(高清版)GBT 41458-2022 空间环境　产生航天器表面最恶劣电位差的等离子体环境

GB/T41458—2022空间环境产生航天器表面最恶劣电位差的等离子体环境[ISO19923:2017,Spaceenvironment(naturalandartificial)—Pl国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会GB/T41458—2022 I 2规范性引用文件 13术语和定义 4符号和缩略语 5最恶劣环境认定原则 6应用于航天器设计的原则 7模拟中采用的最恶劣空间环境 3附录A(资料性)航天器充电模拟程序 4附录B(规范性)材料老化处理后的模拟 5附录C(资料性)充电模拟 8参考文献 IGB/T41458—2022本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件修改采用ISO19923:2017《空间环境(自然和人工)产生航天器最恶劣电位差的等离子体本文件与ISO19923:2017相比做了下述结构调整：——将ISO19923:2017的附录C调整为附录B;———将ISO19923:2017的附录B调整为附录C;——删除了ISO19923:2017的附录D;本文件与ISO19923:2017的技术差异如下：——第1章“范围”第二段删除最后一句“低地球轨道航天器发生的严重表面充电可能是由于航天器设备的高压电源造成的，因此本文件不涉及这部分内容”;删除第三段“本文件仅涉及航天器——第3章将“下列术语和定义适用于本文件”改为“GB/T32452—2015界定的以及下列术语和——在3.1“双麦克斯韦分布”中增加“v——粒子速度，单位为米每秒(m/s)”以及其他物理参量的单位；——第5章，删除“本文件是航天器充电模拟的一部分”;——7.1第一段中用“表1给出地球同步轨道最恶劣等离子体环境的双麦克斯韦分布参数”代替“对最恶劣情况进行模拟时，应采用表1给出的双麦克斯韦分布”,表1标题中用“地球同步轨道最——7.2删除了“随着更多的环境测量数据发表，本文件将更新极地轨道和中地球轨道最恶劣等离本文件做了下列编辑性改动：——标准名称更改为《空间环境产生航天器表面最恶劣电位差的等离子体环境》;---A.2“NASCAP-2k”中删除“该程序仅在美国开放使用”,添加了“采用混合PIC模拟方法模拟航天器表面与等离子体环境的相互作用过程”以描述该程序的功能；A.3“COULOMB-2”中删———C.1“NASCAP-2k充电模拟”第二段增加“其中δm为最大二次电子发生率，Emx为二次电子发生率最大时的入射电子能量”;一列，对ATS-6加脚注“此处NASCAP-2k使用的ATS-6环境与表C.5中的ATS-6环境不——C.1“NASCAP-2k充电模拟”表C.3“NASCAP-2k模拟结果”第四行第六列，NASAWorst——C.2“MUSCAT充电模拟”表C.6“日照情况下MUSCAT的模拟结果”第七行第八列，LANL-lGB/T41458—2022——C.4第二句“模拟结果”后添加脚注“由于模拟使用的材料特性与实际工程中使用的不完全相请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)归口。本文件起草单位：中国科学院国家空间科学中心。1GB/T41458—2022空间环境产生航天器表面最恶劣电位差的等离子体环境本文件描述了产生航天器表面最恶劣电位差的空间等离子体环境，以及如何使用模拟程序估算航天器表面最恶劣电位差。本文件包含地球同步轨道(GEO)、地球极轨道(PEO)、中地球轨道(MEO)的等离子体的温度和密度，不包含低地球轨道(LEO)的等离子体的温度和密度。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T32452—2015航天器空间环境术语3术语和定义GB/T32452—2015界定的以及下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC在以下地址维护用于标准化的术语数据库：---IEC:/——ISO:/obp双麦克斯韦分布doubleMaxwelliandistribution地球同步轨道电子和质子的分布函数分别具有两个温度成分。