當(dāng)航天器運行在低能、高密度的低軌等離子體環(huán)境中時，由于航天器軌道速度大于離子的熱速度而遠(yuǎn)小于電子的熱速度，因此電子可較容易地進(jìn)入航天器尾部并沉積到表面材料上，從而形成一負(fù)電位勢壘產(chǎn)生所謂的“尾區(qū)效應(yīng)”。特別是在地球極區(qū)的背景等離子體環(huán)境中，由于高能極光電子的注入，大傾角極軌航天器尾區(qū)介質(zhì)材料將會發(fā)生嚴(yán)重的充電過程。通過對擬合極光電子的微分通量譜分布分析，計算了極光電子收集電流和背景等離子體中離子的收集電流。

　　引言

　　和地球同步軌道相比，低地球軌道航天器一般不會發(fā)生嚴(yán)重的表面充電現(xiàn)象，其充電水平和周圍稠密、低溫等離子體溫度大約相同的量級。如果航天器處于不經(jīng)過極區(qū)的低軌傾斜軌道，電離層等離子體主導(dǎo)航天器表面充電電流，并且航天器表面電勢遠(yuǎn)小于太陽能電池陣產(chǎn)生的電勢。

　　通過極區(qū)(地磁緯度定義為60～75°)的極軌軌道，是特殊的低軌軌道，在該軌道環(huán)境中既有低溫、稠密的背景等離子體，又有高能極光電子的注入，因此當(dāng)背景離子密度減小或極光電子通量增加時，通過極區(qū)的航天器將被充至負(fù)幾百伏甚至負(fù)幾千伏。當(dāng)航天器表面的絕緣介質(zhì)材料和航天器結(jié)構(gòu)的差別電勢超過一定閾值就會發(fā)生電弧放電，嚴(yán)重情況下電弧放電會造成航天器故障。2003年10月，日本地球觀測航天器ADEO-Ⅱ遭遇致命的電源系統(tǒng)故障，主要原因是極光電子對未接地絕緣體的充電引發(fā)了電纜中持續(xù)的電弧放電。

　　對低軌特別是極軌航天器上的高電位充電或其他環(huán)境效應(yīng)的預(yù)測會比地球同步軌道復(fù)雜，主要原因有三方面：

　　(1)空間電荷效應(yīng)(鞘層和尾區(qū)電位)更顯著，因為空間等離子體環(huán)境密度很高(德拜長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于航天器的特征尺寸)；

　　(2)離子流效應(yīng)顯著，因為航天器的軌道速度大于離子的熱速度；

　　(3)地磁場似乎會對極區(qū)帶電粒子的運動產(chǎn)生重要影響，因為帶電粒子的平均回轉(zhuǎn)半徑和典型的航天器尺寸具有可比性。在表面有較多電介質(zhì)材料的航天器上，局部充電現(xiàn)象就會凸顯，特別是在航天器尾區(qū)一面的電介質(zhì)材料上。

　　1、極軌航天器表面與空間等離子體相互作用

　　在空間中的等離子體，離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，空間中電子的熱運動速率遠(yuǎn)大于離子熱運動速率，開始時航天器表面沉積的電子電流會大于離子電流，使航天器帶負(fù)電。隨著充電電位絕對值的升高，電子電流逐漸減小，離子電流開始增加，同時入射電子的能量逐漸降低致使二次電子發(fā)射增加，從另一方面降低了充電電流，最終會達(dá)到一個動態(tài)的平衡，此時的表面電位即為平衡電位。由于航天器表面由不同的材料組成，并且材料的相關(guān)參數(shù)不同，所以這些材料的平衡電位是不同的，從而在航天器表面形成不均勻的電位分布。

　　航天器尾區(qū)介質(zhì)材料表面帶電相關(guān)的物理過程主要有二次電子發(fā)射、光電子發(fā)射、背散射以及材料電荷泄放等，是一個動態(tài)電流平衡過程。導(dǎo)致介質(zhì)材料帶電的電流不僅包含入射電子和離子電流，還包括二次發(fā)射電子電流、背散射電子電流、光電子電流以及材料的泄放電流。

　　當(dāng)極軌航天器尾區(qū)介質(zhì)材料表面處于充電平衡狀態(tài)時，電流平衡方程為：

　　式中：V 為介質(zhì)表面電勢；IE 為介質(zhì)表面入射電子電流，包括背景環(huán)境中的低能電子和高能極光沉降電子；II 為介質(zhì)表面入射離子電流；ISE 為電子撞擊產(chǎn)生的二次電子電流；IBSE 為電子撞擊產(chǎn)生的背散射電子電流；IPH 為光電子電流；IC 為介質(zhì)材料的泄露電流；IT 為航天器表面靜電流，當(dāng)航天器處于充電平衡時IT =0 。

　　1.1、高能極光電子沉降譜的擬合

　　在極軌等離子體環(huán)境中，背景低能等離子體可以通過單麥克斯韋分布來描述。對于航天器尾區(qū)充電過程中的極光電子電流，可以通過擬合航天器在軌發(fā)生充電事件時的極光電子在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得。采用美國極軌氣象衛(wèi)星DMSP等離子體測量載荷SSJ/4獲得的極光電子監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖1為不同時間段內(nèi)航天器發(fā)生帶電事件時監(jiān)測到的極光電子微分能量通量譜，根據(jù)低能段和高能段的通量不同可以把譜分布分成三類。

圖1 三種典型的極光電子譜的雙麥克斯韋擬合圖

　　2、結(jié)論

　　利用等離子體軌道限制探針理論計算了極軌航天器周圍稠密等離子體分布特性和充電電流，并用能量的雙麥克斯韋函數(shù)擬合方法研究極光電子的通量能量譜，獲得了極光電子對航天器表面的充電電流，同時計算了航天器表面常用材料的二次電子和光電子電流，建立了極光電子環(huán)境下尾區(qū)帶電模型。主要結(jié)論為：

　　(1)極軌航天器尾區(qū)材料表面電流平衡方程中考慮了材料的泄露電流，但電流值較小，具體計算中忽略了其影響；

　　(2)建立了極光電子的雙麥克斯韋分布函數(shù)，在該函數(shù)的基礎(chǔ)上通過數(shù)值非線性全局優(yōu)化方法對極光電子譜進(jìn)行了擬合，并獲得了相應(yīng)的擬合參數(shù)；

　　(3)利用軌道限制模型計算了有心力場中離子在航天器周圍的撞擊密度分布，根據(jù)離子撞擊密度分布計算了其充電電流。并且，計算出的電流密度分布顯示出航天器的離子尾區(qū)特征；

　　(4)極光電子環(huán)境下尾區(qū)帶電模型的建立為PIC(Paritcle-In-Cell)方法模擬航天器尾區(qū)帶電過程建立了理論基礎(chǔ)。