一種衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路集總單元模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種實(shí)物模型的電路建模方法，具體設(shè)及一種衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路集總 單元模型建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星在復(fù)雜的空間環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到太空環(huán)境中各種因素的影響。在高能電 子福照等條件作用下，衛(wèi)星表面所用材料會(huì)發(fā)生表面充電與深層充電的現(xiàn)象，產(chǎn)生靜電電 位，并最終由于充電至一定水平而發(fā)生靜電放電現(xiàn)象。該靜電放電除了對(duì)衛(wèi)星上所用材料 造成損傷外，其信號(hào)還可沿衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)向其余各個(gè)部分傳導(dǎo)，并有可能誘發(fā)衛(wèi)星上電子系 統(tǒng)工作異常，從而降低衛(wèi)星在空間環(huán)境中運(yùn)行的可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)s短衛(wèi)星的運(yùn)行壽 命。
[0003] 國外對(duì)于衛(wèi)星充電放電類問題的研究起始于二十世紀(jì)中葉，對(duì)于此類問題已經(jīng)形 成了一系列成熟的研究方法，同時(shí)也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。而我國關(guān)于此類問題的研究起步 較晚，在空間環(huán)境試驗(yàn)、地面模擬空間環(huán)境試驗(yàn)與充放電效應(yīng)仿真計(jì)算等方面與國外均有 差距，因此有必要在此領(lǐng)域展開大力研究，從而縮小我國在航天事業(yè)上與其他國家的差距。
[0004] 目前美國國家航空航天局對(duì)于此類問題的研究步驟如附圖1所示。首先，完成衛(wèi)星 結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)W及衛(wèi)星充電環(huán)境的搭建;其次，結(jié)合NASCAP綜合計(jì)算程序分析衛(wèi)星各個(gè) 部位放電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，W確定衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)激勵(lì)源位置W及激勵(lì)脈沖特性;之后，根據(jù)衛(wèi)星 結(jié)構(gòu)建立與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的集總單元電路模型(LEM)，結(jié)合前一步所確定激勵(lì)源模型，應(yīng) 用電路分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析求解，確定各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)電流;最終，根據(jù)各個(gè)部位結(jié)構(gòu) 電流確定禪合至衛(wèi)星上電子系統(tǒng)內(nèi)的禪合電流，從而評(píng)估空間靜電放電化SD)的危險(xiǎn)等級(jí)。 為了使用該方法來研究衛(wèi)星充放電問題，有必要建立衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的集總單元電路模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路集總單元模型建立方法，從而評(píng)估衛(wèi) 星在空間環(huán)境充放電效應(yīng)的危險(xiǎn)等級(jí)；通過建立衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的集總單元電路模型，并使用 商用電磁分析軟件對(duì)該電路模型進(jìn)行分析，確定主結(jié)構(gòu)上各個(gè)部位的結(jié)構(gòu)電流，最終確定 禪合衛(wèi)星上電子系統(tǒng)內(nèi)的禪合電流，評(píng)估危險(xiǎn)程度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：
[0007] -種衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路集總單元模型建立方法，首先分析所需處理的衛(wèi)星的主結(jié) 構(gòu)，將主結(jié)構(gòu)依據(jù)其材料特性分成金屬節(jié)點(diǎn)部分與非金屬特種材料部分，對(duì)于金屬節(jié)點(diǎn)部 分，考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括大地節(jié)點(diǎn))之間的電容禪合關(guān)系，計(jì)算出此類節(jié)點(diǎn)之間的電容矩陣； 對(duì)于非金屬特種材料部分，考慮其與金屬節(jié)點(diǎn)的接觸面，將其劃分為電流流入與電流流出 兩類面源，并計(jì)算出包含自阻、互阻、自感與互感的電阻電感矩陣;結(jié)合該電容矩陣與電阻 電感矩陣，可得到與衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的電路集總單元模型。
