地球同步軌道航天器在地磁亞暴環(huán)境下處于向光面和背光面的兩側(cè)會產(chǎn)生電位差。本文利用高能電子和高能離子的雙麥克斯韋分布擬合同步軌道環(huán)境等離子體并加入二次電子和光電子的影響，建立了航天器的三維計(jì)算模型，利用基于PIC( Particle In Cell) 方法的仿真程序，計(jì)算了航天器表面各材料的充電電位及其附近的等離子體的電位分布，以及低能電子、高能電子、二次電子和光電子的密度分布和充電電流分布，最后探討了航天器不同表面材料電勢隨時間的變化情況。

　　地球同步軌道(GEO) 高度約為6 個地球半徑，一般情況下，整個軌道貫穿來自太陽風(fēng)的高能電子離子云(常引起地磁亞暴) 、外范艾倫輻射帶以及地球陰影區(qū)的低能高密度的等離子體環(huán)境。由于同步軌道貫穿的區(qū)域不同，而不同區(qū)域等離子體能量和溫度存在巨大差異，因此形成了GEO 航天器極其嚴(yán)酷的充電環(huán)境。地球GEO 的航天器充電一般發(fā)生在其浸沒于地磁亞暴期間的高能等離子體云中時，這些等離子體云的粒子密度為10⁶ ～10⁷m^-3，而能量為1 ～50keV。環(huán)境中高能電子成分可以使航天器表面充至很高的負(fù)電位并造成材料的不等量帶電。

　　自旋穩(wěn)定同步軌道航天器(SCATHA，Spacecraft Charging at High Altitudes) 在地磁亞暴期間測得其表面材料最高電位達(dá)-28 kV，在其中一個事件中，表面材料之間電位差超過9.5 kV。地磁亞暴典型地每幾個小時發(fā)生一次，因此在地球GEO 發(fā)生數(shù)十千伏的帶電情況是很頻繁的。由于航天器表面材料的光照條件、幾何形狀和介電常數(shù)等不同，地磁亞暴環(huán)境中處于向光面和背光面的航天器兩側(cè)會產(chǎn)生電位差，當(dāng)該電位差達(dá)到或超過航天器材料擊穿閾值后，便會在航天器材料表面產(chǎn)生靜電放電(ESD) ，嚴(yán)重放電會引起航天器故障。

　　目前，國際上模擬地球GEO 航天器表面充電過程的相關(guān)研究工作已取得重要進(jìn)展并編寫了相關(guān)的仿真軟件。

　　討論

　　本文建立了基于PIC 方法的航天器表面電位仿真程序，在程序中加入了模擬光電子和二次電子的宏粒子，并為航天器表面材料建立了可調(diào)用的數(shù)據(jù)庫，同時，在等離子體環(huán)境模型構(gòu)建中使用雙麥克斯韋分布來擬合空間所探測的最惡劣環(huán)境能譜，在充電水平和充電時間上得出了和國外文獻(xiàn)基本一致的仿真結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

　　(1) Kapton 材料的相對介電常數(shù)為3，并且其絕對電容約10^-10 F，因此在GEO 軌道環(huán)境背光面，其表面充電現(xiàn)象會非常嚴(yán)重，但Kapton 是航天器上經(jīng)常使用的介質(zhì)材料，工程上可以通過在其表面鍍ITO 來降低航天器的充電水平。

　　2) 處于背光面和向光面的同種介質(zhì)材料(Kapton) ，其充電平衡電位會有很大差別，這是因?yàn)橄蚬饷嫣幍墓怆娮映潆婋娏鞯挠绊懞艽螅�本文中向光面充電電流約為背光面充電電流的10⁷ 倍。

　　(3) GEO 航天器太陽能電池板表面玻璃片會呈現(xiàn)相對于基底介質(zhì)材料的電位差，為了防止銀互聯(lián)處靜電放電，可在太陽能電池板上鍍上一層導(dǎo)電涂層。

　　(4) 地磁亞暴環(huán)境下航天器背光面介質(zhì)材料會被充至很高的負(fù)電位，并且介質(zhì)材料附近等離子電位變化劇烈，因此安裝在GEO 航天器上的空間等離子測量儀器盡量遠(yuǎn)離航天器表面介質(zhì)材料并避開擾動等離子體區(qū)域。