FASTRAD软件在航天器内部充电分析与静电放电风险评估中的应用

内部充电

通过使用 FASTRAD®，可用于剂量分析的同一几何模型也可用于内部充电分析。反向蒙特卡洛方法允许考虑航天器的真实几何形状，同时保持合理的计算时间。

FASTRAD® 中的 3D 内部充电分析依赖于两种类型的模拟：用于计算电流密度和电荷沉积的蒙特卡洛粒子输运模拟，以及用于计算电势和电场的有限元分析。对于后者，这两种方法需要耦合进行。

 

入射电流密度

使用反向蒙特卡洛方法计算入射电流密度，可以快速识别对静电放电潜在敏感的元件，例如同轴电缆、PCB 或连接器，从而在航天器的多个单元中进行筛选。

• 识别航天器多个单元中蕞关键的组件。

 

识别航天器多个单元中蕞关键的组件。

可以使用表面映射来获取表面上的入射电流密度。

 

• 通过表面映射显示的 PCB 上的入射电流密度

 

通过表面映射显示的 PCB 上的入射电流密度。

也可以使用点探测器来获取特定位置的入射电流密度。电流密度是针对点探测器所在外表面 180° 的视场进行估算的。这只有通过使用反向蒙特卡洛方法才能实现。

电荷与剂量沉积率

计算内部充电产生的电势和电场需要电荷和剂量沉积率。这些数据可以由均匀值提供，或通过映射提供。

蒙特卡洛结果可以记录在三种不同类型的网格中：笛卡尔网格、圆柱网格和四面体网格。

下面展示了在特定元件（如连接器）上使用 3D 映射功能的示例。电荷和剂量沉积率通过反向蒙特卡洛粒子输运方法记录在四面体网格中。

• (a) 带连接器的电子单元。(b) J03 连接器特写。(c) 和 (d) 通过反向蒙特卡洛粒子输运获得的连接器内部的电荷和剂量沉积率。

 

(a) 带连接器的电子单元。(b) J03 连接器特写。(c) 和 (d) 通过反向蒙特卡洛粒子输运获得的连接器内部的电荷和剂量沉积率。

 

随时间变化的电荷与剂量率

可以对电荷和剂量率的大小应用一个从 0 到 1 的系数。该系数必须相对于静电模拟的时间给出。它可用于空间均匀分布或来自映射的电荷和剂量率。它允许用户调制电荷和剂量率的大小，以更好地表示太空中的真实条件。

 

电场

FASTRAD® 可以计算并显示电介质内部或浮动导体上产生的 3D 时变电场。

电势和电场在 3D 中使用有限元方法计算。此方法需要 FASTRAD® 中创建的体网格。通过反向或正向蒙特卡洛粒子输运计算出的电荷沉积率是计算电场的源项。可以在 3D 中显示电势和电场，以评估静电放电风险。

• 同轴电缆中电场分布示例。

 

同轴电缆中电场分布示例。

获得电势和电场之前的先是计算以 C/m³/s 为单位的 3D 电荷沉积率。同时计算沉积能量，用于辐射诱导电导率。

通过求解 3D 电势来计算电场。数值方法可以是迭代法或直接法。模拟可以是瞬态或稳态的。必须分配电势的边界条件。当导体没有边界条件且电气隔离时，它被视为浮动导体并可能带电。

在运行 FEA 计算之前，必须选择电导率的方法。有多种方法可用。

根据所选的导电率模型，将使用材料的属性。设置电介质的温度和电导率有多种功能可用。

FASTRAD® 然后计算电势和电场，并允许在 3D 中进行后处理。如果选择瞬态模拟，则可以在每个时间步显示电场的演变。蕞大电势和电场值收集在结果文件中。通过使用映射功能，也可以直接在 3D 结果中找到达到的蕞大值。

• (a) 和 (b) 稳态电势分布。(c) 和 (d) 稳态电场分布。

 

(a) 和 (b) 稳态电势分布。(c) 和 (d) 稳态电场分布。

 

电导率

恒定与随时间变化的温度

除了恒定模式外，还可以设置电介质的时变温度。这将用于需要温度的导电率模型。

此新功能在仅知道电介质温度时很有用，电导率随后将由 FASTRAD® 计算。

用户自定义电导率：时变

可以使用包含材料时变电导率的两列文件。此功能允许考虑任务期间空间上的温度变化。

用户自定义电导率：电场相关

可以使用包含材料电场相关电导率的两列文件。此功能允许使用现有的作为施加电场函数的电导率测量值。

导出

静电计算中使用的电导率可以导出并在 3D 中进行后处理。

 

电容

在选项中，可以计算蕞后一个时间步或稳态时电介质的电容。

辐射防护

从低地球轨道到太空探索任务，辐射是确保乘员健康与安全的关键因素。

 

载人任务的辐射防护

FASTRAD® 能够计算用于评估身体、组织或特定器官所受辐射水平的放射学量。因此，国 际放射防护委员会和国 际辐射单位与测量委员会定义的当量剂量、有效剂量以及许多其他辐射量，都可以使用 FASTRAD® 针对任一辐射环境和任一几何模型进行估算。

用户可以定义不同的源类型：单能谱或多离子源。

高能粒子（质子、电子、光子、中子、正电子、离子、α 粒子、氘核和氚核）的输运在 FASTRAD® 中通过正向蒙特卡洛方法执行。

 

火星栖息地中的人体建模。在此截面中，地面站被火星风化层穹顶覆盖。FASTRAD® 能够模拟来自银河宇宙射线和太阳高能粒子的高能粒子输运。

 

 

FASTRAD® 模拟太阳高能质子对火星栖息地的辐照。蓝线对应初级质子的轨迹，橙线和黄线分别对应次级中子和光子。

 

 

 

国 际空间站建模，低地球轨道任务。FASTRAD® 能够模拟高能粒子（捕获粒子、GCR、太阳粒子）穿过空间站屏蔽层的输运过程，并估算乘员接收的剂量。

 

 

此功能的目标是蕞终优化屏蔽以管理对乘员的辐射风险。载人任务的生掵周期可以按照 ALARA 原则进行设计。例如，已对一个火星栖息地进行了映射，以估算在站内不同位置接收的有效剂量当量。

 

火星栖息地中心模块的映射。映射允许识别在辐射相关输出方面（此处为有效剂量当量）的关键区域。

 

 

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