[000引上述所述衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的集總單元電路模型建立方法，具體包括如下步驟：
[0009] 步驟1:根據(jù)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的實(shí)物結(jié)構(gòu)，將其各個(gè)部分按照其材料特性分為金屬材料 部分與非金屬特制碳纖維復(fù)合材料部分，從而進(jìn)行后續(xù)電容矩陣與電阻電感矩陣的計(jì)算；
[0010] 步驟2:對(duì)于主結(jié)構(gòu)中金屬材料部分，使用有限元與邊界元結(jié)合的方法來求解其電 容矩陣:首先對(duì)金屬材料部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)某個(gè)獨(dú)立金屬部分施加單位電壓激勵(lì)，其 余部分電壓設(shè)置為零;其次使用快速多極子法計(jì)算各個(gè)獨(dú)立金屬部分表面的電荷分布，計(jì) 算電荷分布時(shí)考慮邊界條件的限制;然后根據(jù)各個(gè)獨(dú)立金屬部分表面的電荷來計(jì)算被施加 電壓的金屬部分與其余金屬部分的電容值，并對(duì)其余導(dǎo)體采用同樣的處理方法，最終形成 電容矩陣。
[0011] 步驟3:對(duì)于主結(jié)構(gòu)中特制碳纖維復(fù)合材料部分，應(yīng)用有限元法與矩量法，求解該 部分的電阻電感矩陣:首先對(duì)各個(gè)碳纖維復(fù)合材料部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分;其次考慮各個(gè)復(fù)合 材料與各金屬部分之間的接觸部分，將其預(yù)設(shè)為可能的電流流入面與電流流出面;然后在 所有預(yù)先設(shè)定的電流流入面中，選擇任意一個(gè)電流流入面施加單位電流，同時(shí)其余電流流 入面設(shè)為開路，并結(jié)合材料導(dǎo)電特性利用有限元電磁分析法求解各個(gè)部分的體電流密度； 然后計(jì)算各個(gè)流入面與流出面上電壓值，并結(jié)合各個(gè)部分體電流密度提取相應(yīng)的自阻與互 阻數(shù)值;此外，根據(jù)電流分布求解相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布與所儲(chǔ)存能量，求解積分方程計(jì)算對(duì) 應(yīng)的自感與互感值;對(duì)其余的電流流入面與電流流出面采用同樣的處理方法，最終得到各 個(gè)路徑之間的電阻電感矩陣。
[0012] 步驟4:考慮可能出現(xiàn)的高頻成分，對(duì)電阻電感矩陣進(jìn)行修正，并結(jié)合電容矩陣產(chǎn) 生可供電路分析軟件調(diào)用的衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)集總單元電路模型。
[OOU]和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 1、本發(fā)明提出了一種全新的針對(duì)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的集總單元電路建模的方法，為衛(wèi)星 電磁兼容與可靠性研究提供了新的思路。
[0015] 2、本發(fā)明通過使用有限元電磁分析計(jì)算方法，提取衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路參數(shù)并生成 對(duì)應(yīng)的電路模型，最終對(duì)該電路模型進(jìn)行分析，可有效地避免直接使用準(zhǔn)靜態(tài)電磁分析軟 件分析衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)時(shí)的誤差，該種誤差是由于準(zhǔn)靜態(tài)電磁分析軟件在進(jìn)行分析時(shí)忽略了位 移電流的效應(yīng)。
[0016] 3、分析所得電路模型的結(jié)果，可初步了解放電脈沖傳導(dǎo)至各個(gè)敏感位置的電壓與 電流瞬態(tài)值，運(yùn)有助于設(shè)計(jì)后續(xù)主結(jié)構(gòu)單點(diǎn)注入等試驗(yàn)，為后續(xù)研究工作提供基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0017] 圖1為美國國家航空航天局對(duì)于衛(wèi)星充電放電類問題的研究步驟。
[0018] 圖2為主結(jié)構(gòu)的電路集總單元模型建立方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020] 如圖2所示，本發(fā)明一種衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的電路集總單元模型建立方法，具體包括如下 步驟：
[0021] 步驟1:根據(jù)衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)的實(shí)物結(jié)構(gòu)，將其各個(gè)部分按照其材料特性分為金屬節(jié)點(diǎn) 部分與非金屬特種材料部分，從而進(jìn)行后續(xù)電容矩陣與電阻電感矩陣的計(jì)算；
[0022] 步驟2:對(duì)于主結(jié)構(gòu)中金屬節(jié)點(diǎn)部分，使用有限元與邊界元結(jié)合的方法來求解其電 容矩陣:首先對(duì)金屬節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)任意一個(gè)獨(dú)立金屬節(jié)