GB/T41458—2022空間環境產生航天器表面最惡劣電位差的等離子體環境[ISO19923:2017,Spaceenvironment(naturalandartificial)—Pl國家標準化管理委員會國家市場監督管理總局發布國家標準化管理委員會GB/T41458—2022 I 2規范性引用文件 13術語和定義 4符號和縮略語 5最惡劣環境認定原則 6應用于航天器設計的原則 7模擬中采用的最惡劣空間環境 3附錄A(資料性)航天器充電模擬程序 4附錄B(規范性)材料老化處理后的模擬 5附錄C(資料性)充電模擬 8參考文獻 IGB/T41458—2022本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。本文件修改采用ISO19923:2017《空間環境(自然和人工)產生航天器最惡劣電位差的等離子體本文件與ISO19923:2017相比做了下述結構調整：——將ISO19923:2017的附錄C調整為附錄B;———將ISO19923:2017的附錄B調整為附錄C;——刪除了ISO19923:2017的附錄D;本文件與ISO19923:2017的技術差異如下：——第1章“范圍”第二段刪除最后一句“低地球軌道航天器發生的嚴重表面充電可能是由于航天器設備的高壓電源造成的，因此本文件不涉及這部分內容”;刪除第三段“本文件僅涉及航天器——第3章將“下列術語和定義適用于本文件”改為“GB/T32452—2015界定的以及下列術語和——在3.1“雙麥克斯韋分布”中增加“v——粒子速度，單位為米每秒(m/s)”以及其他物理參量的單位；——第5章，刪除“本文件是航天器充電模擬的一部分”;——7.1第一段中用“表1給出地球同步軌道最惡劣等離子體環境的雙麥克斯韋分布參數”代替“對最惡劣情況進行模擬時，應采用表1給出的雙麥克斯韋分布”,表1標題中用“地球同步軌道最——7.2刪除了“隨著更多的環境測量數據發表，本文件將更新極地軌道和中地球軌道最惡劣等離本文件做了下列編輯性改動：——標準名稱更改為《空間環境產生航天器表面最惡劣電位差的等離子體環境》;---A.2“NASCAP-2k”中刪除“該程序僅在美國開放使用”,添加了“采用混合PIC模擬方法模擬航天器表面與等離子體環境的相互作用過程”以描述該程序的功能；A.3“COULOMB-2”中刪———C.1“NASCAP-2k充電模擬”第二段增加“其中δm為最大二次電子發生率，Emx為二次電子發生率最大時的入射電子能量”;一列，對ATS-6加腳注“此處NASCAP-2k使用的ATS-6環境與表C.5中的ATS-6環境不——C.1“NASCAP-2k充電模擬”表C.3“NASCAP-2k模擬結果”第四行第六列，NASAWorst——C.2“MUSCAT充電模擬”表C.6“日照情況下MUSCAT的模擬結果”第七行第八列，LANL-lGB/T41458—2022——C.4第二句“模擬結果”后添加腳注“由于模擬使用的材料特性與實際工程中使用的不完全相請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國科學院提出。本文件由全國宇航技術及其應用標準化技術委員會(SAC/TC425)歸口。本文件起草單位：中國科學院國家空間科學中心。1GB/T41458—2022空間環境產生航天器表面最惡劣電位差的等離子體環境本文件描述了產生航天器表面最惡劣電位差的空間等離子體環境，以及如何使用模擬程序估算航天器表面最惡劣電位差。本文件包含地球同步軌道(GEO)、地球極軌道(PEO)、中地球軌道(MEO)的等離子體的溫度和密度，不包含低地球軌道(LEO)的等離子體的溫度和密度。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T32452—2015航天器空間環境術語3術語和定義GB/T32452—2015界定的以及下列術語和定義適用于本文件。ISO和IEC在以下地址維護用于標準化的術語數據庫：---IEC:/——ISO:/obp雙麥克斯韋分布doubleMaxwelliandistribution地球同步軌道電子和質子的分布函數分別具有兩個溫度成分。麥克斯韋分布函數如下[]:0——粒子速度，單位為米每秒(m/s);m——粒子質量，單位為千克(kg);k玻爾茲曼常數，1.38064852×10-23J/K;n1,n?——粒子數密度，單位為每立方米(m-3);T?,T?——粒子溫度，單位為開(K)。