（航空宇航科学与技术专业论文）大幅照面电子枪模拟空间地磁亚暴环境的方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学蘸士学位论文 摘要 空间带电环境是影响空闯飞行器在轨安全的熏要环境因素。在窑闻充藏毫效 皮地面模拟试验研究中，作为模拟源的发散型电子枪的设计和应用是研究难点之 一。本论文的主要研究内容是犬辐照蕊电子枪的设计和调试分析。 第一章主要介绍研究背景、国内外研究现状，并在此基础上提出论文工侔总 体思路。 第二章分缓了空间：魄磁亚暴联境及其弓l 起的航天器表题充放电效暾和危害。 第三章从大撂照嚣电子枪仿真计算豹原理、算法、设计模型入手，给出经过 大量计算并分析优选方案后的计算结果，探讨电子枪电参数帮几何参数变化对其 性能的影响，从而提出设计参考。 第四章内容为大幅照面电予枪设计，包括热阴极材料的选择和结构设计。结 合上一章仿真的结果，比较不同方案从中优选，确定了电子枪结构。对设计影响 因素进霉亍了讨论，并简要介绍了电源系统。 第五章电予枪初步调试在现有的巾1 2 m 真空设备上进行。按顺序进行了阴 耐压谖试、发射毫漉调试和靶面柬流均匀性调试，本章重点分析7 影昀发射稳定 性和柬流均匀性的因素。调试缩采为进行电子枪在大型遥磁豫暴试验装置中的调 试奠定了基础。 第六章介绍电予枪在大塑地磁亚暴试验装鬣中整体调试的柬流测试方案、高 压引线及电极的设计，制定了具体的调试步骤。 结束语总结了论文工作创新点，并提出下一步工作建议。 生题词：发散型电子枪地磁眶暴空间充放电 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1 地磁亚暴时g e o 平均等离子体环境8 表2 。2 地磁亚暴时g e o 最恶劣等离子体环境8 表2 3 最恶劣等离子体环境2 m a x w e l l i a l l 分布拟会参数t 1 9 表4 1 常用纯金属阴极的有关物理参数2 8 表5 i 灯丝电压、电流及高压对柬流不均匀骸的影响( 钨熊) 3 9 表5 2 灯丝电压、电流对束流不均匀性的影响( 铈钨丝) 4 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图嗣录 图2 1 电子能量达k e v 至数十k e v 的两个等离子体送域位置。6 。 图3 1 电子枪仿真计算程序框图1 4 黧3 。2 五点差分格式示意图。1 5 圈3 3 一般轴翔边爨点1 6 溺3 毒一般径自边界点。1 6 图3 5 阴极附近的边界点1 7 图3 6 小平板二极管1 9 图3 7 职点公式符号示意圈。2 l 图3 8 九点公式符号示意图2 2 图3 9 大辐照嚣毫子枪优选结构尺寸2 3 圈3 1 0 不同栅压下三极管内电位分布和电予运动孰迹图2 6 圈4 1 铈钨丝阴极照片。2 9 图4 2 大辐照面电子枪设计总图3 0 圈4 _ 3 大辐照面电子枪阴糖组件图3 0 图4 4 旗子枪电源主髓路图3 2 图5 1 真空室照片3 3 图5 2 阻撅、掇极、j 灯丝电压输出关系。3 4 图5 1 3 饱和电流与阴檄混度灼关系曲线3 5 图5 。4 骝缀电流密度与阳极电压的关系3 6 圈5 5 溯试法拉第杯图3 8 图5 6 靶面法拉第杯布置示意图3 9 图6 1 大型空间地磁亚暴模拟试验系统示意图4 2 图6 2 大型地磁亚暴试验装置的主结构示意图4 2 第v 页 独创憔声明 本人声明所星交的学位论文是我奉人在导师稽导下进行的研究工作及取得静研究成果。尽我所知 除了文中特捌加以标注和致谢的地方处，论文孛不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含 为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书面使用遭的材料。与我一耐工作的同志对本研究 所傲的任何贡献均已在论文中作了胡确的说明并表示谢意。 学位论文题赣： 太整毽耍量量捡攫型空翅地鲎涎蔓塑撼塑壅攮爨壅 学位论文作者签名： 日期：乃毋，麓2 1 5 器 学位论文版权使用授权书 本人完全了解藩防科学技术大学衣关保馨、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可 以保整并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅静借阔；可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库避行检索，可以采蠲影帮、缩印或翔描簿囊制手段保存、汇编学位 论文 ( 保密学位论文在解密后适罔本授权书。) 学位论文题筐 学位论文作者 储黼教黝：堑幽b 期：爱哎饵阳日 国防攀 学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章引言 空间充放电效应是影响空闻飞行器在轨安全的重要坯境因素。在空间充放电 效应她霭模拟试验研究中，作为模拟源的发散裂电子枪的设计和应用是研究难点 之一。本章主要介绍研究背景、国内外研究现状，并在此基础上提出论文总体思 路。 