[发明专利]一种空间高压部件内部多电场耦合的电场计算方法

说明书

本发明公开了一种空间高压部件内部多电场耦合的电场计算方法，采用有限元差分法，首先确定空间高能电子在高压部件内部的电荷沉积分布和内部电荷传导状况，其次根据高压部件工作电压情况，设置边界条件，最后将电荷沉积量和传导量带入电流传导方程，计算出空间电荷分布，再将空间电荷代入泊松方程，计算获得空间高能电子在高压部件内部沉积产生电场与工作电压产生电场之间的耦合作用电场，获得两个电场耦合畸变位置。该方法考虑了卫星部件的工作电压对充放电效应的影响，能够提高电场计算准确性，为准确评估空间高压部件充放电效应诱发的风险，有效指导高压部件充放电效应防护设计提供了有力的基础。

技术领域

本发明属于空间高压部件内部电场的计算分析计算领域，具体涉及一种空间高压部件内部多电场耦合的电场计算方法。

背景技术

随着我国卫星技术发展，由于功能需求，新一代卫星将采用高压大功率的能源系统，高压供配电部件是引起整星失效的单点故障源，其可靠性对于卫星在轨安全运行至关重要。

当出现较大的空间辐射环境扰动事件时，如太阳耀斑爆发、太阳日冕物质抛射、地磁暴或地磁亚暴等，大量的空间高能电子将直接穿透卫星的表层结构或仪器设备外壳，嵌入到内部的电路板(PCB板)、同轴电缆绝缘层等介质材料中，导致绝缘介质内部电荷沉积从而建立电场的过程，这一过程就称为内带电。

卫星采用高压大功率供配电系统后，其部件将工作于较高的电压，使得部件内的电场分布过于集中，在与空间带电环境作用过程中，其内部电场产生耦合畸变，容易发生静电放电。

目前国内外在空间内带电效应研究方面主要采用蒙特卡洛方法计算分析和高能电子加速器模拟试验来开展，如文献1(《卫星介质深层充电的计算机模拟研究》，地球物理学报47卷7期)和文献2(《空间材料深层充放电效应试验研究》，航天器环境工程26卷3期)所示，均未考虑卫星部件的工作电压对充放电效应的影响，无法准确评估空间高压部件充放电效应诱发的风险，也无法有效指导高压部件充放电效应防护设计。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间高压部件内部多电场耦合的电场计算方法，考虑卫星部件的工作电压对充放电效应的影响，能够提高电场计算准确性，为准确评估空间高压部件充放电效应诱发的风险，有效指导高压部件充放电效应防护设计提供了有力的基础。

该空间高压部件内部多电场耦合的电场计算方法，包括如下步骤：

步骤一、针对高压部件结构，完成有限元网格划分；

步骤二、通过Weber电子射程公式和电荷沉积模型，确定空间高能电子在高压部件内部的沉积电荷密度ρ和能量沉积分布状况，根据沉积电荷密度ρ确定各有限元网格内的电荷沉积量q；

步骤三、根据能量沉积分布状况，求解材料辐射诱导电导率；将材料辐射诱导电导率代入Pool-Frenkel电导方程，建立介质材料电导率与耦合作用电场E的关系表达式A；

步骤四、根据空间高压部件的工作电压情况，设置有限元模型的边界条件满足拉普拉斯方程；

步骤五、将介质材料电导率与耦合电场的关系表达式A代入电流传导方程，沉积电荷密度ρ代入泊松方程，电荷沉积量q代入电荷连续性方程；基于电流传导方程、泊松方程、电荷连续性方程和所述边界条件，采用有限元计算方法获得空间高能电子在高压部件内部沉积产生电场与工作电压产生电场之间的耦合作用电场E。

其中，所述步骤一分区域进行网格划分：高压部件的界面附近的设定区域沿着界面法线方向采用自由三角形网格剖分；所述设定区域之外的远离界面区域采用四边形网格剖分；三角形网格的密集程度大于四边形网格的密集程度。

其中，所述步骤二为：

空间高能电子与高压部件介质材料作用时，高能电子在介质材料内部最大射程可由Weber电子射程公式表示：