麦克斯韦分布函数如下[]:0——粒子速度，单位为米每秒(m/s);m——粒子质量，单位为千克(kg);k玻尔兹曼常数，1.38064852×10-²3J/K;n1,n₂——粒子数密度，单位为每立方米(m-3);T₁,T₂——粒子温度，单位为开(K)。不等量电压differentialvoltage差分电位differentialpotential不等量充电发生时航天器任意两点之间的电位差，特别是航天器主体和绝缘表面之间的电位差。2GB/T41458—2022(positivedielectricnegativemetal,PDNM)。(negativedielectricpositivemetal,NDPM)。eV电子伏特，1电子伏特=1.602×10-¹⁹J(electronvolt,whereIeV=1.602×10-19J)GEO地球同步轨道(geosynchronousorbit)PEO地球极轨道(polarEarthorbit)——在物理上是合理的(例如不违反能量密度或其他物理规律);且可通过成熟的航天器充电模拟b)使用第7章中提到的最恶劣环境参数作为充电模拟的输入。3GB/T41458—2022f)附录A给出几个可用的模拟程序。需要注意的是，除附录A中给出的程序外也可采用其他7模拟中采用的最恶劣空间环境7.1地球同步轨道最恶劣环境表1给出地球同步轨道最恶劣等离子体环境的双麦克斯韦分布参数。表1地球同步轨道最恶劣等离子体环境参数本文件也推荐使用其他恶劣事件参数，参见附录C。表中电子质量m。和离子质量m:分别为9.10938356×10-3¹kg、1.6726219×10-27kg。7.2地球极轨道和中地球轨道最恶劣环境参考文献[3]给出了一个可供参考的地球极轨道环境。4GB/T41458—2022(资料性)SPIS是一个全三维PIC模型，能够精确计算航天器表面的精细构型处的鞘层结构和电流。该程序A.2NASCAP-2k最新发布的NASCAP程序(NASCAP-2k)采用混合PIC模拟方法模拟航天器表面与等离子体环境的相互作用过程，内容全面，且能构建逼真的几何模型。该程序整合了NASCAP-GEO、NASCAP-LEO和POLAR三个程序的能力。A.3COULOMB-2COULOMB-2程序5]可用于地球极轨道和地球同步轨道航天器充电模拟。该程序采用SALOME平台构建航天器几何模型，并对模拟结果可视化。程序根据朗缪尔方程组和粒子轨迹模拟计算等离子体电流。解静电方程采用了积分方程法。程序还包含了典型航天器材料的电物理性质数据。A.4MUSCATMUSCAT[6]是全三维粒子程序，可用于低地球轨道、地球极轨道和地球同步轨道的航天器。该程序算法综合了PIC和粒子追踪方法，采用平行计算技术，计算速度快。该程序具有基于JAVA-3D的图形用户界面，用于构建航天器三维几何模型和可视化输出。该程序同样包含了材料性质数据库在内。该程序已投入商业使用。5GB/T41458—2022(规范性)材料老化处理后的模拟B.1模拟条件本条采用多功能航天器充电分析工具(MUSCAT)进行模拟计算。图B.1为计算采用的航天器模型。卫星模型为一个边长为3m的立方体，+X面和+Y面上安装有绝缘体，材料为康普顿国和玻璃盖片CMG100-AR。模拟计算的外边界网格数为32×32×32。网格大小为0.5m。光入射方向为(1,0,1)。图B.1计算模型计算采用的等离子体环境见表B.1。在MUSCAT和NASCAP-2k的充电模拟中曾采用过同样的环境参数。根据充电模拟结果，本次计算采用SCATHA-Mullenl双麦克斯韦分布环境作为最恶劣环境。m。和m,分别为9.10938356×10-3¹kg和1.6726219×10-27kg。顿B材料进行老化处理，然后测量它的二次电子发生率和光电子发射特性。在康普顿B材料的体电导文的模拟中该参数采用了和未进行处理的样品同样的数值。本附录还测量了CMG100-AR材料分别被质子、电子和紫外线辐射后的二次电子发生率，以及同结果相同。模拟中材料的其他性质采用了典型值计算。