1 1 研究背景 麸1 9 5 7 年l o 月4 翻人类活动进入太空开始，空阅环境状态及其变化规律就 成为航天活动所关心的重要河题。柏多年来，重鼯上已发射了数百个靛天器， 昼夜不停地监视着空间环境的变化；数以干计的科学家、工程师在为保证航天器 在轨安全可靠运行而努力工作。但是，空间环境造成的航天器故障事件仍不断发 生。 空间环境主要包括真空、低瀑、太陌辐照、弱磁场、徽重力、微流基、空间 碎片、宇宙尘、太阳风、缝球辐射带、银河宇宙线、藏子氧和中性大气等l l j 。随 着窆翔技零发展，要求蛋星、导弹、宇宙飞船具有长寿会、商耪度和高可靠性。 然丽，太空带电微粒的复杂窆闯环境，对航天器造成严重威胁。国际在轨卫星的 异常报告表明，由于空间效应所造成的异常故障占总故障的4 0 ，这一故障率也 同样适合我国卫星情况。 2 0 世纪6 0 年代时。人们最为关心的环境因素集中在三个方丽【2 l ： a 来自宇宙空闻的流星体它们阻1 0 k n 漆以上的速度撞击航天器，容易 使航天嚣遭至l 破坏； b 地球辐射带存在大量豹高能带电粒子，这些粒子对航天器造成的辐 照损伤。使电子器饽性能衰退； c 高层大气它对航天器产生阻力，导致航天器逐渐陨落。 7 0 年代以后，在地球同步轨道上工作的通信卫攫接连不断地发生故障，航天 工程师们对此极感困惑。在空间环境专家的协助下，分析故障发生的时闻、地点 和当时的各种环境条件，认为致祸的冗凶跫空闻高滥等离子体。这些等离子体导 致航天器充电到数千伏甚至主万伏的高压，放电电流使航天器部件或元器l 牛损 坏，或者放电时发出电磁脉i 巾，干扰艘天器的燕常工炸。于是等离子体环境和航 天器充放电现象成为空间环境研究的主要问题。n a s a 马歇尔飞行中心对空间环 境造成的在轨1 1 3 起故障和异常分析表明，等离子体充放电与粒予辐射损伤引起 第1 页 国防科学技术火学磷究生院工学磷士学位论文 的故障占6 9 f 3 1 。 充放电分为表两充放电和内部充放惑 4 川。航天嚣运行轨道处于3 0 0 k m 褒数 万k m ，真空度l o 3 l o _ 9 p a ，该范围蠹带电粒子的通量和能量分布随高度、昼夜、 季节、纬度和太阳活动而变化，能量变化从几十到几酉万电子伏，极高能量粒子 是比较少的。暇离层( 2 0 啦! 0 0 0 l ) 等离子体和地球同步轨道( 3 6 0 0 0 k m ) 地磁 亚暴等离予体会造成航天器表面充放电效应；中高轨道的高能带电粒子造成航天 器内部充放电效应。美簪分别予1 9 8 4 、1 9 9 9 和2 0 0 3 年发布了针对不同轨道袭瑟 带毫及内带电设诗指南或手册【n 删。 空间地磁甄暴环境1 1 1 】是遮球同步孰邀卫晨在当地午夜至黎明期间经常遇到 的、能造成卫璧表题充放电故障的低能电子辐照环境，能量几十k c v 量级，一 般持续时间从几十分钟到几小时不等，发生周期一般是几小时一次，较频繁。该 环境是造成空间e s d ( e l c c 昀s t a t i cd i s c h a r i 弘，静电放电) 故障的主要环境因素。 表面充放电效应研究可通过地面试验、飞行试验、仿真等手段进行。国外尤 其美国从上世纪7 0 年代起进行过相当多沟研究。积累了大量地面试验数据，并 在魏基础上逐渐转离戳飞行试验和数值仿真为主【5 ，6 】。我国在这方瑟员 l 起步较 晚，地殛试验技术手段还不完餐，只在小型设备上进行过材料、缎传的表两充 放电初步研究【1 2 以4 】，没有开展过以大辐照面电子枪为模拟源的大部件表面充放 电效疲地面模拟试验研究，无法满足型号产品对可靠性要求不断提高的现实需 求。 我国地球同步轨道通信卫星的公用平台已发展到如今的长寿命、高可靠大平 台，它静特点是卫星表面材辩和结构复杂，各种设计和工艺缺陷在群难免。特掰 是寿命后期，由予材料导电特性退化，其表瑟充放电现象必然加重。因此进行卫 星豹地磁驻暴潮= 境试验是非常必要的。材料级地磁贬暴环境试验和缩比试验缀难 准确预计卫星产品实际带电性能，可信度较低；而通过计算来确定地磁亚暴环境 效应的难度更大，而且所需的大爨基础数据无法获得，并需要飞行试验验证。由 于试件和试验条件不同，我们不能完全照搬国外数据。因此，大型地磁豫暴环境 试验是我国茸前验证遮球同步轨道卫星能否经受她磁皿豢环境考验的最真实、最 可信、最有效和最安全静手段。 虽然空闺地磁鞭暴环境能量分布是以不同能量粒予组含出现的，国鼯现有地 磁驻暴摸拟设备大都采用单能电子枪作为模拟源。 日前，航天五院总装与环境工程部建起我国迄今为止最大的大型空间地磁亚 暴环境模拟试验系统。系统关键部分是大辐照面( 巾5 m ) 低能( 3 0 k e v ) 电子枪， 本论文工作即阐绕电子枪的设计、研制和调试分析展开，研究成果将为该试验系 统提供模拟方法技术支持。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 1 2 隧外研究现状 国外对犬型地磁豫暴环境试验非常重视，美、法、德、英、加拿大、意大稠、 瑞典、瑞士等国总共建立了数十台大鬻逸磁强暴环境试验设备，主要存【辐q 嘲： a 美国m s a 的铷易新研究中心的魂磁旺暴试验设备：建予1 9 7 4 年，容器 尺寸由1 8 m 1 8 m 长，试件尺寸可达3 0 c l n 3 懒n ，用电子枪进行电子辐怒，电 子能爨3 豫6 v ，束滚密度8 - c m 2 ，不均匀性苓大予3 0 。