空間太陽電池表面帶電效應的SPIS軟件仿真*

李 靜，胡建民

（哈爾濱師范大學）

0 引言

等離子體為大量帶電粒子的集合，航天器在等離子體環境中運行時，會發生表面帶電效應，帶電粒子在航天器表面積累，一段時間后，航天器表面電位不再發生變化，此時達到充電平衡，航天器表面電位即為充電平衡電位［1］.

美國NASA通過對近些年空間航天器發生故障原因進行調查總結，發現多數航天器特別是太陽電池帆板會由于表面帶電效應發生故障，因此表面帶電效應越來越受到重視［2］.SPIS 軟件是歐空局研發的為航天器與等離子體相互作用過程進行建模的軟件.該文通過建立空間太陽電池表面與等離子體相互作用模型，計算表面電位隨時間變化的基本規律，旨在為航天器的整體設計提供理論依據.

1 SPIS軟件

該文使用SPIS軟件對空間太陽電池表面帶電效應進行分析，技術流程如圖1 所示.首先，建立空間太陽電池表面模型為1m×1m×0.1m的立方體，空間等離子體環境設置半徑為5 m 的球體，選定計算區域建立如圖2 所示的太陽電池表面與等離子體相互作用模型.其次，在相互作用模型的基礎上設定具體的等離子體環境參數和太陽電池表面材料參數，該文選定SPIS 軟件給定的表面材料Solar cell（Cerium doped＋MgF2）material properties.

圖1 SPIS軟件計算平衡電位流程圖

圖2 太陽電池表面與等離子體相互作用模型

SPIS軟件提供預定義參數，包括：global Parameters－5.1.0、global Parameters－LEO、global Parameters－ SPISGEO、global Parameters standard Vacuum Chanber、SPIS－DUST＿MS＿Parameters 和SPIS－DUST PS Parameters.用戶可選定軟件提供的自定義默認參數，也可針對某一組參數進行數據更改，包括對等離子體各項參數的更改，表面相互作用的選定，輸出設置，程序運行時長與步長等.

2 帶電效應分析

該文選定默認數據global Parameters－5.1.0.空間等離子體環境多為僅由電子構成的等離子體團，故該文計算過程中不考慮離子的影響，將默認數據中電子數密度更改為1.1×104m－3、電子溫度更改為12.0 keV.

為簡單起見，在不考慮光照與材料二次電子的情況下將光電子系數與二次電子系數設為0，多次輸入任務時間與步長數據，最終確定任務時長5.0×104s，步長為0.05 s，運行程序并生成如圖3（d）和圖4所示的空間太陽電池表面二維電位時間變化曲線圖與三維電位分布圖.由圖3（d）可見，對于電子數密度為1.1×104m－3，能量為12.0 keV的電子等離子體環境，電池表面電位隨著時間的推移逐漸增高，增幅趨緩最終平衡電位達到－50.4 kV.需要注意的是，圖4 中右側顏色圖卡數據相同是由于SPIS軟件數據只保留小數點后兩位，實際上數值大小是從藍色到紅色逐漸遞增的.由圖4可見，太陽電池表面電位分布為中心略低于四周，考慮可能是受粒子間相互作用力的影響，但整體分布較為均勻，電位約為－50 kV.

圖3 SPIS航天器表面電位變化曲線圖

圖4 SPIS軟件仿真航天器表面電位三維分布圖

圖3（a）、（b）、（c）中同時給出趙呈選等人基于PIC方法得到的航天器表面不同材料電位隨時間變化曲線圖，三條曲線分別為CERS、ITO與Kapton 材料發生帶電效應時表面電位的變化［3］.該文計算的表面電位更高.

等離子體環境一般認定電位為零，航天器在等離子體環境中運行時，其表面積累電子帶負電，電位為負值，故航天器表面與等離子體可視作平板電容器［4］，航天器表面帶電過程即為電容器充電過程，這就是航天器與等離子體發生相互作用而產生充電效應的基本物理模型.

由于電子質量小，離子質量大，對于能量相同的等離子體團而言，電子速度大，故航天器表面先累積電子［5］，與等離子體環境形成電容器后，電場方向為從等離子體團指向航天器表面，此后電子受到的電場力阻礙其前進，做減速運動，航天器累積電子速度變慢，表面電位變化趨緩.航天器表面充電達到平衡，電場強度達到最大，航天器表面所帶電子個數不再增加，電容器充電完成.

3 結論

該文在不考慮光照、二次電子等因素的情況下使用SPIS軟件建立太陽電池表面與等離子體相互作用模型，設定等離子體環境電子數密度為1.1×104m－3，能量為12.0 keV時，計算得到二維電位隨時間變化的關系曲線和三維電位分布圖，在5×104s后電位基本達到平衡，約為50 kV，表面電位分布均勻.

航天器表面材料不同，其擊穿電壓有所區別.在工程應用方面，由于空間等離子體分布數據可查閱，針對航天器目標任務，預計運行軌道等條件，通過建立科學的航天器表面與等離子體相互作用模型使用SPIS軟件計算航天器不同部位的平衡電位可以有針對性地為科學設計航天器不同部位的表面材料提供理論依據，具有重要的工程實際應用價值.