics 50 422

    [26]

    Garrett H B 1981 Rev. Geophys. Space Phys. 19 4

    [27]

    Smith H M, Langmuir I 1926 Phys. Rev. 28 4

    [28]

    Bernstein I B, Rabinowitz I 1959 Phys. Fluids 2 2

    [29]

    Laframboise J G 1966 University of Toronto, Institute for Aerospace Studies, UTIAS Report No. 100

    [30]

    Chen F F 1965 Plasma Phys. 7 1

    [31]

    买胜利, 王立, 李凯, 秦晓刚 2006 真空与低温 12 2

    Mai S L, Wang L, Li K, Qin X G 2006 Vac. Cryogenics 12 2

    [32]

    王思展 2019 科技与创新 8 14

    Wang S Z 2019 Sci. Technol. Innov. 8 14

    [33]

    王思展, 黄建国, 姜利祥, 王军伟 2019 环境技术 4 18

    Wang S Z, Huang J G, Jiang L X, Wang J W 2019 Environ. Technol. 4 18

    [34]

    陈益峰, 杨生胜, 李得天, 秦晓刚, 史亮, 冯娜 2014 现代应用物理 5 3

    Chen Y F, Yang S S, Li D T, Qin X G, Shi L, Feng N 2014 Mod. Appl. Phys. 5 3

    [35]

    杨集, 陈贤祥, 周杰, 夏善红 2010 宇航学报 31 531Google Scholar

    Yang J, Chen X X, Zhou J, Xia S H 2010 J. Astronautics 31 531Google Scholar

  • 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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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)0ITO
    载荷仓1—5ITO20000
    伸杆天线6KAPT20000
    推进器7—10ITO20000
    太阳电池下表面11, 12CFRP37500
    太阳电池上表面13, 14ITO20000
    +X面测控天线顶端15, 17PCBZ20000
    +X面测控天线底端16, 18ITO20000
    星敏19—21ITO20000
    推进舱+X面探测器22AL20000
    推进舱-X面探测器23AL20000
    散热板对内面24, 26, 28ITO20000
    散热板对外面25, 27, 29PCBZ20000
    -X面测控天线30, 31PCBZ20000
    LIA安装面、测量面32, 34, 36, 38AL20000
    LIA对外面33, 37PCBZ20000
    LIA靠星体面35, 39ITO20000
    探测器镜头40—42ITO20000
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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
    cm–3cm–3eVeV
    磁尾瓣0.10.1540180
    太阳风8.78.71210
    GEO极端恶劣成分10.60.220004000
    成分21.31.22800027500
    下载: 导出CSV
    Baidu
  • [1]

    Ferguson D 1993 31st Aerospace Sciences Meeting Reno, NV, USA, January 11–14, 1993 p705

    [2]

    王立 1995 真空与低温 1 2

    Wang L 1995 Vac. Cryogenics 1 2

    [3]

    王立, 秦晓刚 2002 真空与低温 8 2

    Wang L, Qin X G 2002 Vac. Cryogenics 8 2

    [4]

    Ch J Mateo-Velez, Sarrail H P, Roussel J F 2010 Technical Manual of SPIS Final Report FR 10/14511 DESP

    [5]

    Whipple E C, Krinsky I S, Torbert R B, Olsen R C 1983 Spacecraft Plasma Interactions and Their Influence on Field and Particle Measurements, Proceedings of the 17th ESLAB Symposium Noordwijk, The Netherlands, September 13–16, 1983 p35

    [6]

    Reasoner D L, Lennartsson W, Chappell C R 1976 Spacecraft Charging by Magnetospheric Plasmas 47 89

    [7]

    庞永江 2001 硕士学位论文 (北京: 中国科学院)

    Pang Y J 2001 M. S. Thesis (Beijing: Chinese Academy of Sciences) (in Chinese)

    [8]

    田立成, 石红, 李娟, 张天平 2012 航天器环境工程 29 2

    Tian L C, Shi H, Li J, Zhang T P 2012 Spacecraft Environ. Eng. 29 2

    [9]

    杨昉, 师立勤, 刘四清, 龚建村 2011 空间科学学报 31 4

    Yang F, Shi L Q, Liu S Q, Gong J C 2011 Chin. J. Spac. Sci. 31 4

    [10]

    Schmidt R, Arends H, Pedersen A, Rüdenauer F, Fehringer M, Narheim B T, Svenes R, Kvernsveen K, Tsuruda K, Mukai T, Hayakawa H, Nakamura H M 1995 JGR: Space Physics 100 A9

    [11]

    Riedler W, Torkar K, Rüdenauer F, Fehringer M, Pedersen A, Schmidt R, Grard J L, Arends H, Narheim B T, Troim J, Torbert R, Olsen R C, Whipple E, Goldstein R, Valavanoglou N, Zhao H 1997 The Cluster and Phoenix Missions 79 271