该设备已用予多顼 材辩与部件翡试验。 b 羡国n s a 的羽易斯研究中心的改建地磁亚暴试验设备：在原用于窀推 进试验的夺4 6 m 1 9 m 真空室t 改建，建立了两种试验装置。装置l 建予上世纪 7 0 年代宋瓣，鼹两台眩子枪进行电子辐照，能量3 阪e v ，束流密度1 砣丑剧c m 2 ， 不均匀性不大予3 0 。两台龟予枪安装在模拟室水平辅的上下，距试伟l o m 。 装置2 建予上擞纪8 0 年代初期，用圈台电子枪产生电源，暇台电子枪备对着样 箍的危，距试验样品2 m 。以上的装萋l 胡予臻究面积为2 3 2 、1 2 6 5 和5 0 5 轴1 2 祥品的带宅比例效戚，装置2 曾对s q 琢弧翟星的三分之二缩沈模型进行试验。 c 荚国飞行研究公司( m r c ) 的带窀试验设备：建于1 9 7 5 年，琴l | 糯空军武 器试验室( 删l ) 已有靛枣4 m 6 m 卧式真空室，用电子枪进行f 耘予辐照，裁 鳖3 i 5 疑v ，柬流密度乳l 踟翻2 。该设备主要研究分系统级翘系统缴竞放毫 效应，酱用于s k v n e t ( 天嘲) 重鼷鉴定模型的试验。 d 美窝瓠w 公司豹遮磁渡豢试骏设备：建予1 9 7 8 年，舆空容器尺寸由0 1 6 1 趣 l 。2 m ，试律尺寸夺2 越抛，用电子枪进行泡予辐照，缝爨2 0 妇v ，泵滤密度 l 阻1 0 0 嘶a j f 。该设备主要磷究部件级充放电效应，曾用予蕊) r s s 里星太阳 阵的试验。 e 美国j a y c o r 的地磁受器试验设备：建于为年代朱麓，在不同尺寸的寞 空室上，秘用两耱能量的电子源研究空翔环城产囊豹放电特性。台真空室尺寸 由1 3 m 1 3 m 长，另一台是空军武器试验室( a 孙职) 已有的牵4 n l 6 m 长奏空 整。小模拟室中选用两台电子枪产生电子源，低能电子枪的能量l 2 5 如v ，电流 密度o 7 7 1 3 确阳帮，均匀牲1 5 ；中能电子枪能量l 1 0 0 k e v ，电漉密度 o o l 。1 6 韭2 ( 试验使用的是o 3 巧幽妇矿) ，均匀憔7 。大模拟室中丽一螽 泡子枪与一台加速嚣产生电子源。低能毫子椽豹电子束能量是6 2 5 鼢v ，奄流密 度5 3 5 式掰2 ，翻速器的电予索能量为3 5 0 4 5 0k e v ，魄流密度1 o 一6 0 p 剐锄2 。 f 法国空闽研究与技本部( d l l 猢晤) 的撼磁亚暴试验设备：建予1 9 7 6 年， 此设备有a 、d r e _ 耜m e 王越s e 两释结构和使愆方式，其中蘸者情况为粪空容器 尺寸垂o 6 玎l o 8 m ，掰电子枪进行电子辐照，能量4 2 5 b v ，束流密度1 0 b 衄1 2 t 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 电子束经1 2 um 厚的铝箔散射后，辎照2 0 0 m m 2 0 0 恤m 的样品，不均匀性不丈 于2 0 。 萤法国国家空阗局( c 焖b s ) 的带电试验设备：建于1 9 7 8 年，剃用s l m u 璐 空间模拟设备，真空容器尺寸为巾7 m 8 9 m 高，用电子枪进行电予辐照，经厚 度为2um 的铝箔散射后在试件上得捌的能量为3 0 k e v ，束流密度1 n 锄2 ，不 均匈性不大于3 0 。该设备主要研究分系统级和系统级充放电效应，曾用于欧洲 气象卫星工程模型的试验。 h 德国航空航天研究试验院( d f 盖) 地磁弧暴试验设备：建于1 9 7 6 年， 真空容器k 寸为巾2 5 m 5 m ( 乖j 用已有的空阂模拟嚣) ，餍电子枪进行电子辐照， 加速电压最高达1 5 0 k v ，电子源能量0 6 0 k e v 可调，常用为1 5 2 5 k e v ，在1 m 2 试验平面内束流密度l 。1 0 0 n 2 ，不均匀性不大于3 0 。为了对大尺寸试样进 行试验，采用了铝箔散射，试样尺寸为1 2 锄2 6 c m 和7 0 锄7 0 c m 。该设备主 要研究组件级充放电效应，曾用于c i s 卫星太阳阵试验。 综上可知，国外这类设备通常采用把或多把单能电予枪，能量一般在 3 0 5 0k e v ，辐照面束流密度一般在n t m 2 量级，每把电子枪辐照面直径均不超 过l m 2 。对于受大尺寸试件则采用金满箔散射法或多把电子稔覆加辐照豹方法。 1 3 国内研究现状 我国从上擞纪8 0 年代初期就并展了空闯地磁亚暴表嚣宠放电地嚣模拟试 验。航天5 l o 所和原航天5 1 1 所分别建立两台有关试验装置【1 1 1 ： a 5 1 0 所由4 5 0 充放电设备：真空容器尺寸巾4 5 0 1 2 舱l i i l 长( 介质容器) ， 电子能量为0 巧隘e v ，束流密度晰o n 踟2 ，辐照黼袄由3 5 0 m m 。 