B.2结果采用康普顿B材料作为绝缘体的模拟结果见表B.3。表中的光照面指的是安装在+X面上的康普顿B材料，无光照面指的是安装在+Y面上的康普顿B材料。航天器结构电位为模拟中铝材料的电位。采用不同的老化方式处理后的材料，航天器结构电位的模拟结果差别不大，低于3kV,数值在-13kV6GB/T41458—2022采用CMG100-AR材料作为绝缘体的模拟结果见表B.4。老化处理后的材料电位模拟结果同样具环境名称N/m-Tei/eVN₂/m-3T/eVN/m-T/eVN₂/m-3SCATHA-Mullenl2.00×104002.30×10⁶248001.30×10⁶28200表B.2材料特性材料老化处理方式Emax/eV出射光电子电流密度/体电导率/介电常数厚度/μm铝未处理0.971康普顿B未处理质子电子紫外线原子氧玻璃盖片未处理6.76质子2电子6紫外线及多种方式表B.3康普顿⑧模拟结果单位为伏老化处理方式光照面电位无光照面电位航天器结构电位光照面-航天器结构电位无光照面-航天器结构电位未处理-17300-19900-13000-4300-6900质子-11900-23400-10700-1100-12600电子-20400-29000-11500-8900-17500紫外线-10300-18200-10900-7300原子氧-16900-19500-13000-3900-65007GB/T41458—2022表B.4玻璃盖片(CMG100-AR)模拟结果单位为伏老化处理方式光照面电位无光照面电位航天器结构电位光照面-航天器结构电位无光照面-航天器结构电位未处理质子电子紫外线B.3结论本附录采用不同材料性质参数，使用MUSCAT程序给出了的模拟结果。结果表明材料经过不同的老化处理后电位差别很大。8GB/T41458—2022(资料性)C.1NASCAP-2k充电模拟为了估算地球同步轨道充电环境中航天器的充电程度，本附录建立了一个通用的航天器模型。如图C.1所示。太阳能电池阵背面覆盖石墨。模型尺寸参数如下。主体部分X:1.86m,Y:1.55m,Z:2.56m。顶部NPaint材料长方体X:0.62m,Y:0.516m,Z:0.62m。底部铝材料长方体X:0.30m,Y:1.55m,Z:0.62m。太阳能电池阵宽度2.5m,长度4.0m,厚度0.10m,扭转角度45°。太阳能电池阵连杆长2.0m,截面积0.10m²。圆形天线直径2.5m,距离卫星主体0.3m。材料性质见表C.1,其中δmx为最大二次电子发生率，Emx为二次电子发生率最大时的入射电子能量。MaterialsMaterialsGraphiteBlackKaptonOSRAluminiumNPaintSplarCells图C.1NASCAP-2k的计算模型表C.1材料特性材料介电常数厚度/m体电导率/平均原子量质子发生率质子最大能量出射光电子电流密度/表面电阻率/原子质量u密度/石墨1铝19GB/T41458—2022表C.1材料特性(续)材料介电常数厚度/m体电导率/平均原子量E质子发生率质子最大能量出射光电子电流密度/表面电阻率/原子质量u密度/黑色康普顿B5康普顿B5太阳能电池15“康普顿B是DuPont生产的产品的商业名称。本文件给出此材料的信息，但本文件对该产品不做认可或宜传。可使用其他效果相同的等效产品。将模型置于NASCAP-2k航天器充电程序的地球同步轨道模拟环境中，充电时间设为2000s。模拟中使用的环境参数为本文件推荐使用的几种最恶劣环境参数，分为有日照和无日照两种情况。表C.2给出环境电子、离子的密度和温度。表C.2模拟使用的等离子体环境环境名称NASAWorstCase—MIL-STD-1809"此处NASCAP-2k使用的ATS-6环境与表C.5中的ATS-6环境不同。经过2000s的充电时间后，模拟获得的结果由表C.3给出。计算的参量包括最低电位、最高电位、航天器结构电位，以及由这些参数计算出的最大电位差(最高电位-最低电位)、反向电位梯度最大电位差(最高电位-航天器结构电位)。