本發(fā)明屬于geo軌道衛(wèi)星充放電效應(yīng)模擬試驗
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種采用單能電子束模擬空間能譜環(huán)境的方法。
背景技術(shù)：
：空間等離子體環(huán)境和航天器表面材料的相互作用將產(chǎn)生表面充放電效應(yīng)，誘發(fā)的靜電放電將導(dǎo)致電磁干擾，表面材料性能衰退、敏感元件的失效等危害。國內(nèi)外一直都在積極研究影響等離子體與航天器相互作用的模擬試驗技術(shù)，使用低溫等離子體源模擬空間低軌道等離子體環(huán)境，或使用電子槍模擬地球同步軌道(geo)的等離子體環(huán)境?？臻g等離子體的能量和密度分布范圍很廣，尤其在geo軌道，其等離子體環(huán)境非常復(fù)雜，并受太陽風(fēng)影響很大，粒子能量范圍很寬，幾乎涉及所有能量的等離子體，粒子的能譜也不完全一樣；在不同的地磁活動條件下，其構(gòu)成區(qū)域也不完全相同，在地磁寧靜時，該區(qū)域充滿冷等離子體(e≤10ev)，發(fā)生地磁暴時有大量熱等離子體(e＞10ev，最高可達(dá)100kev)進(jìn)入此區(qū)域。針對geo軌道的等離子體特性，國內(nèi)外都是采用基于等離子體的單麥克斯韋或雙麥克斯韋分布函數(shù)進(jìn)行表征。然而在地面模擬試驗中，希望采用電子槍模擬空間等離子體能譜的分布特性，但是由于電子槍只能產(chǎn)生單能的電子束，因此無法準(zhǔn)確模擬空間等離子體能譜的分布特性，導(dǎo)致地面模擬試驗的準(zhǔn)確度降低。技術(shù)實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明提供了一種采用單能電子束模擬空間能譜環(huán)境的方法，適用于geo軌道衛(wèi)星充放電效應(yīng)模擬試驗，該方法能夠提高單能電子束模擬空間等離子體環(huán)境的準(zhǔn)確性，保證地面模擬試驗的準(zhǔn)確度。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明具體方法如下：一種采用單能電子束模擬空間能譜環(huán)境的方法，包括：步驟一、確定geo軌道空間等離子體分布函數(shù)f(v)，以及該分布函數(shù)的速度要素；步驟二、分別建立單能電子束和等離子體的表征參數(shù)與所述速度要素的表達(dá)關(guān)系；步驟三、以速度要素相同為匹配目標(biāo)，根據(jù)所要模擬的空間能譜環(huán)境的等離子體表征參數(shù)值，建立匹配方程，通過解方程獲得用于模擬空間能譜環(huán)境的單能電子束的密度和速度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為單能電子束的能量和束流密度。優(yōu)選地，定義geo軌道空間等離子體分布函數(shù)的速度要素為m0、m1、m2、m3；其中，k＝0,1,2,3，v為等離子體的速度；所述單能電子束的表征參數(shù)為密度nb和速度vb，等離子體的表征參數(shù)為給定粒子類型的密度<n>、粒子束流<nf>，束流壓力<p>和能量束流<ef>；則單能電子束的表征參數(shù)與4個速度要素的表達(dá)關(guān)系為：m0＝nbm1＝vbnb則等離子體的表征參數(shù)與4個速度要素的表達(dá)關(guān)系為：m0＝<n>＝n式中k為玻爾茲曼常數(shù)，t為等離子體的粒子溫度，m為等離子體的粒子質(zhì)量，n為等離子體的粒子密度。優(yōu)選地，對于1個單能電子束模擬等離子體的情況：nb＝n其中，tav為等離子體的平均溫度：優(yōu)選地，對于1個單能電子束模擬等離子體的情況：其中，trms為等離子體的均方根溫度，<v>為等離子體的平均速度；優(yōu)選地，對于2個單能電子束模擬等離子體的情況：式中v1取“+”號，v2取“-”號。n2＝n-n1其中，v1和v2分別為2個單能電子束的速度，n1和n2分別為2個單能電子束的密度；tav為等離子體的平均溫度，trms為等離子體的均方根溫度，<v>為等離子體的平均速度：有益效果本發(fā)明通過匹配單能電子束流和空間能譜分布等離子體的速度要素，計算獲得單能束的能量和束流密度選取參數(shù)，更為準(zhǔn)確地實現(xiàn)了空間能譜等離子體環(huán)境特性的描述，為提高衛(wèi)星充放電效應(yīng)地面模擬試驗的準(zhǔn)確性提供支持。具體實施方式本發(fā)明提供了一種采用單能電子束模擬空間能譜環(huán)境的方法，其核心思想是，構(gòu)建聯(lián)系單能電子束和geo軌道空間等離子體的要素，通過匹配單能電子束流和空間能譜分布等離子體的要素，計算獲得單能束的能量和束流密度選取參數(shù)，更為準(zhǔn)確地實現(xiàn)了空間能譜等離子體環(huán)境特性的描述。具體來說，該方案包括如下步驟：步驟1、確定geo軌道空間等離子體分布函數(shù)及相關(guān)參數(shù)。本實施例中，geo軌道空間等離子體采用單麥克斯韋分布函數(shù)表示，則函數(shù)的表達(dá)式如下式：式中n，m，t，v分別為粒子密度、質(zhì)量、溫度和速度。