宇宙空間を移動する宇宙機の表面帯電の解析

低軌道プラズマ環境におけるイオン分布と電界分布の可視化

解析概要

本事例は、Ansys Charge Plusを用いて、宇宙空間中の低軌道(LEO)を移動する宇宙機の周囲のプラズマの挙動と機体表面の帯電状態を解析します。特にLEOのプラズマ環境を移動時に発生するイオンウェイク※1によるイオンの希薄な領域が宇宙機表面の電界に与える影響を確認します。

※1 イオンウェイクとは、物体がプラズマ中に存在するときに電子は軽いため素早く回り込み、イオンは重いため回り込みが遅れ、その結果として物体の後方にイオンが希薄な領域が形成されること。

こんな方におすすめ

宇宙機の帯電対策を検討する方
衛星設計に関わる方
プラズマ環境中のイオンウェイクを評価したい方

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使用ソフトウェア

Ansys Charge Plus

背景/課題

小型衛星や有人カプセルといった宇宙機の運用が増加する中で、機体表面の帯電現象が機体の安全性や通信機器の動作に影響を与える可能性があります。その中でも高速に移動する宇宙機の近傍に生じるイオンウェイクは機体表面の電荷の偏りと、それに伴う局所的に強い電界を発生させます。局所的に強い電界は静電気放電(ESD)の要因となり、機器損傷や誤動作を引き起こすリスクがあるため、設計段階での評価が重要です。

解析対象および解析手法

解析モデル

図1に示す宇宙機を解析します。また機体の表面材料を表1に示します。

図 1　宇宙機のモデル

表1　機体の表面材料

解析条件として宇宙空間のプラズマ環境と宇宙機の移動を模擬します。下記のような空間にLEOの電子温度、密度と宇宙機の移動方向、速度を定義します。

図 2　解析条件

表2　LEOのプラズマ環境

	イオン	電子
電子温度[eV]	1.0	1.0
密度[N/m³]	10¹³	10¹³

解析結果

図3に空間のイオン分布を示します。
青色の領域はイオンが希薄な領域であり、機体の胴体と後方付近が特に希薄になっております。
このように進行方向に対して背面部分でイオンウェイクが発生することがわかります。

図 3　イオンの分布

図4に機体表面の電界分布を示します。図3の胴体部分で発生するイオンウェイクの影響により、アルミニウムと絶縁性塗料の境界付近で負極性の電界が集中していることがわかります。

図 4　電界分布

図5にモデル中の材料ごとの電界強度の最小値を示します。
アルミニウムや絶縁性塗料の境界部分で他の表面材料に対し、負極性の電界が高いことがわかります。局所的に高い負極性の電界はESDを発生させるリスクがあるため、電界が集中する部位を可視化し、対策を検討することでESDのリスクを低減させることが重要です。