b 5 1 0 所士9 0 0 中低轨道综合环境充放电设备：真空容器尺寸由9 0 0 1 6 0 0 m m 长，地磁亚暴环境电子能量为0 5 0 k e v ，束流密度0 1 2 0 删妇m 2 。 c 5 1 1 所由8 0 0 综合环境模拟试验设备：真定容器由8 0 0 x 1 2 0 0 m m 长，电子 能量5 o k e v ，束滚密度o 。l 砣0 n 锄2 ，辐照瑟积巾1 5 0 m m ，不均匀性不大予 2 0 。 d 5 1 1 所由5 0 0 充放电漠拟试验设备：真空容器尺寸由5 0 0 7 0 0 m m 长，电 予辐照能量为5 3 激e v ，辎照面积由3 0 0 恤m ，柬流密度1 一1 0 0 n 例a n 2 ，不均匀链 不大于2 5 。 中科院电子所后来建起了较大面积电子辐照模拟试验系统【1 9 】：真空容器尺 寸ml m 1 2 m 长，电子能景l 一2 5 k d v ，总束流5 蛳a 一1 0 m a ，束流密陵 l o n a 加5 乳馘秘2 ，辐照薤积l 擞2 ，辐照不均匀性不大于3 0 。 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 综上可见，我国虽然已经拥有能量、柬流和均匀性基本满足要求的一磐表面 充放电地瑟试验研究的相关设备，但由于作失其模拟源豹电子捻辐照嚣积均不大 予1 m 2 ，无法对卫星大型部组件进行试验研究。因此，进行大辐照面电予枪模 拟空间地磁亚暴环境的方法研究，将填补这一空白，可以为实际尺寸卫星产品的 袭覆充放宅地面试验提供技术支持。 1 4 研究思路 大幅照霭电子枪所模撅的环境为空闻地磁亚暴环境。箧忿，首先要了解空间 地磁囊暴环境及其效应影响，绘出大蝠照逝电子枪模拟方法的空间环境参照依 据。 接下来，戳计算机仿真计算为手段，探讨电子枪电参数和凡何参数变化对萁 墼e 能的影响，从两提出具体的参数选取范围，住为设计参考。 在此基础上，进入大幅照面电子枪方案设计。电子枪研制要综合考虑能量、 束流、均匀性、发射稳定性、使用寿命和可靠性锌因素，结合仿真的结果，比较 不露方寨从中优选。 电子枪的调试分析是论文工作相当重要的一部分。由予在论文发稿时大型地 磁亚暴试验系统刚刚建成，因此电予枪调试分析工作先在我们现有的由1 2 m 1 8 m 蕹 式真空设各上进行，待束流帮均匀性初步满避要求后再到大辇遣磁亚暴 试验系统上联调。调试目的是力求全露分折评估影响发射裘流帮靶面均匀性豹因 素，尽可能消除、减小这些影响，或对其进行修正。 器后进行整个研究过程的总结，提出下一步研究建议。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章空间地磁亚暴环境及其效应 2 1 空间地磁照暴环境 由环绕地球的等离予体为主的空间区域州磁层。地球同步轨道( 高度3 6 0 0 0 公里，以下简称e 激o ) 附近主要由等离子体的四个区域支配。 l 等离子层顶 它是低能等离子体的边缘，实质是电离层的延伸。它的特征是等离予体密度 为每立方艨米凡令粒子，等襄子体瀛度只有几电子饺特。在她磁亚暴期间，等离 子体终止屡向地球移动，g e o 失去低能等离子体成分。 2 袋子环溅 它是滋度较离的质子区域，它的密度与等离子体终止层同量级，搿温度为 柏e v 左右，这个区域几乎总怒存在予g e o 上。 3 捕获边界 捕获边界是稳定捕获带电粒子区的边缘，它捕获4 0 k e v 的电子和质子，除 剧烈的地磁活动外，g e 0 处在捕获边界内。 4 等离子体片 等离予体片由地球磁尾豹高温等禽子体缀成，磁宁静时等掰子体片在g 嚣o 以外，它的特征是粒子的滠度在几千电子伏，在地磁弧豢期间被注入到g e o 。 对于航天器带电主要考虑的是在g e o 和低离度极轨遭遇的空闻环境。闰 2 1 捌给出了这些嚣域分别相对于地球的尺寸和辐射带的位置。 豳2 t l电子能量这k e v 至数十h v 自孽两个等嵩予体嚣域位置 第6 贾 。 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 g e o 航天器处于等离予体层顶边缘，在大部分时间( 即磁宁静期) 浸没在 稀薄、较冷的外磁层等离子体环境中，环境粒子密度1 0 2 c m 。，能量1 e v 左右。 鼷发生地磁亚暴时，平均锪霪为几卡k g v 豹高能等离子体注入。与磁宁静时等 离子体的较高密度条件相反，该等离子体云密度较低，约为1 1 0 锄。3 。 魏磁亚暴是磁层内一牵争大援模的拢动，国阳蟊磁层顶枝缩，磁尾等离子体慧 变薄，等离子体片被压向地球流动。簿离子体片的内边界向地球靠拢，靠拢的速 度约为2 0 0 1 0 0 0 l c l i 妇。g e o 的高度约为6 6r e ( r e 为地球半镪) ，磁宁静时内边 界至地球中心距离为l o r e ，地磁亚黎期间向地球靠拢一般可迭4 r e 。妇于粒子 的螺旋运动和磁场梯度作用，质子向西漂移，电子向系漂移注入子夜黎明时区。 獠地磁亚暴赣阍g e o 上毫予和质予的畿薰交化差不多，电子豹通量增加一个数 量级或更多，而质予通量因为质子的质量大、活动性小仅增加2 倍左右。