【国家标准】 空间环境 产生航天器表面最恶劣电位差的等离子体环境

ICS49.140
CCSV06
中华人民共和国国家标准
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
Spaceenvironment-Plasmaenvironmentsforgeneration of worstcasesurfaceelectricalpotentialdifferencesforspacecraft[Is19923:2017,Spaceenvironment(natural and artificial)-Plasmaenvironments for generation of worst case electrical potential differences forspacecraft,MOD
2022-04-15发布
国家市场监督管理总局
国家标准花管理委赏会
2022-11-01实施
GB/T41458—2022
规范性引用文件
术语和定义
符号和缩略语
最恶劣环境认定原则
应用于航天器设计的原则
模拟中采用的最恶劣空间环境
附录A（资料性）
附录B（规范性）
附录C（资料性）
参考文献
航天器充电模拟程序
材料老化处理后的模拟
充电模拟
GB/T41458—2022
本文件按照GB/T1.1一2020《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环境》。
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；一第1章“范围”中，删除第三段内容。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的外表面充电”；
一第3章将“下列术语和定义适用于本文件”改为“GB/T32452一2015界定的以及下列术语和定义适用于本文件”；
一在3.1“双麦克斯韦分布”中增加\一一粒子速度，单位为米每秒（m/s)”以及其他物理参量的单位；
—一第5章，删除“本文件是航天器充电模拟的一部分”；一7.1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“地球同步轨道最恶劣等离子体环境”代替“模拟使用的空间环境”；一7.2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子体环境参数”。
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》；一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”中删除“该程序仅在俄罗斯开放使用”；附录C标题以及各条小标题中用“充电模拟”代替“循环模拟”；—C.1“NASCAP-2k充电模拟”第二段增加“其中max为最大二次电子发生率，Emx为二次电子发生率最大时的人射电子能量”；C.1“NASCAP-2k充电模拟”表C.1表头第一列用“材料”代替\盖玻璃材料”；表C.2第六行第一列，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环境不同”；
-C.1“NASCAP-2k充电模拟”表C.3\NASCAP-2k模拟结果”第四行第六列，NASAWorstCase环境日照下充电2000s后反向电位梯度最大电位差计算结果，用\897”代替“3940”；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，LANLKIT环境正向电位梯度最大电位差计算结果，用\一23800”代替一23700”；C.2第三行，删除I
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了“康普顿?”的脚注；
一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同，所以模拟结果仅供参考”。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。本文件主要起草人：孟雪洁、钟秋珍、陈东、陈善强、苗娟、林瑞淋、周振奇。Ⅱ
1范围
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
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/T324522015航关器空间环境术语3
术语和定义
GB/T32452一2015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.http：//www.electropedia.org/ISO.http://www.iso.org/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：
fu）=
式中：
粒子速度，单位为米每秒（m/s）；m
粒子质量，单位为千克（kg）；2kT
——玻尔兹曼常数，1.38064852×10-23J/K；nl,nz——粒子数密度，单位为每立方米（m-3）；Tr,T，粒子温度，单位为开(K)。3.2
不等量电压differential voltage差分电位differentialpotentialexp(
（kT）
....1)
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。-
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反向电位梯度invertedpotentialgradient不等量充电导致的绝缘表面或绝缘体的电位高于紧邻的导体表面或金属的现象：正绝缘体负金属(positivedielectricnegativemetal,PDNM)。3.4
normal potential gradient
正向电位梯度
不等量充电导致的绝缘表面或绝缘体的电位低于紧邻的导体表面或金属的现象：负绝缘体正金属(negativedielectricpositivemetal,NDPM)。3.5
Esurfacecharging
表面充电
航天器外表面沉积或失去电荷的过程。4符号和缩略语
下列符号和缩略语适用于本文件。ev
电子伏特，1电子伏特=1.602X10-19J（electronvolt，where1eV=1.602×10-19J）地球同步轨道（geosynchronousorbit）低地球轨道（lowEarthorbit）
中地球轨道（mediumEarthorbit）地球极轨道（polarEarthorbit）电子密度（electrondensity）