    [12]

    Pedersen A, Chapell C R, Knott K, Olsen R C 1983 Spacecraft Plasma Interactions and Their Influence on Field and Particle Measurements, Proceedings of the 17th ESLAB Symposium ESA SP-198 Noordwijk, The Netherlands, September 13–16, 1983 p185

    [13]

    张国荣, 柯建新, 许滨 2014 计算机仿真 9 38Google Scholar

    Zhang G R, Ke J X, Xu B 2014 Comput. Simul. 9 38Google Scholar

    [14]

    原青云, 孙永卫 2015 河北师范大学学报: 自然科学版 1 38

    Yuan Q Y, Sun Y W 2015 J. Hebei Normal Univ.: Nat. Sci. Ed. 1 38

    [15]

    杨集, 陈贤祥, 夏善红 2007 微纳电子技术 44 7Google Scholar

    Yang J, Chen X X, Xia S H 2007 Micronanoelectronic Technol. 44 7Google Scholar

    [16]

    姜春华, 赵正予 2008 航天器环境工程 25 2

    Jiang C H, Zhao Z Y 2008 Spacecraft Environ. Eng. 25 2

    [17]

    顾超超, 陈晓宁, 林楚 2017 微型机与应用 36 11

    Gu C C, Chen X N, Lin C 2017 Microcomputer & Its Applications 36 11

    [18]

    朱基聪, 方美华, 武明志, 田鹏宇, 费涛 2018 真空科学与技术学报 38 6

    Zhu J C, Fang M H, Wu M Z, Tian P Y, Fei T 2018 Chin. J. Vac. Technol. 38 6

    [19]

    Ferro O J, Hess S, Seran E, Denis P 2018 IEEE Trans. Plasma Sci. 46 3Google Scholar

    [20]

    Galgani G, Antonelli M, Bandinelli M, Scione E, Scorzafaval E Esa Workshop on Aerospace Emc. IEEE Valencia, Spain, May 23–25, 2016 p89

    [21]

    陈益峰, 杨生胜, 李得天, 秦晓刚, 王俊, 柳青 2015 原子能科学技术 49 1673Google Scholar

    Chen Y F, Yang S S, Li D T, Qin X G, Wang J, Liu Q 2015 Atom. Energ. Sci. Technol. 49 1673Google Scholar

    [22]

    Kuznetsova I A, Hessb S L G, Zakharova A V, Ciprianic F, Serand E, Popela S I, Lisine E A, Petrove O F, Dolnikova G G, Lyasha A A, Kopnina K I 2018 Planet. Space Sci. 156 62Google Scholar

    [23]

    赵呈选, 李得天, 杨生胜, 秦晓刚, 王俊 2017 高电压技术 43 1438

    Zhao C X, Li D T, Yang S S, Qin X G, Wang J 2017 High Voltage Eng. 43 1438

    [24]

    毕嘉眙, 李磊 2018 空间科学学报 38 909Google Scholar

    Bi J Y, Li L 2018 Chin. J. Space Sci. 38 909Google Scholar

    [25]

    朱基聪, 方美华, 全荣辉, 田鹏宇, 梁尔涛 2018 南京航空航天大学学报 50 422

    Zhu J C, Fang M H, Quan R H, Tian P Y, Liang E T 2018 J. Nanjing Univ. Aeronaut. Astronautics 50 422

    [26]

    Garrett H B 1981 Rev. Geophys. Space Phys. 19 4

    [27]

    Smith H M, Langmuir I 1926 Phys. Rev. 28 4

    [28]

    Bernstein I B, Rabinowitz I 1959 Phys. Fluids 2 2

    [29]

    Laframboise J G 1966 University of Toronto, Institute for Aerospace Studies, UTIAS Report No. 100

    [30]

    Chen F F 1965 Plasma Phys. 7 1

    [31]

    买胜利, 王立, 李凯, 秦晓刚 2006 真空与低温 12 2

    Mai S L, Wang L, Li K, Qin X G 2006 Vac. Cryogenics 12 2

    [32]

    王思展 2019 科技与创新 8 14

    Wang S Z 2019 Sci. Technol. Innov. 8 14

    [33]

    王思展, 黄建国, 姜利祥, 王军伟 2019 环境技术 4 18

    Wang S Z, Huang J G, Jiang L X, Wang J W 2019 Environ. Technol. 4 18

    [34]

    陈益峰, 杨生胜, 李得天, 秦晓刚, 史亮, 冯娜 2014 现代应用物理 5 3

    Chen Y F, Yang S S, Li D T, Qin X G, Shi L, Feng N 2014 Mod. Appl. Phys. 5 3

    [35]

