通过仿真降低航天器上的静电放电风险

在太空中，没有保护航天器免受辐射的大气层。辐射产生的电荷无法消散，因为航天器没有接地。因此，航天器设计必须适当地减轻航天器表面和内部组件的电荷积累和耗散。

图 1：人类太空舱在地球静止轨道 (GEO) 环境中的 EMA3D Charge 充电模拟

当电荷积累时，它会感应电场。电场的强度可能超过空气、塑料或电介质的击穿极限并导致静电放电 (ESD)。放电造成的损害可能导致任务完全失败。

ADEOS-II——一项耗资 5.67 亿美元的任务——于 2003 年 10 月因太阳能电池阵列中的电弧危害而失败。而这次失败并非孤立事件。大约50%的空间环境航天器异常是由航天器充电效应引起的。1

NASA 和 ESA 制定了设计标准，以先发制人地缓解这些航天器充电问题。对于私营部门而言，满足这些标准可能既昂贵又耗时。突破设计极限需要精确的充电仿真工具，例如 Ansys EMA3D Charge。

表面充电

图 4：上图是人类太空舱表面充电模拟的结果。在航天器周围的 3D 时域中监测电场。下面是太阳光照对月球着陆器高分辨率网格的影响。 

表面充电来自材料对外部辐射的反应，例如环境带电粒子、光照明和摩擦起电。材料对充电效应的响应取决于材料的特性。产生的光电子、二次电子、背散射电子和质子诱导电子与电场相互作用形成等离子体鞘层。在某些航天器轨道环境中，等离子体的表面电势可能超过 10 kV。通过求解电荷平衡，EMA3D Charge 提供了分析航天器表面电荷的方法。

在前往月球的途中，航天器将根据其转移轨道遇到不同规模的表面充电效应。地球静止轨道 (GEO)、低地球轨道 (LEO)、极地轨道、极光轨道和月球轨道都将具有设计规范标准中定义的不同等离子体环境。几何形状、阴影和材料特性，以及等离子体特性或摩擦起电振幅，都会对航天器表面积累的电荷产生影响。使用高保真网格，您不必从模型中遗漏重要细节。月球着陆器和人类太空舱的圆形窗口、传感器、天线和推进器都可以足够保真地啮合，以精确隔离 ESD 关注的区域。

内部充电

图 5：上图，高能电子照射在屏蔽针连接器上。当电子与建筑材料相互作用时，会产生散射粒子和二次光子。下面，引脚周围的电介质中的电场达到了接近典型绝缘体的介电强度的水平。 

内部介电充电是来自太阳的带电粒子（和高能光子）与航天器主体材料相互作用的结果。这些粒子可能会被太阳耀斑或地球磁场加速，例如在范艾伦带或两极附近。这些粒子沉积的电荷会产生可导致电介质击穿的电场。通过对电荷沉积速率和幅度进行建模，工程师可以改进他们的辐射硬化设计、估计 ESD 风险并模拟电子设备上的感应电流。

在带电粒子的能量高到足以导致深度电介质充电的等离子体环境中，EMC 工程师必须关注敏感组件（例如太阳能电池、传感器和裸 露的电缆或连接器）内电荷积累的风险。为了评估电介质中的 ESD 风险，EMA3D Charge 将 3D 粒子传输工具与在时域中求解的电磁学全波有限元法 (FEM) 解决方案相结合。通过这种方法，工程师可以监测粒子与散装材料相互作用引起的电势、电场、电荷和电流。粒子可以入射到各种几何配置上，它们的能谱可以是时间相关的，并且可以一次模拟多种类型的粒子。为了解决作为示例提供的应用程序，EMA3D Charge 改进了网格算法（例如挤压），以确保在模拟大量薄层或具有复杂屏蔽设计的长电缆时具有适当的保真度。需要对 1-mil厚层中的电场进行高分辨率模拟，以隔离存在 ESD 风险的关键区域。

固体介质击穿

图 6：连接到地平面的金属铆钉放置在玻璃电介质中。高能电子沉积在玻璃的顶部，图像电荷在铆钉的尖端积聚。产生的场强到足以击穿玻璃。

如果系统中电荷过多，则产生的电场将超过介质的击穿阈值。从航天器到等离子体，从一个导体到另一个导体穿过等离子体、空气或直接在电介质/绝缘体内部发生放电。更糟糕的是，如果航天器接地不良，这些放电会导致二次电弧，并可能发生类似于 ADEOS-II 的情况。此外，ESD 会发出电磁辐射，这可能会损坏通信系统。例如，连接到敏感电子设备的电缆中积累的过多电荷可能会产生电流，从而损坏仪器。在某些情况下，由于设计限制，您将不得不接受航天器中最少量的初级电弧。在其他情况下，为了模拟电介质击穿（发生在纳秒时间尺度的过程），EMA3D Charge 利用全波电磁求解器和随机树模型计算击穿概率作为电场、材料的介电强度和耦合的函数相邻节点的强度。该概率分布在每个时间步和用于该问题的 FEM 网格的每个节点处进行评估。 

图 7：上图是太阳能电池片击穿的模型设置，其中每个电池都施加了偏置电压并具有材料特性。来自地球同步 (GEO) 环境的电子从顶部以平面几何形状发光。下面是太阳能电池介电击穿造成的真实损坏图像。 

作为这种模拟能力的演示，图 7 中的太阳能电池试片非常适合举例说明与太空太阳能电池板充电相关的问题。四个太阳能电池放置在导电背衬上，每个都分配有不同的偏压。每个电池的底部和顶部都有一层薄薄的粘合剂层。玻璃基板放置在电池顶部以提供电气和机械保护。在 GEO 中，高能电子将沉积在基板顶部，图像电荷将在太阳能电池上形成。在此设计中，电池的几何形状增强了由此产生的电场，结果证明它足够高，足以使玻璃发生介电击穿。 

使用 EMA3D Charge，全波电磁求解器和 3D 粒子传输在同一个 FEM 网格上共同模拟。在这种高辐射环境中经过足够长的时间后，电场超过了玻璃的击穿强度，随机树模型被激活以模拟击穿过程。

图 8 中显示的结果快照展示了模型的电弧损坏。当平均电场达到 3x10 6时，放电首先发生在电池的边缘伏/米。高导电性电弧通道会耗散任何进一步沉积的电荷。随着时间的推移，击穿后电导率超过玻璃电导率，导致较低的电场平衡。电荷密度图显示了由于入射电子而产生的负电荷层。正图像电荷形成在电池和底部基板的边缘，而负电荷形成在粘合剂的顶部。这导致电池边缘的电场增强，导致多个同时击穿。随着击穿的发生，它们会消散高能电子等离子体沉积的空间电荷，从而缓慢降低模型中的总电荷。通过查看放电前后能量和电荷的变化，我们可以计算出它们的平均值。平均电荷为 117 nC，平均能量为19mJ.

为解决上述应用，Ansys EMA3D Charge 利用多个能够进行协同仿真的物理求解器：表面电荷平衡求解器、电磁学的全波 FEM 解决方案和 3D 粒子传输工具。Ansys EMA3D Charge 提供了一种准确详细地模拟各种仪器、材料和轨道目标的电荷积累和耗散的方法，可帮助设计团队开发更强大的空间平台，并最大限度地提高这些昂贵项目的长期成功概率.

1. “空间环境对空间系统的影响”，HC Koons、JE Mazur、RS Selesnick、JB Blake、JF Fennell、JL Roeder 和 PC Anderson；空间与环境技术中心技术运营；1999 年 7 月 20 日