离子密度（iondensity）
电子温度（electrontemperature）离子温度（iontemperature）
5最恶劣环境认定原则
最恶劣环境定义为航天器在空间中运行时测量到的导致航天器结构地与外部非导电表面或孤立导电表面之间产生最大电位差的空间环境。这种最恶劣环境应是在现实中出现过的为保证有效性，最恶劣环境的密度、温度参数满足以下几个条件：曾在文献或公开的数据库中出现过；数据来自有效的观测测量；
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程序进行验证（例如附录A中给出的航天器充电模拟程序）。6应用于航天器设计的原则
在航关器设计的早期阶段，需要开展航天器充电模拟。充电模拟应注意以下事项。a）
理想情况下，应先开展航天器充电模拟，再决定应用于航天器表面的材料种类。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。b)
暴露在空间环境中，航天器材料的充电特性会发生变化。在可行的情况下，应采用受空间环境影响发生适当老化之后的材料特性进行模拟。按照附录B。辐射诱导电导率会改变材料的体电阻。在可行的情况下，应采用暴露在适当的空间环境中老d)
化之后的材料特性进行模拟2
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在计算机模拟时，应采用适当的航关器几何构型、材料数据以及环境条件。以零电位为初始条件，模拟计算直到电位差稳定。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f)
程序。
模拟中采用的最恶劣空间环境
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Na/m3
2.00×105
Na/m-3
2.30×10%
Tea/ev
Na/m-\
1.60×106
Niz/m-3
1.30×10%
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。3
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附录A
(资料性）
航天器充电模拟程序
SPISE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。该程序能够模拟的表面相互作用包括光电子发射、背散射、二次电子发射和传导。源代码可以从www.spis.org上免费获得，此网站通过邮件提供有限的技术支持A.2 NASCAP-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、NASCAPLEO和POLAR三个程序的能力。
A.3COULOMB-2
COULOMB-2程序[S5]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.4MUSCAT
MUSCATE们是全三维粒子程序，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。该程序已投人商业使用。
B.1模拟条件
附录B
（规范性）
材料老化处理后的模拟
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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，十X面和十Y面上安装有绝缘体，材料为康普顿和玻璃盖片CMG100-AR。
模拟计算的外边界网格数为32×32×32。网格大小为0.5m。光人射方向为（1.0，1）。7
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。模拟中使用了三种材料，材料性质见表B.2。本附录分别采用质子、电子、紫外线和原子氧对康普顿?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。在康普顿材料的体电导率测量中，本附录只测量了质子、电子辐射后的体电导率，未做紫外线和原子氧退化后的测量，因此在下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，以及同时被质子、电子、紫外线辐射后的参数。受过多种辐射后材料的二次电子发生率与受过紫外线辐射后的结果相同。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十X面上的康普顿?材料，无光照面指的是安装在十Y面上的康普顿?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天，低于3kV，数值在一13kV5
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和-10.7kV之间。
但康普顿?与航天器结构之间的电位差结果差别较大，光照面与航天器结构之间的电位差在一8.9kV与0.6kV之间，无光照面与航天器结构之间的电位差在一17.5kV与一6.5kV之间。
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有很大差别。
环境名称
SCATHA-Mullenl
Na/m-a
2.00×10%
老化处理方式
康普顿?
玻璃盖片
（CMG100-AR）
老化处理方式
未处理
紫外线
原子氧
未处理
未处理
紫外线
原子氧
未处理
紫外线及
多种方式
光照面电位
-17300
-11900
-20 400
-10300
-16900
等离子体环境参数
2.30×10%
无光照面电位
-23400
-29 000
-19500
材料特性
1.60×10%
出射光电子
电流密度/
(μA·m-*)
康普顿?模拟结果
航天器结构电位
-13000
-10700
-11500
-13000
体电导率/
Na/m=$
1.30×10%
(X10-140-.m-1
光照面-航天器结构电位
介电常数
厚度/um
单位为伏
无光照面-航天器结构电位
-12600
老化处理方式
未处理
紫外线
光照面电位
-4 000
-2 500
玻璃盖片（CMG100-AR）模拟结果无光照面电位
航天器结构电位
-29800
-22800
-30200
-3:000
光照面-航天器结构电位
GB/T41458—2022
单位为伏
无光照面-航天器结构电位
-16900
-22900
-18 300
-23500下载标准就来标准下载网
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。