地磁亚 暴的持续时闻为几小时到一周。据统计，一年巾有3 0 爨q 时闯能观察至璩磁亚暴 活动，在春分或秋分前后更易发生【1 1 。 g e o 等离子体谱是很复杂的，研究者们瓣其每一种组分常利用麦克斯韦一 玻尔兹曼分布( 单m a x w e l l 或2 - m a x w e 珏分布中的任一种) 来描述。尽管m a x w e 珏 分布函数只适用于热平衡系统，它也经常用予非热平衡情形，因为它比较易于数 学处理。遥过空闺”毽行试验溅量电子_ 鞲离子农一定能量范匿内豹通量，帮粒子数 微分通量，来确定空间等离子体的速度分布函数。g 棚t t 和d e 自阿e s t ( 1 9 7 9 ) 给 出分析模型 迥一将速度分布中的网个矩看作为粒子数密度和通量、熊量密度 和通量，其可与实际观测值相比。计算出分布函数的各阶矩，从而确定一个近似 的m a x w e n 分布。由单一种类粒子i 组成的粒子系统的m 趿碡娃分布函数如下： 聊m r ( 鑫) 3 2e x p ( 亏争 速度分布的前四阶矩为： = 等f ( v 3 她v ( 2 2 d ) 其中， 粒子密度； 粒子数通摄； 能量密度； 能量邋量。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 m a x w e l l 分布的最初图阶矩有如下形式【1 壤： 姗i = 砖 ( 2 0 a ) 删x = e 芝 g 姒 e 】d 主 = 兰珂r 噬 ( 2 3 c ) 麟：( 马尚珊( 2 - 3 d ) 汀册i m a x w e l l 分布的零阶及二阶矩通常用于确定m a x w e l l 等离子体的密度和温 度。空闯等离子体的平均特性。土述等离子体豹参数化法梵乎均等离子体条馋、 平均值蛉标准偏差戳及最坏情况等离子体条佟的箍述提供了一种简便豹方法。 她磁甄暴形成的g e o 等离子体环境是非常复杂的，而且变化无常。目前还 没有对其进行撼述的标凇摸趔。工程应用一般着跟予平均环境和最恶劣环境。 n a s a 在美国皮用技术航天器5 号、6 号( 期瞎5 ，1 9 6 9 1 9 7 2 ；翘1 s 6 ，1 9 7 4 1 9 7 6 ) 和高轨道充电试验航天器( s q 钳l 薹a ，1 9 7 8 1 9 7 9 ) 测得的环境数据基础上，给 出了供设计和评估用的平均等离子体环境和置信度为9 0 的最恶劣情况下的地 球犀步瘫度遮磁驻暴等离子体环境参数，分别见表2 1 嘲和表2 2 删，这是缓定 环境电流为各向羽性，哭考虑电予稷质子，曩雳单m 糕、耽1 1 分稚拟台豹结果。 表2 1 地磁韭暴对g 嚣o 平均等离予体环境 气t s 5j 蝴忑6s c a r h a 电子质子 电子质子电子质予 数密度( 个佃 o 8 01 3 01 0 6 1 2 01 0 90 5 8 电滚密度( n 抛2 ) o 0 6 55 1o 0 9 63 4o 1 1 53 3 平均温度蕊e v ) 1 8 56 82 5 5l 。2 02 4 9 1 1 。2 表2 2 地磁贬暴鞋g e o 最恶劣等离子体环境 电子密度 1 _ 1 2 a n 。 质子密度0 2 3 6c i i l _ j 电子温度 1 2 o k e v 质子温度2 9 5 k e v 电子电流密度 o 3 3n a 怒m 2 震子电流密度 2 5p 觚珏 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 擎m a x w e l l 分布模型只用2 个参数，受其限制，难以获德满意豹拟合结暴。 对电子来说，单m a 】【w e l l 分布会低估低能电子数最；对离子而言，单m a x w e u 分布拟仑对低能和高能端的离子数量估计均低于实际值。双m a x w e l l 分布由于采 用了4 个参数，因而拟合结果相比单m a x w e l l 分布与实际分布函数接近得多。 g e o 附近( 以及2 5 0 0 0 k m 以上的黼轨、中裔倾角轨道和大约1 5 0 k m 商的极光区) 的热等离子体中豹电子和离子( 矮子) 成分用双m 双w e l l 分布函数表示魏下： 荆。学3 ，2 【鼍吒三争+ 嚆砻3 ，2 e x p 焉若 对应最恶劣等离子体环境的2 m 麟w e l l i 弛分布拟合结果见表2 3 【n l 。 表2 3 最恶劣等离子体环境2 蝴a x 帅u i m 分布拟合参数 i m ( 鼬- 3 )n 2 ( 锄3 )硒( k c v )量乜( k e v ) i 电予2 6 7 o 6 2 53 12 5 1 f 质子 0 61 2o 22 8 0 要注意的是，尽管表中电子和质子数目不等，空间等离子体依然是保持电中 性的，嚣为还宥缀多糍量较低豹餐离子体成分霞为与带电过程无关麓没有被列 出。 2 2 空间地磁亚暴环境效应 2 2 1 航夭器表西充电的梳理 空闫地磁亚暴环境是造成g e 0 航天器表嚣带电的主要原因。航天器在g 纛0 会受到空间等离子体的撞击和太阳光的照射。高能带电粒子的轰击、光电子发射 和二次电子出射等是导致空间表聪充电的熏要因素。