一種衛星主結構的電路集總單元模型建立方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種實物模型的電路建模方法，具體設及一種衛星主結構的電路集總 單元模型建立方法。
【背景技術】
[0002] 衛星在復雜的空間環境中運行時，會受到太空環境中各種因素的影響。在高能電 子福照等條件作用下，衛星表面所用材料會發生表面充電與深層充電的現象，產生靜電電 位，并最終由于充電至一定水平而發生靜電放電現象。該靜電放電除了對衛星上所用材料 造成損傷外，其信號還可沿衛星主結構向其余各個部分傳導，并有可能誘發衛星上電子系 統工作異常，從而降低衛星在空間環境中運行的可靠性，嚴重時甚至會縮短衛星的運行壽 命。
[0003] 國外對于衛星充電放電類問題的研究起始于二十世紀中葉，對于此類問題已經形 成了一系列成熟的研究方法，同時也制定了相關的標準。而我國關于此類問題的研究起步 較晚，在空間環境試驗、地面模擬空間環境試驗與充放電效應仿真計算等方面與國外均有 差距，因此有必要在此領域展開大力研究，從而縮小我國在航天事業上與其他國家的差距。
[0004] 目前美國國家航空航天局對于此類問題的研究步驟如附圖1所示。首先，完成衛星 結構的初步設計W及衛星充電環境的搭建;其次，結合NASCAP綜合計算程序分析衛星各個 部位放電風險進行評估，W確定衛星主結構激勵源位置W及激勵脈沖特性;之后，根據衛星 結構建立與衛星結構相對應的集總單元電路模型(LEM)，結合前一步所確定激勵源模型，應 用電路分析軟件對模型進行分析求解，確定各個部位的結構電流;最終，根據各個部位結構 電流確定禪合至衛星上電子系統內的禪合電流，從而評估空間靜電放電化SD)的危險等級。 為了使用該方法來研究衛星充放電問題，有必要建立衛星主結構的集總單元電路模型。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種衛星主結構的電路集總單元模型建立方法，從而評估衛 星在空間環境充放電效應的危險等級；通過建立衛星主結構的集總單元電路模型，并使用 商用電磁分析軟件對該電路模型進行分析，確定主結構上各個部位的結構電流，最終確定 禪合衛星上電子系統內的禪合電流，評估危險程度。
[0006] 為達到上述目的，本發明采取如下的技術方案：
[0007] -種衛星主結構的電路集總單元模型建立方法，首先分析所需處理的衛星的主結 構，將主結構依據其材料特性分成金屬節點部分與非金屬特種材料部分，對于金屬節點部 分，考慮各個節點(包括大地節點)之間的電容禪合關系，計算出此類節點之間的電容矩陣； 對于非金屬特種材料部分，考慮其與金屬節點的接觸面，將其劃分為電流流入與電流流出 兩類面源，并計算出包含自阻、互阻、自感與互感的電阻電感矩陣;結合該電容矩陣與電阻 電感矩陣，可得到與衛星主結構對應的電路集總單元模型。
[000引上述所述衛星主結構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:根據衛星主結構的實物結構，將其各個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合材料部分，從而進行后續電容矩陣與電阻電感矩陣的計算；
[0010] 步驟2:對于主結構中金屬材料部分，使用有限元與邊界元結合的方法來求解其電 容矩陣:首先對金屬材料部分進行網格劃分，并對某個獨立金屬部分施加單位電壓激勵，其 余部分電壓設置為零;其次使用快速多極子法計算各個獨立金屬部分表面的電荷分布，計 算電荷分布時考慮邊界條件的限制;然后根據各個獨立金屬部分表面的電荷來計算被施加 電壓的金屬部分與其余金屬部分的電容值，并對其余導體采用同樣的處理方法，最終形成 電容矩陣。
[0011] 步驟3:對于主結構中特制碳纖維復合材料部分，應用有限元法與矩量法，求解該 部分的電阻電感矩陣:首先對各個碳纖維復合材料部分進行網格劃分;其次考慮各個復合 材料與各金屬部分之間的接觸部分，將其預設為可能的電流流入面與電流流出面;然后在 所有預先設定的電流流入面中，選擇任意一個電流流入面施加單位電流，同時其余電流流 入面設為開路，并結合材料導電特性利用有限元電磁分析法求解各個部分的體電流密度； 然后計算各個流入面與流出面上電壓值，并結合各個部分體電流密度提取相應的自阻與互 阻數值;此外，根據電流分布求解相應的磁場強度分布與所儲存能量，求解積分方程計算對 應的自感與互感值;對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 個路徑之間的電阻電感矩陣。
[0012] 步驟4:考慮可能出現的高頻成分，對電阻電感矩陣進行修正，并結合電容矩陣產 生可供電路分析軟件調用的衛星主結構集總單元電路模型。
[OOU]和現有技術相比較，本發明具備如下優點：
[0014] 1、本發明提出了一種全新的針對衛星主結構的集總單元電路建模的方法，為衛星 電磁兼容與可靠性研究提供了新的思路。
[0015] 2、本發明通過使用有限元電磁分析計算方法，提取衛星主結構的電路參數并生成 對應的電路模型，最終對該電路模型進行分析，可有效地避免直接使用準靜態電磁分析軟 件分析衛星主結構時的誤差，該種誤差是由于準靜態電磁分析軟件在進行分析時忽略了位 移電流的效應。
[0016] 3、分析所得電路模型的結果，可初步了解放電脈沖傳導至各個敏感位置的電壓與 電流瞬態值，運有助于設計后續主結構單點注入等試驗，為后續研究工作提供基礎。
【附圖說明】
[0017] 圖1為美國國家航空航天局對于衛星充電放電類問題的研究步驟。
[0018] 圖2為主結構的電路集總單元模型建立方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0020] 如圖2所示，本發明一種衛星主結構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:根據衛星主結構的實物結構，將其各個部分按照其材料特性分為金屬節點 部分與非金屬特種材料部分，從而進行后續電容矩陣與電阻電感矩陣的計算；
[0022] 步驟2:對于主結構中金屬節點部分，使用有限元與邊界元結合的方法來求解其電 容矩陣:首先對金屬節點部分進行網格劃分，并對任意一個獨立金屬節