自然空间环境的充放电特点优化方案：探析自然空间的充放电特点

充放电效应具有空间分布特性和时间分布特性，并与空间环境扰动密切相关，不同轨道高度会有不同充放电效应特点。在地球轨道空间，空间粒子辐射存在很大的差异性，空间等离子体、高能电子随高度和纬度的变化而变化，如图3-8 所示。表面充放电效应与等离子体的温度相关，深层充放电效应与高能电子的能量和总积分通量相关。

图3-8　自然空间等离子体特征［5］

1.表面充电效应分布特点

LEO 轨道（低地球轨道，从100 km 到2 000 km，低倾角）航天器经历的等离子体环境与GEO 轨道（地球静止轨道，36 000 km）、极区航天器不同。该轨道等离子体密度大、温度低。LEO 轨道航天器表面充放电问题不严重，表面充电只需要考虑暴露在航天器外部、大于150 V 的高压系统（例如，高压太阳帆板）的表面充放电问题。

GEO 轨道、MEO 轨道（从8 000 km 到25 000 km）和极区的空间等离子体温度高、密度小，并伴随有地磁亚爆活动，运行于这两个区域的航天器将面临严重的表面充电问题。

图3-9 给出了航天器表面电位随高度和纬度的分布情况，即表面充电的主要区域为GEO 轨道、MEO 轨道。在1 000 km 以下，表面充电主要发生在极区。

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图3-9　表面电位等值线图与高度和纬度的关系［6］

2.深层充电效应分布特点

图3-10 给出了赤道径向的电子注量率分布。高能电子存在两个分布峰，称其为内、外辐射带。MEO 轨道正好覆盖了外辐射带的中心高度（20 000～30 000 km），运行于该高度的航天器将面临最恶劣轨道环境，面临着最严重的深层充电效应。GEO 轨道位于外辐射带的中心高度之外，接近外辐射带外边缘。在空间环境扰动时，辐射带所处的高度会有较大变化，相应的高能电子通量会有数量级的变化，该轨道也易发生深层充电。对于不同轨道深层充电危险的严重性，GEO 轨道和MEO 轨道深层充放电危险等级最高，LEO 轨道航天器不存在深层充放电问题。

图3-1　0 赤道径向的电子注量率分布［7］

对卫星在不同等离子体环境下的充电情况的研究表明，具有良好导电性能（如金属）的航天器表面，充电电位在几伏至几十伏；而对于绝缘表面，充电电位可高达10 000 V。暴露于太阳光的表面将充到几伏至几十伏正电位；处于阴影的介质或绝缘表面可能充到1～10 kV 的负电位。此外，航天器运行轨道对表面充电也有重要影响，因为轨道不同，等离子体参数（密度、温度、电子电流、离子电流）差别很大。在较低的高度（＜2R，R 为地球半径），航天器充负电；相反，在较高的高度（＞3R），光电子流占优势，航天器将充正电。

如果航天器表面材料选用了绝缘材料（如Kapton、Teflon 等）会发生差异，航天器表面的不同部位会充有不同的漂浮电位。在GEO 轨道，因等离子体密度很低，太阳辐射产生的光电子发射电流在电流平衡中起重要作用，航天器光照面发射的光电子会抵消入射的电子流作用，使光照面电压为0 V 左右；在背阳面，没有光电子存在，航天器表面充有负电位。随着背阳面负电位增加，会阻止向阳面光电子发射，从而整个航天器开始充负电位。这样航天器表面不同位置会带有约千伏的差异电位，差异充电比绝对充电更具有危险性，其会导致航天器表面电弧或静电放电（ESD），从而引起航天器各种在轨异常。