GB/T41458—2022环境名称日照下充电2000s后无日照下充电2000s后最低电位最高电位绝对电位(航天器结构电位)最大电位差反向电位梯度最大电位差最低电位最高电位绝对电位(航天器结构电位)最大电位差反向电位梯度最大电位差Galaxy15-8029.562.751811.566.81-17820-17410-17590410NASAWorstCase-9286-1518-2415-13230-5687ATS-6-13910-3617-57792162-18310-9733-132208577SCATHA-Mullenl-11870-5236-84686634-11980-67524198SCATHA-Mullen2-10940-4077-675368632496-11160-6010-9736ECSS-E-ST-10-04C-10870-3512-56402128-11430-6050-9521MIL-STD-1809-5728-1407-22674321-6312-3393-550929192116参考文献[8]和参考文献[9]指出，能量大于9keV的电子总通量是能够表征地球同步轨道航天器在有日照情况下绝对充电和不等量充电的最优指数。根据这个判据，本文件推荐使用的几种最恶劣充电环境可按照电子总通量(温度>9keV)进行排序，见表C.4。表C.4几种等离子体环境(根据温度>9keV高能电子通量大小排序)环境>9keV高能电子通量/(cm-²·s)排序SCATHA-Mullenl1SCATHA-Mullen223ATS-64MIL-STD-180956789由此可见，NASCAP-2k对典型航天器模型的计算结果表明，对于单麦克斯韦分布的环境来说，造成不等量充电(有日照或无日照情况下)的最恶劣环境是ATS-6,其次为NASAWorstCase。对于双麦日照条件下，造成反向电位梯度最大电位差的最恶劣环境是SCATHA-Mullen1,造成最大电位差的是双麦克斯韦分布ECSS-E-ST-10-04C环境。C.2MUSCAT充电模拟本条采用多功能航天器充电分析工具(MUSCAT)进行模拟计算。图C.2为用于计算的航天器模型。模型的大小、材料性质与NASCAP-2k采用的模型相同，模型材料性质参见表C.1。图中黄色长方体的材料采用康普顿B而不是C.1模拟中采用的NPaint。由表C.1可知两种材料的性质完全相同，因此这一变化不会影响模拟结果。图C.2MUSCAT的计算模型表C.5给出MUSCAT模拟计算中使用的等离子体环境，与C.1的环境列表相比增加了LANL-KIT环境。LANL-KIT环境参数是从LANL卫星数据中挑选出的最恶劣环境参数[10]。LANL-KIT、ATS-6和NASAWorstCase等离子体环境能谱为单麦克斯韦分布，其他为双麦克斯韦分布。表C.5MUSCAT使用的等离子体环境参数环境名称NASAWorstCase2.30×10⁶模拟计算的边界网格数为64×256×64,网格大小为0.1m。光入射方向垂直于太阳能电池板表面。日照情况下MUSCAT的模拟结果见表C.6。表中列出了约2000s充电时间后的最低电位、最高电位、航天器结构电位，以及由这些参数计算出的最大电位差(最高电位-最低电位)、反向电位梯度最大电位差(最高电位-航天器结构电位)、正向电位梯度最大电位差(最低电位-航天器结构电位)。从模拟结果中可看出SCATHA-Mullenl等离子体环境最恶劣，它能够造成最大航天器主体电位、反向电位梯度最大电位差和正向电位梯度最大电位差。GB/T41458—2022表C.6日照情况下MUSCAT的模拟结果环境名称时间/s最低电位/V最高电位/V绝对电位(航天器结构电位)/V最大电位差/V反向电位梯度最大电位差/V正向电位梯度最大电位差/VNASAWorstCase-14600-1820-12800ATS-6-19400-3400-16000SCATHA-Mullenl-41500-1610041200-25400SCATHA-Mullen2-34000-10300-23700ECSS-E-ST-10-04C-28800-7450-21400LANL-KIT-38800-15000-23800无日照情况下MUSCAT的模拟结果见表C.7。SCATHA-Mullenl环境能够造成反向电位梯度最大电位差。