通过仿真降低航天器上的静电放电风险

在太空环境中，没有保护航天器免受有害辐射的大气层作用，使得电荷积累和电场现象变得不可忽略。在充斥着带电粒子、光照明和摩擦起电的辐射环境下，航天器表面和内部组件容易受到电荷积累的威胁。这种电荷积累可能导致的静电放电（ESD）不仅可能破坏任务的运行，更比如 AHDOISII任务那样因太阳能电池阵列中的电弧危害而导致失败。已有数据显示，大约50%的异常和故障可归咎于空间环境中航天器所受到的充电效应。

设计框架已经在发展，以先发制人地解决这些由电荷积累引发的“挑战”。NASA和ESA的制定标准，旨在在设计过程中预防此类问题的发生。然而，适用于私营行业的标准既昂贵，也较为耗时。在这种情况下，突破设计极限的关键在于，能够精确模拟电荷积累和耗散过程的工具，比如ANSYS EMA3D Charge。

表面充电

在太空旅途中，当航天器遭遇不同规模的等离子体环境，如地球静止轨道（GEO）、低地球轨道（LEO）、极地轨道、极光轨道和月球轨道时，受辐射影响产生的表面电荷层成为处理重点。材料对外部粒子、光照和摩擦的影响会导致光电子、二次电子、背散射电子和质子诱导电子与电场相互作用，形成等离子体鞘层。在某些轨道中，等离子体表面电势可能极高，因此分析和管理表面电荷至关重要。




利用ANSYS EMA3D Charge的表面电荷均衡求解器，工程师能够精确地模拟这些电荷累积过程，以预测和减轻可能对航天器表面造成损害的静电放电风险。通过精细化网格技术，可以细致地模拟圆形窗口、传感器、天线和推进器等部件，以实现实时的ESD风险评估。

内部充电

内部充电现象发生在航天器主体暴露于太阳带电粒子和高能光子的影响下。这些粒子受到太阳耀斑或地球磁场的加速，比如在范艾伦辐射带或两极区域。这些粒子通过沉积电荷，增加电场强度至足以引发介电材料的击穿。EMC工程师利用模型解决电荷沉积速率、幅度和模型的有效性问题，以便优化辐射硬化设计。

固体介质击穿

当电荷积累到危险水平，产生的电场超过介质的击穿阈值，可能会导致从航天器到等离子体、穿过等离子体或介质内部的电弧发生。即使在航天器与地面环境连接不佳的情况下，电弧爆发电还可能导致二次电弧故障，如ADEOSII事件。ESD还会加剧电磁辐射对通信系统的损害，而传感器或电缆中的过多电荷积累可以导致电流产生，损害相关设备。

对于旨在模拟电介质内部ESD风险的 sails结构，ANSYS EMA3D Charge结合了全波电磁求解器、粒子传输工具和3D网格技术，用以模拟电场、电荷和电流变化，预测等离子体沉积下的固体介质击穿过程，以计算相关的击穿概率。

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