其他如场致电予发射、磁场 感应等虽然也能使航天器带电，假箕数量少得多。由于电子质量小，遮度比质子 快，入射到航天器表面的电子比质子多得多，航天器表面便可以获得负电位。当 表面受电位建立起来之舞，便排斥入射的电予，使入射到表瑟土的电子数量减少。 当有太阳光照射时，在光子的作用下航天器表面会放出光电予，表面负电位会减 小。在表面上电予淀达至4 平衡之翦航天器表薤电位是变化妁。当航天器表面电位 平衡时，表面上的电流平衡方程可以写为： l t ie ls e l 口一i b l 口l l l t 一8 q 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 式中：l 厂环境电子电流； 卜环境质子电流； k 一由入射电予产生的二次电子电流； i 酊一由入射质予产生的二次电子电流； k 一由入射电予产生的背散射电子电流； l 。h 一光电子流： l r _ 一( 相邻表面间或表面下的) 漏电子流。 这些电流巾的任一个鄂是靛天器凡何形状和速率以及等魏子体条件的函数。 由此可见，航天器表面充电的多少、电位的高低，不仅与空间带电粒子环境、光 照等因素有关，还与靛天器结构及表葱材料的特性肖关。 在磁宁静时，g e o 等离子体温度不高，高能等离子体粒子数量很少，航天 器表面充电不起主要作用。环境质子流和二次电子流都比较少，表面电位主要决 定于环境电子瀛和光电予流。在没有光照i 豫情况下，靛天器表露可获得足伏到强 十伏的负电位。在有太阳光照射时，航天器表面可获得负儿伏或正几伏的电位， 这取决于光电予流和电子流之兆。 g e o 航天器的带电通常发生在航天器被地磁弧暴期间在地方时午夜前后注 入的“等离子云”包围对。在地磁亚暴期间，高能等离子体注入，其能量范围从 几千至几万电子伏，电子向东漂移进入午夜凛明时区，当航天器此时同热等离 子体相遇时，表面会被充电到几千伏甚至上万伏的负电位。美国发射的g e o 航 天器熊s 5 溺得的最高密位为1 0 l 【v ，p 匹s 6 溅得豹最高电使达2 0 k v 。当太阳光 照射时，由于有光电子流，航天器褒面的负电位会低些，为几百伏特到几千伏特。 由予地磁亚暴典型地每几个小时发生一次，因两在g e o ，航天器带电条件的存 在是很平常的。g e o 航天器可浸没于亚暴等离子体云中达数分钟至数小时，因 此发生带电事件的周期也可能达数小时。当等离子体较为稀薄的时候，航天器的 充电比稠密等离子体时要慢得多。 2 2 ，2 靛天器表嚣充电豹惫害 g e o 航天器在地磁弧暴环境中的表面带电分为绝对带i 瓤和不等景带电。 绝对带电是指航天器相对周嗣等离子俸均匀带电，该过程发生很快( 凡分之 一秒量级) ，且般发生于食区的航天器。若航天器表面全e 自导体材料构成，整 个表面电位一样，却使电位缀离，也不会对 三l 结构“蘧”佟为参考电位静系统正 常运行造成危害。由于光电予、二次电子的出射，航天器表面常会带上几伏的芷 电位。这种情况下，出射电子在靛天器表丽形成一个低能电子云，其厚度由等离 子体的德拜长度决定。该电子群的温度由二次电子和光电子的出射能谱决定，一 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 般为2 e v ，冀密度刚i 蠡航天器电位决定。该电子群会干扰旨在测爨空闯低镌电 子的科学飞行试验任务，有关测量仪器应置于放大档。 实甄航天器由于温控、能源、通信、探测等骢箍要，表酾常由不露豹材料组 成。除食时外，航天器表面各部分不但有光照表丽和非光照表面的差别，而且有 相对等离子体运动方向的差剐，因此楣邻表嚣之闻会出现不等量带电，表面与星 体结构之间也会出现电位差，电位差可达上万伏特。不等量带电较之绝对带电要 慢( 分钟量级) ，它是g e o 任何航天器都不希望出现的。超过击穿阙值时，会产 生电晕放电或电弧放电，大的放电峰电流狐这几百安培。商聪放电能击穿介质表 面，损坏太阳电池、电子器件和线路。大的放电电流会产生很大的热量，除能损 坏电阻、电容等器馋外，还能傻表面出现购痕、蚀斑和表面亿学色变。表覆严重 放电将破坏材料，改变材料的热控性能。放电产生的强电磁脉冲，能使工作电压 和信号电平较低的集成电子线路出现乱真触发和切换，不接收地耍遥控指令，也 能使地筒接收的遥测数据混乱及传感器的倍号噪声增大等，严重时可造成系统失 效。发生多次放电时还可能造成航天器扭动或摇摆。 诧外，航天器表面充电看会产生吸附，增加表丽污染，这是由予从航天器上 出气或溅射出来的中性原子被太阳光电离或与其他离子交换电荷，产生一个低能 ( 1 0 - 8 朴，为强流电子注， ，砘 因此阴极工雅在空耀电荷限制条传下，且p 值已超过几个微朴，说明要研制的丈 辐照面电子枪属于强流电子枪中的高导枪范围，设计难度很大。 3 2 3 计算程序框图 图3 1 电子枪仿真计算程序框图 3 3 电位的计算 计算电位的方法是把泊松方程的微分形式化为差分方程，并作数值计算。求 解差分方程的方法有迭代法、追赶法和有限元法等，这里采用迭代法。 3 3 1 差分格式 在计算微波管电子枪闯磁时，采用五点差分格式已其有足够的精度。设真空 中介电常数e = 。o ，空间电蕊p 是空问坐标的瀚数，到五点差分格式见匿3 2 。 