表C.7无日照情况下MUSCAT的模拟结果环境名称时间/s最低电位/V最高电位/V绝对电位(航天器结构电位)/V最大电位差/V反向电位梯度最大电位差/V正向电位梯度最大电位差/VNASAWorstCase-43700-42900-43300402-468ATS-6-63800-63200-63500-330SCATHA-Mullenl-107000-102000-105000-2170SCATHA-Mullen2-112000-107000-1100004890-2190ECSS-E-ST-10-04C-70000-67100-68600-1350LANL-KIT-72900-71800-72300468-566C.3SPIS充电模拟本条给出SPIS4.0的模拟计算结果。模拟中采用的航天器主体见图C.2。模拟结果见表C.8。日照情况下，SCATHA-Mullenl环境是能够造成最大电位差(最高电位-最低电位)的最恶劣环境。表C.8SPIS的模拟结果，充电时间1000s环境名称有日照无日照充电时间/s最高电位(OSR材料电位)/V最低电位最大电位差/V充电时间/s最高电位最低电位(OSR材料电位)/V最大电位差/VATS-6-5750,13—6557.49807.3587—20401.7—21824,5NASAWorstCase—2294.53-2766471.463—14266.5—14670.9404.392GB/T41458—2022环境名称有日照无日照充电时间/s最高电位(OSR材料电位)/V最低电位最大电位差/V充电时间/s最高电位最低电位(OSR材料电位)/V最大电位差/VSCATHA-Mullenl—14556.7—17812.23255.459-25935—26800.1865.148SCATHA-Mullen2-12057,2—14265.72208.484-24943-26396ECSS—10416,5—11873.4—24581.7—26439,4本文件使用NASCAP-2k、MUSCAT、SPIS对相同的模型和环境参数进行了充电模拟计算。模拟结果表明本文件推荐使用的几种最恶劣环境均可造成高电位差的充电。三种模拟工具给出的充电评日照情况下NASCAP-2k得到的最大电位差数值在大部分环境中高于其他两个程序的结果。无日照情况下MUSCAT得到的航天器结构电位甚至显著高于环境最高电子温度，造成这个结果的原因还不明确。即便如此，MUSCAT、NASCAP-2k和SPIS三者的结果均证明了无论航天器结构充电还是不等量充电，SCATHA-Mullen1双麦克斯韦分布等离子体环境能够造成反向电位梯度最大电位差，此环境可作为最恶劣环境被可靠地应用于航天器设计和测试之中。1)由于模拟使用的材料特性与实际工程中使用的不完全相同，所以模拟结果仅供参考。GB/T41458—2022[1]HastingsD.,&.GarrettH.SpacecraftEnvironmentInteractions.CambridgeUniversityPress,1996.[2]FredricksonA.R.Radiation-induceddialecticcharging.SpaceSystemsandTheirInteractionswiththeEarth'sSpaceEnvironment.1980,71pp.386-412.[3]ChoMDataanalysisofthepolarplasmaenvironmentforspacecraftcharginganalysis.ActaAstronaut.2012,81pp.160-173.[4]ForestJ.,EliassonL.,HilgersA.ANewSpacecraftPlasmaInteractionsSimulationSoft-ware,PicUp3D/SPIS,Proc.7thSpacecraftChargingTechnologyConf.,(2001),pp.515-520.[5]NovikovLS.,MakletsovA.A.,SinolitsV.V.ComparisonofCOULOMB-2,NASCAP-2k,57pp.671-680.[6]HattaS.,Muranak