    杨集, 陈贤祥, 周杰, 夏善红 2010 宇航学报 31 531Google Scholar

    Yang J, Chen X X, Zhou J, Xia S H 2010 J. Astronautics 31 531Google Scholar

  • [1] 丁明松, 刘庆宗, 江涛, 傅杨奥骁, 李鹏, 梅杰. 表面烧蚀对等离子体的影响及其与电磁场相互作用.  , 2024, 73(11): 115204. doi: 10.7498/aps.73.20231733
    [2] 李向富, 朱晓禄, 蒋刚. 等离子体对电子间相互作用的屏蔽效应研究.  , 2023, 72(7): 073102. doi: 10.7498/aps.72.20222339
    [3] 赵鑫, 杨晓虎, 张国博, 马燕云, 刘彦鹏, 郁明阳. 高功率激光辐照平面靶后辐射冷却效应对等离子体成丝的影响.  , 2022, 71(23): 235202. doi: 10.7498/aps.71.20220870
    [4] 张海宝, 陈强. 非热等离子体材料表面处理及功能化研究进展.  , 2021, 70(9): 095203. doi: 10.7498/aps.70.20202233
    [5] 吉建伟, 山村和也, 邓辉. 面向单晶SiC原子级表面制造的等离子体辅助抛光技术.  , 2021, 70(6): 068102. doi: 10.7498/aps.70.20202014
    [6] 马堃, 陈展斌, 黄时中. 等离子体屏蔽效应对Ar16+基态和激发态能级的影响.  , 2019, 68(2): 023102. doi: 10.7498/aps.68.20181915
    [7] 李志刚, 程立, 袁忠才, 汪家春, 时家明. 高功率微波作用下等离子体中的雪崩效应研究.  , 2017, 66(19): 195202. doi: 10.7498/aps.66.195202
    [8] 曹鹤飞, 刘尚合, 孙永卫, 原青云. 等离子体环境非偏置固体表面带电研究.  , 2013, 62(11): 119401. doi: 10.7498/aps.62.119401
    [9] 曹鹤飞, 刘尚合, 孙永卫, 原青云. 等离子体环境下孤立导体表面充电时域特性研究.  , 2013, 62(14): 149401. doi: 10.7498/aps.62.149401
    [10] 董太源, 叶坤涛, 刘维清. 表面波等离子体源的发展现状.  , 2012, 61(14): 145202. doi: 10.7498/aps.61.145202
    [11] 高勋, 宋晓伟, 郭凯敏, 陶海岩, 林景全. 飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究.  , 2011, 60(2): 025203. doi: 10.7498/aps.60.025203
    [12] 孟 亮, 张 杰, 朱晓东, 温晓辉, 丁 芳. 热丝辅助双偏压氢等离子体制造金刚石锥状表面研究.  , 2008, 57(4): 2334-2339. doi: 10.7498/aps.57.2334
    [13] 田杨萌, 王彩霞, 姜 明, 程新路, 杨向东. 惰性物质等离子体物态方程研究.  , 2007, 56(10): 5698-5703. doi: 10.7498/aps.56.5698
    [14] 赵国伟, 王之江, 徐跃民, 粱志伟, 徐 杰. 射频激励等离子体非线性效应的FDTD数值模拟.  , 2007, 56(9): 5304-5308. doi: 10.7498/aps.56.5304
    [15] 安治永, 李应红, 吴 云, 苏长兵, 宋慧敏. 对称等离子体激励器系统电场仿真研究.  , 2007, 56(8): 4778-4784. doi: 10.7498/aps.56.4778
    [16] 杨杭生. 等离子体增强化学气相沉积法制备立方氮化硼薄膜过程中的表面生长机理.  , 2006, 55(8): 4238-4246. doi: 10.7498/aps.55.4238
    [17] 张 丽, 李向东, 蒋新革. 等离子体效应对类氦氖Kα线系电偶极辐射的影响.  , 2006, 55(9): 4501-4505. doi: 10.7498/aps.55.4501
    [18] 刘少斌, 朱传喜, 袁乃昌. 等离子体光子晶体的FDTD分析.  , 2005, 54(6): 2804-2808. doi: 10.7498/aps.54.2804
    [19] 牟宗信, 李国卿, 秦福文, 黄开玉, 车德良. 非平衡磁控溅射系统离子束流磁镜效应模型.  , 2005, 54(3): 1378-1384. doi: 10.7498/aps.54.1378
    [20] 邱华檀, 王友年, 马腾才. 碰撞效应对入射到射频偏压电极上离子能量分布和角度分布的影响.  , 2002, 51(6): 1332-1337. doi: 10.7498/aps.51.1332
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-07
  • 修回日期:  2020-05-20
  • 上网日期:  2020-05-25
  • 刊出日期:  2020-08-20

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