空间等离子体温度对通信卫星表面电位的影响

摘 要：低轨道是通信卫星运行的主要区域，电离层等离子体是其最主要的空间环境。当卫星在此区域运行时，会因等离子体作用而导致其表面充电，引起故障。文章中，我们运用充电分析软件SPIS建立模型，通过计算得出等离子体温度对通信卫星表面电位的影响。

关键词：充电；表面电位；等离子体；低轨道

1 概述

据统计，空间环境诱发的卫星故障，30%是等离子体对卫星表面充电导致的[1]。引起卫星表面充电的低能量电子和离子密度很大，表面充电经常发生。近年来，航天仿真技术因具有成本低廉，操作性强等优点迅速发展，本文利用欧空局SPIS软件建立等离子体对卫星充电模型并进行仿真计算，研究其对卫星表面充电电位的影响。文中进行电位比较不考虑正负，只考虑数值大小。

2 低轨道卫星表面充电电位变化规律

2.1 低轨道空间等离子体环境

低轨道300km～500km高度等离子体密度最高，也是卫星运行的集中区域[2]，发生充电的几率最大，我们利用SPIS软件进行充电仿真计算，研究等离子体环境对卫星表面充电电位的影响。图1和图2分别是等离子体电子温度Te和离子温度Ti随高度变化图。

2.2卫星表面充电电位仿真计算

表面电位V是表征卫星表面充电特性的最重要参数，假设卫星均匀充电，我们用软件计算卫星充电情况，得出V在Te和Ti变化时随不同时间段变化图3和图4。

图3中，在等离子体密度N=7×1011m-3，Ti=0.086eV（400km）条件下，V在T=175μs时达到最大值，此后保持不变。曲线①为Te=0.190eV时，卫星表面充电电位V=-0.285V；②为Te=0.207eV时，V=-0.327V；③为Te=0.224eV时，V=-0.371V。

图4中，在N=7×1011m-3，Te=0.207eV（400km）条件下，V在T=175μs时达到最大值，此后保持不变。①为Ti=0.121eV时，V=-0.293V；②为Ti=0.086eV时，V=-0.321V；③为Ti=0.060eV时，V=-0.327V。

从图3和图4可知，V在初始阶段变化明显，此后变化趋于平缓，一定时间后达到固定值并保持不变。Te和Ti不同的情况下，V的大小是不同的。在N和Ti一定时，相同时间内，Te越高，V越高。而在N和Te一定时，相同时间内， Ti越高V越低。

2.3 卫星表面充电电位变化理论分析

V变化逐渐趋缓并最终保持不变是因为电子流密度在初始阶段大，V迅速增大，其产生的负电场显著增大，造成流向卫星表面的离子密度流逐渐增大，电子流密度逐渐减小，使V变化缓慢，最终电子流密度和离子流密度达到动态平衡，V达到最大值并保持不变。Te越高V越高，Ti越高V越低是因为随着Ti升高，离子运动速度加快，从而充电过程中，快速移向卫星表面并中和卫星表面的电子，使卫星表面电位降低。

3 结束语

通过利用SPIS软件进行仿真计算我们发现，等离子体中电子温度越高，达到充电平衡时的电位数值越大；而离子温度越高，电位数值越小。与离子温度相比，电子温度的改变引起充电电位的变化更加明显，因此表面充电电位数值随轨道高度增加而逐渐增大。随着高度增加，电子温度继续升高，离子温度变化越来越小。通常情况下，对高度1000km以上低轨道区域进行计算时，不考虑离子温度的影响，可以使模型简单化，提高计算速度并且对结果影响不大。低轨道通信卫星表面充电是影响其运行安全的重要因素，研究等离子体温度对充电电位数值的影响可以为我们对卫星进行防护提高参考。

参考文献

[1]都亨，叶宗海.低地球轨道航天器空间环境手册[M].北京：国防工业出版社，1996.

[2]黄本诚，童靖宇.空间环境工程学[M].北京：中国科学技术出版社，2010.