不等量電壓differentialvoltage差分電位differentialpotential不等量充電發生時航天器任意兩點之間的電位差，特別是航天器主體和絕緣表面之間的電位差。2GB/T41458—2022(positivedielectricnegativemetal,PDNM)。(negativedielectricpositivemetal,NDPM)。eV電子伏特，1電子伏特=1.602×10-1?J(electronvolt,whereIeV=1.602×10-19J)GEO地球同步軌道(geosynchronousorbit)PEO地球極軌道(polarEarthorbit)——在物理上是合理的(例如不違反能量密度或其他物理規律);且可通過成熟的航天器充電模擬b)使用第7章中提到的最惡劣環境參數作為充電模擬的輸入。3GB/T41458—2022f)附錄A給出幾個可用的模擬程序。需要注意的是，除附錄A中給出的程序外也可采用其他7模擬中采用的最惡劣空間環境7.1地球同步軌道最惡劣環境表1給出地球同步軌道最惡劣等離子體環境的雙麥克斯韋分布參數。表1地球同步軌道最惡劣等離子體環境參數本文件也推薦使用其他惡劣事件參數，參見附錄C。表中電子質量m。和離子質量m:分別為9.10938356×10-31kg、1.6726219×10-27kg。7.2地球極軌道和中地球軌道最惡劣環境參考文獻[3]給出了一個可供參考的地球極軌道環境。4GB/T41458—2022(資料性)SPIS是一個全三維PIC模型，能夠精確計算航天器表面的精細構型處的鞘層結構和電流。該程序A.2NASCAP-2k最新發布的NASCAP程序(NASCAP-2k)采用混合PIC模擬方法模擬航天器表面與等離子體環境的相互作用過程，內容全面，且能構建逼真的幾何模型。該程序整合了NASCAP-GEO、NASCAP-LEO和POLAR三個程序的能力。A.3COULOMB-2COULOMB-2程序5]可用于地球極軌道和地球同步軌道航天器充電模擬。該程序采用SALOME平臺構建航天器幾何模型，并對模擬結果可視化。程序根據朗繆爾方程組和粒子軌跡模擬計算等離子體電流。解靜電方程采用了積分方程法。程序還包含了典型航天器材料的電物理性質數據。A.4MUSCATMUSCAT[6]是全三維粒子程序，可用于低地球軌道、地球極軌道和地球同步軌道的航天器。該程序算法綜合了PIC和粒子追蹤方法，采用平行計算技術，計算速度快。該程序具有基于JAVA-3D的圖形用戶界面，用于構建航天器三維幾何模型和可視化輸出。該程序同樣包含了材料性質數據庫在內。該程序已投入商業使用。5GB/T41458—2022(規范性)材料老化處理后的模擬B.1模擬條件本條采用多功能航天器充電分析工具(MUSCAT)進行模擬計算。圖B.1為計算采用的航天器模型。衛星模型為一個邊長為3m的立方體，+X面和+Y面上安裝有絕緣體，材料為康普頓國和玻璃蓋片CMG100-AR。模擬計算的外邊界網格數為32×32×32。網格大小為0.5m。光入射方向為(1,0,1)。圖B.1計算模型計算采用的等離子體環境見表B.1。在MUSCAT和NASCAP-2k的充電模擬中曾采用過同樣的環境參數。根據充電模擬結果，本次計算采用SCATHA-Mullenl雙麥克斯韋分布環境作為最惡劣環境。m。和m,分別為9.10938356×10-31kg和1.6726219×10-27kg。頓B材料進行老化處理，然后測量它的二次電子發生率和光電子發射特性。在康普頓B材料的體電導文的模擬中該參數采用了和未進行處理的樣品同樣的數值。本附錄還測量了CMG100-AR材料分別被質子、電子和紫外線輻射后的二次電子發生率，以及同結果相同。模擬中材料的其他性質采用了典型值計算。B.2結果采用康普頓B材料作為絕緣體的模擬結果見表B.3。表中的光照面指的是安裝在+X面上的康普頓B材料，無光照面指的是安裝在+Y面上的康普頓B材料。航天器結構電位為模擬中鋁材料的電位。采用不同的老化方式處理后的材料，航天器結構電位的模擬結果差別不大，低于3kV,數值在-13kV6GB/T41458—2022采用CMG100-AR材料作為絕緣體的模擬結果見表B.4。老化處理后的材料電位模擬結果同樣具環境名稱N/m-Tei/eVN?/m-3T/eVN/m-T/eVN?