中性气体释放诱发航天器放电的机理及粒子模拟算法研究

Electrostatic discharge caused by changing and discharging effect is a major cause of spacecraft anomalies and mission failure. How to effectively analyze the charging and discharging effect of spacecraft by multi-factor environment effects is an important direction of current spacecraft radiation-hardened field。Discharge mechanism is one of the weakest link in the process of in-deep study of charging and discharging, which severely restricted the evolve of spacecraft charging and discharging mechanism and protective effect technology . Theoretical and experimental results show that the neutral gas is not only one of the major factors in spacecraft charging process, it is the key to research spacecraft discharge and sympathetic arcs mechanism. With FDTD-PIC method and MCC method in this project, based on the realization of the spacecraft charging model with ionization of the neutral gas, explore the mechanism of neutral gas induced discharge and sympathetic arcs of spacecraft, is of great significance to elucidate the synergistic mechanism of gas discharge and vacuum discharge during charge and discharge of spacecraft. This project not only laid a foundation for spacecraft discharge mechanism ,but also for the spacecraft charging comprehensive analysis model by the multi-factor environment effects.

充放电效应引发的静电放电是导致航天器异常和任务失败的主要原因之一。如何有效分析航天器在多因素环境作用下的充放电效应是当前航天器抗辐射加固领域的一个重要研究方向。放电机理研究是深入研究充放电过程的一个薄弱环节，严重制约了航天器充放电效应机理及防护技术的不断发展。理论和实验证明，中性气体不仅是航天器充电过程中的一个主要影响因素，更是研究航天器放电与协同放电机制的关键所在。本项目采用FDTD-PIC方法与MCC方法，在实现基于中性气体电离算法的航天器充电模型的基础上，探索了中性气体诱发航天器放电与协同放电的作用机理，对阐明航天器充放电过程中气体放电与真空放电现象的协同规律有重要意义，不仅为航天器放电机理研究打下了一定的基础，也为多因素环境协同下航天器充放电综合分析模型的建立奠定了方法基础。

航天器综合充放电分析是空间安全与维护领域的一个薄弱环节，缺少有效的系统研究方法和手段。本项目基于航天器充放电模型和数值方法提出了一种半数值半解析的综合充放电分析模型和方法，通过编制实现用于多种因素影响下的复杂放电机制分析。主要研究内容和结果包括：1）完成了航天器表面充放电、介质深层充放电的解析模型和数值模型，以及束流发射或辐照诱发放电航天器充放电机理及解析模型研究；这一部分工作加深了对航天器放电现象的理解，为后续的程序编制工作打下了基础，同时还为空间安全领域新载荷的研究奠定了理论基础。2）以中性气体为突破口，基于FDTD-PIC方法和MCC方法的实现航天器充放电过程气体电离、粒子传输与沉积的算法研究与程序编制，为后续进一步研究多因素作用下航天器综合放电分析打下基础。3）基于这一程序分析航天器真空放电、气体放电以及协同放电过程的物理机理。基于目前的程序对恒压放电过程中中性气体气压、不等量电位、初始粒子流密度等对放电的影响进行了研究，得出了初步的放电过程中的相关参数阈值或规律。通过简单的放电仿真和机理分析，验证了粒子模拟方法作为航天器综合充放电效应研究的新的思路和方法是可行的，对于进一步研究航天器复杂充放电过程具有较好的参考价值和借鉴意义。