k為波爾茲曼常數(shù)。這里相關(guān)參數(shù)為n，m，t，v，這些參數(shù)在模擬時是給定的已知數(shù)據(jù)。在實際中，還可以采用雙麥克斯韋分布函數(shù)。步驟2、定義等離子體分布函數(shù)的“速度要素”。分別建立單能電子束和等離子體的表征參數(shù)與4個速度要素的表達(dá)關(guān)系。為有效表征geo軌道等離子體環(huán)境特性，首先定義了用于描述等離子體特性的4個表征參數(shù)：粒子類型的密度<n>、粒子束流<nf>，束流壓力<p>和能量束流<ef>，詳見《modelingofthegeosynchronousorbitplasmaenvironment》，reportno.afgl-tr-78-0304,對于麥克斯韋分布函數(shù)具體表述為：并給出等離子體的平均溫度tav和rms(均方根)溫度trms計算方法：對于麥克斯韋速度分布函數(shù)，可以定義分布函數(shù)f(v)的“速度要素”為：式中4πv2dv項表示在(各向同性)速度空間內(nèi)的無限小單元。接著，建立單能電子束的表征參數(shù)與4個速度要素的表達(dá)關(guān)系。單能電子束的表征參數(shù)為單能束流粒子的密度和速度——nb和vb。那么，對于單能電子束，速度要素mk可由下式給出：m0＝nbm1＝vbnb然后，建立等離子體的表征參數(shù)與4個速度要素的表達(dá)關(guān)系。對于麥克斯韋分布特性等離子體，速度要素mk，與k的一些值的物理平均相關(guān)。如，m0、m1、m2、m3分別與等離子體中給定粒子類型的密度<n>、粒子束流<nf>，束流壓力<p>和能量束流<ef>有關(guān)：m0＝<n>＝n平均速度<v>在方程(3)中的定義為：平均和rms(均方根)溫度由下式給出：步驟三、以速度要素相同為匹配目標(biāo)，根據(jù)所要模擬的空間能譜環(huán)境的等離子體表征參數(shù)值，建立匹配方程，通過解方程獲得用于模擬空間能譜環(huán)境的單能電子束的密度和速度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為單能電子束的能量和束流密度。首先，分析1個單能束匹配麥克斯韋分布等離子體的情況：表征1個單能束特性的物理量包括粒子速度和密度2個參數(shù)，為求解這2個參數(shù)必須建立2個匹配方程，因此一個束流需匹配麥克斯韋等離子體的兩個速度要素，可表述為：mj、mk為第j，k個麥克斯韋分布等離子體速度要素，如公式(6)中所述。如選擇第0個和第2個速度要素匹配時，如下式：可計算獲得：nb＝n或公式中的tav可以采用式(8)計算獲得，式(8)中的速度要素可以通過式(4)的積分獲得，或者式8中的等離子體表征參數(shù)可以通過式(1)的積分獲得。如選擇第1個和第3個速度要素匹配時，如下式：可計算獲得：或eb＝2ktrms(能量形式表述)(11)其中，公式中的trms可以采用式(8)計算獲得，<v>可以通過式(7)計算獲得，式(7)(8)中的速度要素可以通過式(4)的積分獲得，或者式(8)中的等離子體表征參數(shù)可以通過式(1)的積分獲得。其次，分析2個單能束匹配麥克斯韋分布等離子體的情況：表征2個單能束特性的物理量包括粒子單能束1的速度(v1)和密度(n1)和單能束2的速度(v2)和密度(n2)4個參數(shù)，為求解這4個參數(shù)必須建立4個匹配方程，因此2個束流需匹配麥克斯韋等離子體的4個速度要素，可表述為：n1+n2＝m0n1v1+n2v2＝m1所述步驟4中通過求解(12)式，可得2個單能束流的速度、密度：式中v1取“+”號，v2取“-”號。n2＝n-n1(11)在一般應(yīng)用中需將2個單能束流的速度、密度轉(zhuǎn)換為單能束的能量e1、e2和束流密度j1、j2：對于1個單能電子束模擬等離子體的情況，也需要將匹配獲得的電子束的密度和速度轉(zhuǎn)化為能量和束流密度，從而符合實際應(yīng)用時的參數(shù)選取。下面給出一個具體示例。1)確定geo軌道空間等離子體分布函數(shù)為單麥克斯韋分布函數(shù)，函數(shù)的具體參數(shù)如附表1所示，等離子體密度n＝1.12cm－3，溫度t＝12kev。2)定義分布函數(shù)的“速度要素”密度，束流，壓力和能量束流，將電子密度n＝1.12cm－3和溫度t＝12kev代入(3)式。3)采用兩個單能束模擬空間等離子體環(huán)境，匹配分布函數(shù)的密度，束流，壓力和能量束流，建立“速度要素”匹配方程組。4)求解方程計算獲得兩個單能束的能量和密度選取參數(shù)分別為：n1,2＝[0.382,0.618]ne1,2＝[3.007,0.568]t計算獲得兩個單能電子槍的能量和束流密度如附表2所示。表1geo軌道單麥克斯韋函數(shù)參數(shù)參數(shù)最壞情況下的環(huán)境參數(shù)電子數(shù)密度，cm－31.12電子溫度，kev12.0表2單能電子槍的能量和束流密度表綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12