/m-3SCATHA-Mullenl2.00×104002.30×10?248001.30×10?28200表B.2材料特性材料老化處理方式Emax/eV出射光電子電流密度/體電導率/介電常數厚度/μm鋁未處理0.971康普頓B未處理質子電子紫外線原子氧玻璃蓋片未處理6.76質子2電子6紫外線及多種方式表B.3康普頓⑧模擬結果單位為伏老化處理方式光照面電位無光照面電位航天器結構電位光照面-航天器結構電位無光照面-航天器結構電位未處理-17300-19900-13000-4300-6900質子-11900-23400-10700-1100-12600電子-20400-29000-11500-8900-17500紫外線-10300-18200-10900-7300原子氧-16900-19500-13000-3900-65007GB/T41458—2022表B.4玻璃蓋片(CMG100-AR)模擬結果單位為伏老化處理方式光照面電位無光照面電位航天器結構電位光照面-航天器結構電位無光照面-航天器結構電位未處理質子電子紫外線B.3結論本附錄采用不同材料性質參數，使用MUSCAT程序給出了的模擬結果。結果表明材料經過不同的老化處理后電位差別很大。8GB/T41458—2022(資料性)C.1NASCAP-2k充電模擬為了估算地球同步軌道充電環境中航天器的充電程度，本附錄建立了一個通用的航天器模型。如圖C.1所示。太陽能電池陣背面覆蓋石墨。模型尺寸參數如下。主體部分X:1.86m,Y:1.55m,Z:2.56m。頂部NPaint材料長方體X:0.62m,Y:0.516m,Z:0.62m。底部鋁材料長方體X:0.30m,Y:1.55m,Z:0.62m。太陽能電池陣寬度2.5m,長度4.0m,厚度0.10m,扭轉角度45°。太陽能電池陣連桿長2.0m,截面積0.10m2。圓形天線直徑2.5m,距離衛星主體0.3m。材料性質見表C.1,其中δmx為最大二次電子發生率，Emx為二次電子發生率最大時的入射電子能量。MaterialsMaterialsGraphiteBlackKaptonOSRAluminiumNPaintSplarCells圖C.1NASCAP-2k的計算模型表C.1材料特性材料介電常數厚度/m體電導率/平均原子量質子發生率質子最大能量出射光電子電流密度/表面電阻率/原子質量u密度/石墨1鋁19GB/T41458—2022表C.1材料特性(續)材料介電常數厚度/m體電導率/平均原子量E質子發生率質子最大能量出射光電子電流密度/表面電阻率/原子質量u密度/黑色康普頓B5康普頓B5太陽能電池15“康普頓B是DuPont生產的產品的商業名稱。本文件給出此材料的信息，但本文件對該產品不做認可或宜傳。可使用其他效果相同的等效產品。將模型置于NASCAP-2k航天器充電程序的地球同步軌道模擬環境中，充電時間設為2000s。模擬中使用的環境參數為本文件推薦使用的幾種最惡劣環境參數，分為有日照和無日照兩種情況。表C.2給出環境電子、離子的密度和溫度。表C.2模擬使用的等離子體環境環境名稱NASAWorstCase—MIL-STD-1809"此處NASCAP-2k使用的ATS-6環境與表C.5中的ATS-6環境不同。經過2000s的充電時間后，模擬獲得的結果由表C.3給出。計算的參量包括最低電位、最高電位、航天器結構電位，以及由這些參數計算出的最大電位差(最高電位-最低電位)、反向電位梯度最大電位差(最高電位-航天器結構電位)。GB/T41458—2022環境名稱日照下充電2000s后無日照下充電2000s后最低電位最高電位絕對電位(航天器結構電位)最大電位差反向電位梯度最大電位差最低電位最高電位絕對電位(航天器結構電位)最大電位差反向電位梯度最大電位差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-1809-5728-1407-22674321-6312-3393-550929192116參考文獻[8]和參考文獻[9]指出，能量大于9keV的電子總通量是能夠表征地球同步軌道航天器在有日照情況下絕對充電和不等量充電的最優指數。根據這個判據，本文件推薦使用的幾種最惡劣充電環境可按照電子總通量(溫度>9keV)進行排序，見表C.4。表C.4幾種等離子體環境(根據溫度>9keV高能電子通量大小排序)環境>9keV高能電子通量/(cm-2·s)排序SCATHA-Mullenl1SCATHA-Mullen223ATS-64MIL-STD-180956789由此可見，NASCAP-2k對典型航天器模型的計算結果表明，對于單麥克斯韋分布的環境來說，造成不等量充電(有日照或無日照情況下)的最惡劣環境是ATS-6,其次為NASAWorstCase。