空间带电物体中和的模型分析

空间物体带电会吸引附近的异性电荷，排斥同性电荷，这一过程是引起德拜屏蔽的主要原因。然而由于空间等离子体密度低，带电航天器中和过程（或进一步充电过程）并不能直接以库仑力的表现形式笼统计算。一般来说，将空间物体看作一个朗缪尔探针，依据轨道限制机制可以估算其中和过程，这一机制在高轨及同步轨道具有很好的适用性，低轨道误差略大一些，但也在承受范围内。

非带电情况属于比较理想的情况，此时既不会吸引也不会排斥电荷，一般来说，这种状态并不存在，但它却是带电情况的理论基础。基于朗缪尔探针近似，球形物体收集流［12，16］为

式中：r 为物体半径；q 为收集流粒子带电量；v 为物体运动速度；n 为等离子体电荷密度。一般情况下，由于正离子质量远大于电子，对于非带电或弱带电物体，其电子通量比离子通量要高两个量级左右。如果物体带正电，则其吸引电子，排斥正离子，此时基本可以完全忽略正离子的碰撞引起的电流；如果物体带负电，则其吸引正离子，排斥电子，此时物体的净电流需要综合讨论。在讨论带电航天器补给电荷能力之前，先讨论一下不带电时航天器收集电子和质子的能力，其结果分别如表10-5 和表10-6 所示。

表10-5　不同轨道高度上不同大小航天器收集电子流的能力(www.xing528.com)

表10-6　不同轨道高度上不同大小航天器收集离子流的能力

假定航天器净收集流与发射流相等，航天器保持不带电持续运行，这里的净收集流正好等于可由空间等离子体自行中和的最大发射电流，主要由运行轨道环境、航天器尺寸等参数决定。净收集流是指航天器在轨同时收集的电子流与离子流的差值，由表10-5 和表10-6 中数据可知，离子收集流远小于电子收集流，因此也可以近似看作等于电子收集流。在航天器半径1～20 m 范围内，不难看出在低轨道下，零电位航天器最大可发射电子流的范围为0.24～96.8 A，同步轨道仅为0.4～160 mA，收集质子的速度比电子还要小1～2 个量级，相应地可发射质子流也下降1～2 个量级。因此可以说，空间补给离子的能力远小于补给电子，而且同等能量、同等束流离子束的实现难度远大于电子束，电子束的应用在这一方面要优于离子束。