宇宙空間は過酷な環境です。呼吸できる空気はなく、放射線レベルは地球の15倍で、温度は約2.7ケルビン（-270.45°Cまたは-454.81°F）です。幸いなことに、地球の大気圏は宇宙の激しい気候から私たちを守ってくれます。しかし、宇宙空間には大気がないため、大量の放射線や極端な温度変化から衛星などの宇宙機を保護するものは何もありません。宇宙の過酷さは、パワーエレクトロニクス、誘導および航法、通信など、宇宙機にとって重要となるコンポーネントに影響を及ぼす可能性があります。打ち上げられる宇宙機の多くは無人であるため、何か問題が発生したときに、コンポーネントを修理する方法はほとんどありません。ミッションの失敗を防ぐためには、システム内の電子部品の信頼性が最も重要です。シミュレーションソリューションを導入することで、ロバストな宇宙プラットフォームを開発し、さまざまな機器、材料、軌道ターゲットを正確にシミュレーションする手段をもたらすことで、コストがかかるプログラムの長期的な成功確率を最大化できます。
宇宙機の充電に関わる物理プロセスの概念図
銀河X線
人と同様に、宇宙機に搭載されたシステムも短期的および長期的な放射線被ばくの影響を受けます。
- 短期: シングルイベント効果（SEE: Single-Event Effect）は、1つの高エネルギー粒子によって引き起こされる電子擾乱です。
- 長期: トータルドーズ効果（TID: Total Ionizing Dose）は、電子、陽子、重イオン、X線、ガンマ線など、さまざまな放射線源からの放射線の合計累積線量です。
最も一般的な放射線源は、地球の磁場に捕捉された粒子、太陽フレア中の太陽粒子現象（SPE: Solar Particle Event）、銀河宇宙線（GCR: Galactic Cosmic Ray）などです。これらの粒子のイオン化は、宇宙機の電気システムに悪影響を及ぼすことがあります。宇宙機は接地していないため、消散できないような粒子の電荷が蓄積されます。電荷が蓄積されると、電場が生じます。電場の大きさは、空気、プラズマ、または誘電体の破壊を超え、静電放電（ESD）を引き起こすことがあります。研究では、宇宙機で発生する異常の約半分が宇宙機の帯電効果によって引き起こされていることが示されています。
有人宇宙カプセルの表面帯電シミュレーションの結果。電場は、宇宙機周辺の時間領域で3Dでモニタリングされる。
表面帯電のリスク評価
表面帯電は、周囲の荷電粒子、光照射、摩擦帯電など、外部放射に対する材料応答から発生します。帯電効果に対する材料の応答は、その材料の特性によって異なります。結果として得られた光電子、二次電子、後方散乱電子、および陽子励起電子は、電場と相互作用してプラズマ被覆を形成します。
たとえば、月に向かう途中で、宇宙機は輸送軌道に応じてスケールが変化する表面帯電効果を受けます。静止軌道（GEO）、低軌道（LEO）、極軌道、オーロラ軌道、月軌道はどれも、設計仕様規格で定義された異なるプラズマ環境を持ちます。プラズマ特性や摩擦帯電の振幅に加えて、ジオメトリ、影、および材料特性は、宇宙機の表面に蓄積された電荷において重要な役割を果たします。
電磁電荷および放電シミュレーションソフトウェアであるAnsys Charge Plusでは、多数の材料特性を使用して、宇宙機の表面と環境の間での電荷のバランスを追跡します。Particle-in-Cell（PIC）ソルバーと境界要素法（BEM）を組み合わせることで、宇宙機の電荷の解析、周囲のプラズマ状態の分布の調査、電子分布のプロットが可能になります。フルウェーブ有限要素法（FEM）電磁界解析を使用した表面帯電により、宇宙機の周囲の電磁界を3Dで計算し、プラズマ内でアーク放電のリスクがあるかどうかに関する詳細情報を得ることができます。
バルク材料の内部帯電
誘電体の内部帯電は、太陽から放出された荷電粒子（および高エネルギー光子）と宇宙機のバルク材料との相互作用によって発生します。これらの粒子は、太陽フレアや、ヴァンアレン帯または極の近傍などの地球の磁場によって加速します。これらの粒子によって堆積した電荷は、誘電体の破壊につながる可能性がある場を誘導します。エンジニアは、電荷の堆積速度と大きさをモデル化することで、放射線耐性設計を改良し、ESDのリスクを推定して、エレクトロニクスに誘導される電流をシミュレーションできます。
帯電粒子のエネルギーが高く、誘電体が十分に帯電するプラズマ環境では、太陽電池、センサー、露出したケーブルやコネクタなどの影響を受けやすいコンポーネント内で電荷が堆積するリスクに対する懸念が高くなります。誘電体におけるESDのリスクを評価するために、エンジニアは、Ansys Systems Tool Kit Space Environment and Effects Tool（STK-SEET）機能からエクスポートした高エネルギースペクトル情報を使用し、さらにCharge Plusを使用して、時間領域で解析された電磁気のフルウェーブFEM解と、3D粒子輸送ツールを連成させることができます。この手法により、エンジニアは粒子とバルク材料の相互作用によって誘導される電位、場、電荷、および電流をモニタリングできます。粒子は、さまざまな形状構成に入射することができます。また、それらのエネルギースペクトルは時間依存であり、複数のタイプの粒子を同時にシミュレーションできます。
各セルにバイアス電圧が印加され、材料の特性を使用した太陽電池試験片の破壊のモデルセットアップ。対地同期環境からの電子は平面ジオメトリの上部から放射された。
太陽電池の固体誘電体の破壊
系に過剰な数の電荷が存在する場合、結果として生じる電場は媒体の破壊しきい値を超えます。放電は、宇宙機からプラズマへ、プラズマまたは空気を介して導体から導体へ、または誘電体／絶縁体の内部で直接発生します。宇宙機が適切に接地されていない場合、これらの放電は二次アーク放電につながることがあります。さらに、ESDは電磁放射線を放射し、通信システムを損傷させることもあります。
たとえば、影響を受けやすいエレクトロニクスに接続されたケーブルに大量の電荷が蓄積している場合は、電流が発生し、機器の損傷につながることがあります。場合によっては、設計上の制約により、エンジニアは宇宙機内で最小限の一次アーク放電を受け入れる必要があります。また、LEOなどの特定の放射線環境に合わせて調整された設計を、GEOなど、より過酷な放射線環境で再利用しなければならないこともあります。
Charge Plusでは、誘電体の破壊をシミュレーションするために、フルウェーブ電磁界ソルバーと確率論的ツリーモデルを活用して、電場、材料の誘電強度、隣接ノードへの結合強度の関数として破壊の確率を計算します。この確率分布は、問題に使用されるFEMメッシュの各時間ステップおよび各ノードにおいて評価されます。
ピン周囲の誘電体の電場は、一般的な絶縁体の誘電強度に近いレベルに達した。
放射線耐性
エンジニアはシミュレーションを導入することで、宇宙機の電子部品が宇宙でどのように振る舞うかを確認できますが、それだけでシステムが放射線に対する耐性を得るわけではありません。しかし、シミュレーションを使用すれば、放射線に耐性がある電気部品を設計してテストできるようになります。Charge Plusでは、モンテカルロ3D粒子輸送とFEMを使用して、シミュレーションで粒子の流束量を追跡し、輸送問題へのフィードバックとして場を使用します。その後で、異なる金属厚さの内部への放射線貫通量を評価できるようになります。これにより、エンジニアは宇宙機の重量と放射線耐性の影響でバランスをとれるように金属厚さを設計できます。