對于雙麥日照條件下，造成反向電位梯度最大電位差的最惡劣環境是SCATHA-Mullen1,造成最大電位差的是雙麥克斯韋分布ECSS-E-ST-10-04C環境。C.2MUSCAT充電模擬本條采用多功能航天器充電分析工具(MUSCAT)進行模擬計算。圖C.2為用于計算的航天器模型。模型的大小、材料性質與NASCAP-2k采用的模型相同，模型材料性質參見表C.1。圖中黃色長方體的材料采用康普頓B而不是C.1模擬中采用的NPaint。由表C.1可知兩種材料的性質完全相同，因此這一變化不會影響模擬結果。圖C.2MUSCAT的計算模型表C.5給出MUSCAT模擬計算中使用的等離子體環境，與C.1的環境列表相比增加了LANL-KIT環境。LANL-KIT環境參數是從LANL衛星數據中挑選出的最惡劣環境參數[10]。LANL-KIT、ATS-6和NASAWorstCase等離子體環境能譜為單麥克斯韋分布，其他為雙麥克斯韋分布。表C.5MUSCAT使用的等離子體環境參數環境名稱NASAWorstCase2.30×10?模擬計算的邊界網格數為64×256×64,網格大小為0.1m。光入射方向垂直于太陽能電池板表面。日照情況下MUSCAT的模擬結果見表C.6。表中列出了約2000s充電時間后的最低電位、最高電位、航天器結構電位，以及由這些參數計算出的最大電位差(最高電位-最低電位)、反向電位梯度最大電位差(最高電位-航天器結構電位)、正向電位梯度最大電位差(最低電位-航天器結構電位)。從模擬結果中可看出SCATHA-Mullenl等離子體環境最惡劣，它能夠造成最大航天器主體電位、反向電位梯度最大電位差和正向電位梯度最大電位差。GB/T41458—2022表C.6日照情況下MUSCAT的模擬結果環境名稱時間/s最低電位/V最高電位/V絕對電位(航天器結構電位)/V最大電位差/V反向電位梯度最大電位差/V正向電位梯度最大電位差/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無日照情況下MUSCAT的模擬結果見表C.7。SCATHA-Mullenl環境能夠造成反向電位梯度最大電位差。表C.7無日照情況下MUSCAT的模擬結果環境名稱時間/s最低電位/V最高電位/V絕對電位(航天器結構電位)/V最大電位差/V反向電位梯度最大電位差/V正向電位梯度最大電位差/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充電模擬本條給出SPIS4.0的模擬計算結果。模擬中采用的航天器主體見圖C.2。模擬結果見表C.8。日照情況下，SCATHA-Mullenl環境是能夠造成最大電位差(最高電位-最低電位)的最惡劣環境。表C.8SPIS的模擬結果，充電時間1000s環境名稱有日照無日照充電時間/s最高電位(OSR材料電位)/V最低電位最大電位差/V充電時間/s最高電位最低電位(OSR材料電位)/V最大電位差/VATS-6-5750,13—6557.49807.3587—20401.7—21824,5NASAWorstCase—2294.53-2766471.463—14266.5—14670.9404.392GB/T41458—2022環境名稱有日照無日照充電時間/s最高電位(OSR材料電位)/V最低電位最大電位差/V充電時間/s最高電位最低電位(OSR材料電位)/V最大電位差/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對相同的模型和環境參數進行了充電模擬計算。模擬結果表明本文件推薦使用的幾種最惡劣環境均可造成高電位差的充電。三種模擬工具給出的充電評日照情況下NASCAP-2k得到的最大電位差數值在大部分環境中高于其他兩個程序的結果。無日照情況下MUSCAT得到的航天器結構電位甚至顯著高于環境最高電子溫度，造成這個結果的原因還不明確。即便如此，MUSCAT、NASCAP-2k和SPIS三者的結果均證明了無論航天器結構充電還是不等量充電，SCATHA-Mullen1雙麥克斯韋分布等離子體環境能夠造成反向電位梯度最大電位差，此環境可作為最惡劣環境被可靠地應用于航天器設計和測試之中。1)由于模擬使用的材料特性與實際工程中使用的不完全相同，所以模擬結果僅供參考。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