第1 4 页 阑防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 。3 h 3 h 2 e 口 h 1 垤 u e u i h 4 唯 帆 1 ) 不等距掰格 对轴外点( r 。o ) 甄= t 丽q + 赢附耥秽s + 意南卟争“丧+ 写，谚4 ( 7 | 3 + 敝) 4 o 一 l 2r o 岛矗4 7 对辘上点( r o - o ) 砜。壶芷垂掣 丽+ 萨 2 ) 矩形网格( 即l l l ，一 3 一 4 ，i l ：- j l l - j i l 2 ) 对轴外点( r o o ) 矗，：。+ f ：) + 吃。，+ u 。) + 冬譬秽，一u 。) 一堡盥 。面f i r 一 对轴上点( r f o ) ，2 p 1 + u 2 ) + 4 ：z u 3 一监 5 硒百r 一 3 ) 正方形两格( 即是= l 。矗2 。如l a t ) ( 3 8 ) ( 3 一 ( 3 l o ) ( 3 - 1 1 ) 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院工学殒士学俄论文 对轴上点( r 0 = o ) 3 3 2 边界处理 砜一 即吣即即去阶蚴一警 4 。吣彬，一警 即产 p q 印 泊松方程必须在封闭边界内求解，否则可能得不到稳定解。电予枪各电极电 位给出第一类边界条件，电极之阁霹以鹾掭值法给出电位，这也是第一类边界条 件，轴上点应用了第二类边界条件a u 甜m o 。在离阳极口足够远处也可以采用 a u 拉一o 这样的第二类边界条件。 但是实际上电极不会全部恰好落在网格点上，因此要对靠近边界的网格点 ( 或称为边界点) 作特殊处理。边界点的处理有以下几种方法： ( 1 ) 直接转移 用最靠近边界点电极电位来代替边界点的电位，如图3 3 以u d = u 。表示。此 方法最篙单，但误差最大。 ( 2 ) 函数插值 a 线性插馕。在鬻3 3 中，边界点p 豹电位为 秽，。u 。+ 攀。x ( 3 1 4 ) 。0 十一一一一 u _ t r 嘲 图3 3 一般轴向边界点图3 4 一般径向边界点 它适用于轴向插值。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生貌工学硕士学位论文 b 对数插值。在图3 。4 中，边界点p 的电位为 卟帆州粼 它适用于径向插值。 c 4 份次方插值。在阴极处于空闻电荷限制发射的情况下，宜采用4 居次方 插壤来确定阴极面边界点的电位。在图3 。5 中，边界点p 的电位为 u ，一乩( ! 4 伸( 3 1 6 ) 圈3 5 阴极附近豹边界点 d 。外推插毽。当阴极不处于空麟电荷限翻发射对，阴极蓠电位分毒不满足 4 ，3 次方分布e 此时可认为图3 _ 5 中a 点到c 点范霭痰毫位按，t 玎。( 三岁，即 u ，4 。；“芴y ( 3 。1 7 ) 舯一笔。 ( 3 ) 用不等距五点差分格式3 培直接计算边界点电位 这种计算方法对阴极前边界点以外的点电位进行计算是满意的，只是公式比 较复杂。丽对阴极前的边界点，由于那里空间电蘅密度缀大，所以用这种方法误 差反而大。 3 3 3 超松弛因子的选取 电位迭代采用超松弛迭代方法，即 u 口蝴= c u 口钟+ o c ) u # 2 q( 3 - 1 8 ) 式中，c 为超松弛因子，l c 2 。 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 由式3 1 8 可见，当电位迭代完全收敛( 即右部u = u * 1 ) 时) ，c 僚不起作 用。所以c 值之影响l | 芟敛速度而不影响收敛结果。 c 僵选取得是否会透对收敛速度影豌很大，可以证器选用最佳的c 镶时收敛 n n 速度比用c = l 的收敛速度快三兰一3 嘴，但准确遣求解最佳的c 值并不比求解泊 石 松差分方程容易。 计算实践表明，轴对称电予枪的电位溺格在3 0 0 0 煮以下时，c 值约取 1 。7 8 一1 8 l ，孵格点在5 0 0 0 点以上孵，c 德约取1 8 3 一1 8 5 。 3 3 4 电位误差与迭代次数 3 3 重l 电位误差豹判别 电位迭代误差的判别有两种方法： a 判别相邻两次迭代结果的最大误差 k m + 剥 一留 ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 对于回样的情况，用平均误差方法得出的误差比第种最大误菱方法小l 也 个数量级。 如果用第一种方法收敛精度控制在误差小于1 c r 4 时，那么用第二种方法收敛 精度要控制在1 0 - 5 1 0 6 。 3 3 4 2 迭代次数的确定 尽管电位收敛精度可定为1 0 r 4 1 0 击，但是由于方程的互相制约性，所以不一 定每次电位迭代都要收敛至5 这个精度才计算下一步。通常在大迭代中，收敛精度 可逐次提高，如第一次l o 2 、第二次l o - 3 等。 根据经验也可以控制每次大迭代中计算电位迭代的次数( 又称小迭代次数) 。 