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算模型，利用基于PIC( Particle In Cell) 方法的仿真程序，計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，這是因為向光面處的光電子充電電流的影響很大，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。