空间太阳电池表面带电效应的SPIS软件仿真*

李 静，胡建民

（哈尔滨师范大学）

0 引言

等离子体为大量带电粒子的集合，航天器在等离子体环境中运行时，会发生表面带电效应，带电粒子在航天器表面积累，一段时间后，航天器表面电位不再发生变化，此时达到充电平衡，航天器表面电位即为充电平衡电位［1］.

美国NASA通过对近些年空间航天器发生故障原因进行调查总结，发现多数航天器特别是太阳电池帆板会由于表面带电效应发生故障，因此表面带电效应越来越受到重视［2］.SPIS 软件是欧空局研发的为航天器与等离子体相互作用过程进行建模的软件.该文通过建立空间太阳电池表面与等离子体相互作用模型，计算表面电位随时间变化的基本规律，旨在为航天器的整体设计提供理论依据.

1 SPIS软件

该文使用SPIS软件对空间太阳电池表面带电效应进行分析，技术流程如图1 所示.首先，建立空间太阳电池表面模型为1m×1m×0.1m的立方体，空间等离子体环境设置半径为5 m 的球体，选定计算区域建立如图2 所示的太阳电池表面与等离子体相互作用模型.其次，在相互作用模型的基础上设定具体的等离子体环境参数和太阳电池表面材料参数，该文选定SPIS 软件给定的表面材料Solar cell（Cerium doped＋MgF2）material properties.

图1 SPIS软件计算平衡电位流程图

图2 太阳电池表面与等离子体相互作用模型

SPIS软件提供预定义参数，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.用户可选定软件提供的自定义默认参数，也可针对某一组参数进行数据更改，包括对等离子体各项参数的更改，表面相互作用的选定，输出设置，程序运行时长与步长等.

2 带电效应分析

该文选定默认数据global Parameters－5.1.0.空间等离子体环境多为仅由电子构成的等离子体团，故该文计算过程中不考虑离子的影响，将默认数据中电子数密度更改为1.1×104m－3、电子温度更改为12.0 keV.

为简单起见，在不考虑光照与材料二次电子的情况下将光电子系数与二次电子系数设为0，多次输入任务时间与步长数据，最终确定任务时长5.0×104s，步长为0.05 s，运行程序并生成如图3（d）和图4所示的空间太阳电池表面二维电位时间变化曲线图与三维电位分布图.由图3（d）可见，对于电子数密度为1.1×104m－3，能量为12.0 keV的电子等离子体环境，电池表面电位随着时间的推移逐渐增高，增幅趋缓最终平衡电位达到－50.4 kV.需要注意的是，图4 中右侧颜色图卡数据相同是由于SPIS软件数据只保留小数点后两位，实际上数值大小是从蓝色到红色逐渐递增的.由图4可见，太阳电池表面电位分布为中心略低于四周，考虑可能是受粒子间相互作用力的影响，但整体分布较为均匀，电位约为－50 kV.

图3 SPIS航天器表面电位变化曲线图

图4 SPIS软件仿真航天器表面电位三维分布图

图3（a）、（b）、（c）中同时给出赵呈选等人基于PIC方法得到的航天器表面不同材料电位随时间变化曲线图，三条曲线分别为CERS、ITO与Kapton 材料发生带电效应时表面电位的变化［3］.该文计算的表面电位更高.

等离子体环境一般认定电位为零，航天器在等离子体环境中运行时，其表面积累电子带负电，电位为负值，故航天器表面与等离子体可视作平板电容器［4］，航天器表面带电过程即为电容器充电过程，这就是航天器与等离子体发生相互作用而产生充电效应的基本物理模型.

由于电子质量小，离子质量大，对于能量相同的等离子体团而言，电子速度大，故航天器表面先累积电子［5］，与等离子体环境形成电容器后，电场方向为从等离子体团指向航天器表面，此后电子受到的电场力阻碍其前进，做减速运动，航天器累积电子速度变慢，表面电位变化趋缓.航天器表面充电达到平衡，电场强度达到最大，航天器表面所带电子个数不再增加，电容器充电完成.

3 结论

该文在不考虑光照、二次电子等因素的情况下使用SPIS软件建立太阳电池表面与等离子体相互作用模型，设定等离子体环境电子数密度为1.1×104m－3，能量为12.0 keV时，计算得到二维电位随时间变化的关系曲线和三维电位分布图，在5×104s后电位基本达到平衡，约为50 kV，表面电位分布均匀.

航天器表面材料不同，其击穿电压有所区别.在工程应用方面，由于空间等离子体分布数据可查阅，针对航天器目标任务，预计运行轨道等条件，通过建立科学的航天器表面与等离子体相互作用模型使用SPIS软件计算航天器不同部位的平衡电位可以有针对性地为科学设计航天器不同部位的表面材料提供理论依据，具有重要的工程实际应用价值.