空间带电模型的分析与研究

在讨论补给之前，首先要明确航天器在辐射带电粒子束时的自身充电影响。为简便起见，假定航天器为球体，在一般情况下，可看作双球形电容模型，它可近似看作以航天器为内半径，德拜长度为外半径的双球形电容模型，此时近似电容可表示为

式中：R1 为物体半径；D 为德拜长度。假定电子与离子温度相同，则德拜长度［9］的表达式为

式中：ε0 为真空介电常数；k 为玻尔兹曼常量；T 为粒子温度；n 为等离子体密度；e 为元电荷电量。

以半径分别为1 m、10 m、20 m 的球体为研究对象，分别对应不同尺寸的航天器，研究在发射高能电子束时，其自身的极限充电情况。表10-3 给出了地球轨道等离子体参数［9］。表10-4 给出了发射1 MeV 电子束流时航天器自身极限充电参数。(www.xing528.com)

表10-3　地球轨道等离子体参数

表10-4　发射1 MeV 电子束流时航天器自身极限充电参数

由表10-4 可以看出，在较低轨道，德拜半径D 一般远小于航天器半径，此时式（10-1）可改写为C ≈4πε0 R12/D，此时电容和带电量近似与半径的平方成正比。在同步轨道，电容和带电量近似与半径是线性变化。这是由于在同步轨道上德拜半径D 常常远大于航天器半径，此时航天器电容可近似为C ≈4πε0 R，此时电容近似与航天器半径成正比。

同时应注意到，理论上天基系统可发射出的电子电量等于上述极限电量。在不考虑外部等离子体中和或其他中和方法的情况下，超出此电子电量的电子束都会被航天器减速并返回，发射过程会中止。这也是空间电子束系统平台需要补给电子的一个重要原因。