例如第一次小迭代次数大约为电位瘸格点总点数的百分之一，以后的迭代次数可 谓网格点的千分之六到于分之八。 第1 8 页 溜防群学技术大学研究生院工学硬士学饿论文 3 4 阴极发射电流的计算 初步完成电位计算届，根据阴极面附近的电位来计算阴极发射电流密度。为 了处理篱便，遥常在阴极薪某一距离d 俸和阴极匪同心的球面，称为计算氛流瑟。 它和弱极嚣之间构成若干个( 一般等于轨迹条数) 小平板二极管，见图3 。6 。 小平扳 = 极管 图3 6 小平极二极管 由该面。、i 二的电位值，用下式计算电流密度j i ： 小纠芋观。3 舢“等 仔z - ， 鳅。d o 、7 式中，u 厂一某次大迭代中计算电流厩上第i 个二极管中央豹电位擅； 卜二极管的间距。 显然应选较小的d 值，以减少平露代替球面豹误差。但是它又不能太小，因 为d 太小时计算电流面上的电位误差较大。一般取d 为1 也个网格宽度。 如果计算出来的j 值超过阴极允许发射的最大电流密度，可以直接用允许的 最大电流密度作为j i ，但此时阴极已不处于空间电荷限制发射。 为加速发射电流密度计算的收敛，计算中采用低松豫方法，即第k 次 算结 果- 厂 取 ；c f ”+ ( 1 一瓯“( 3 2 2 ) 式中，右部j p 由式3 2 l 计算出来的结果； i ，j “1 第( k - 1 ) 次大迭代的电流密度； c 0 低松弛因子，o c 0 1 ，一般取q = 0 5 第1 9 页 国防科学技术大学磷究生院工学硕士学位论文 把每个小平板二极管电流加起来就是阴极发射的愍电流 j m 馘( 3 - 2 3 ) 式中s i 是小二极管相应于j i 的阴极面积。 电流误差定义为 脚忙一| 1 一枷) | ( 3 _ 2 4 ) 电流的收敛精度一般选为误差小于1 0 2 。 3 5 1 差分格式 3 5 电子轨迹的计算 方程3 。2 、3 3 、3 4 、3 _ 5 可归并为统一的形式： z w ，：( z ，r ) 尹一，r 0 ，) 这里只列出3 2 5 的差分格式，对手3 2 4 闯理。 ( 1 ) 泰勒公式 + 。+ 船+ 委缸： + 。一+ 艺缸 t 为所选的时间间隔，在at 内电子所走的路程又成为步长。 ( 2 ) 欧拉( e n l e r ) 公式 + l - 轨一。l + f 2 ( 3 ) 预估修正公式 预估修正公式很多，这里只介绍两种公式： a 已知前两点求第三点 设用( r n + 1 ) 。表示掰预估公式求得的僮，预倍公式为 ( + 1 ) 。= 2 一一1 + 缸2 和欧拉公式相同。修正公式为 以+ ，) ，2 一一+ 壶【以+ ，) ，+ 1 睨+ 艺。，降2 ( 3 - 2 5 ) ( 3 2 6 ) ( 3 艺7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) 第2 0 页 国防科学技术犬学研冤生院工学硬士学位论文 如果预估值与修正值之间的误差。一l + ，一也+ ，) ，f 大于认为给定的要求误 差e 。( 如e 。= 1 酽h ) ，则需将步长减一半，并补上r n 北点。 r n 地点的计算公式： 预估公式 以m 2 ) ，；主以+ _ 1 ) 去瓴+ o 址2 ( 3 3 2 ) 修正公式 刈：一言以+ 。) 一熹【艺+ 1 峨q ，2 ) ，+ - l 】出2 ( 3 - 3 3 ) 如果预估值与修正值之间的误差。小予人为给定的要求误差( 如 。= 1 0 飞) 对，则步长可以加大一傣。 b 已知翦四点求第五点 预估公式 也+ 1 ) ，一轨一l + 3 + 言瓴+ 艺一+ 艺一：) 越2 ( 3 3 4 ) 修难公式 “一矾+ _ l + 击f 伐+ t ) p + l 睨+ 最。】垃2 ( 3 3 5 ) 如果须缩短步长，可用式3 - 3 2 、3 3 3 补上所需要的点。 3 5 。2 电场计算 常用计算电场的方法有下述两种： ( 1 ) 圈点公式( 见图3 7 ) 图3 7 溺点公式符号示意图 q 郇：+ 半+ 半+ 型茜盟蛐 第2 l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 刮。；警+ 寿盼卟吣蚴 把 。 ： ： ，、。 5。 。”。7 剖。一半+ 去阶卟吣蚴 ( 3 - 3 8 ) a ri 。 ，j l ：l l ，、3 “ 。一7 可以翳出，在同一网眼内对于相同的z 值，au ar 值相等；对于相同的r 值，au d z 值相等，这最然是不够准确地。在轴线附近这种不准确会带来很明 照的误差。为此，当图3 4 中l 点和2 点正好在轴上时，可利用傍轴条件求出轴 线附近的豳点公式为 剖，= z 卜坷z + 扣埘t 彤t 删】芳 ( 2 ) 九点公式( 见图3 8 ) h r笪z 。d r h z 图3 8 九点公式符号示意鞠 为琨两求辫壤位梯厦翳蒋廑，皤以米用九点公式。丸赢公蕊有泰勒7 乙赢展丹 式和拉格朗日( b 舒蛐g e ) 九点插假公式两种。泰勒公式简单但精度稍低，拉格 朗日公式复杂但精度较高。一般电予枪计算中多用泰勒九点展开式。 泰勒九点展开式如下： u p 暑u o + 口l 止+ 阢a ，+ 口2 & 2 + 也a ，2