CN104260906B - 一种航天器尾区离子环境地面模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种航天器尾区离子环境地面模拟方法，本发明中利用特定等离子体源和离子加速栅网相结合，能够有效的产生地面极轨卫星尾区充电实验所需的极轨离子环境，具有结构简单的优点。该方法包括：根据能量守恒定理设计离子加速栅网与等离子体源中主阳极栅网的偏置电压，利用查理-朗缪尔方程求解等离子体源的主阳极栅网与离子加速栅网之间的距离d；实验时，控制等离子体源产生离子；打开离子加速栅网的电源，形成平行电场，等离子体源产生的离子在平行电场的作用下被引出形成离子束流；开启法拉第杯，测量离子束束流强度，当强度达到要求时，开始进行该尾区离子环境中的实验。
Description
技术领域
本发明属于空间等离子体环境地面模拟领域，适用于包括极轨的中低轨道航天器尾区离子环境地面的模拟，具体涉及一种引起航天器尾区带电效应的背景等离子体环境中的离子环境地面模拟方法。
背景技术
当极轨卫星运行在低温度、高密度的极区等离子体环境中时，在其尾部形成明显的“航迹”，这是一个不相等的电子和离子耗尽区。由于卫星轨道速率大于离子热速率而小于电子热速率，因此电子可较容易地进入这个区域从而形成一负电位势垒，这就是所谓的“尾迹效应”。它对卫星的明显作用是在尾区介质表面将充电至较高的负电位，此表面电位主要依赖于收集的电子通量和离子通量之比。卫星因尾迹效应而形成的表面不等量带电是影响中低轨道特别是极轨卫星安全运行的重要原因之一。当卫星尾部介质表面带电达到或超过航天器材料击穿阈值后，便会产生静电放电。
根据国际参考电离层模型，地球极轨轨道的主要离子(H+和O+)参数为：离子密度为109m-3，能量为0.1eV，相对航天器的速度为7800ms-1。
由前面的论述可知，极轨航天器在电离层等离子体中的飞行，相当于电离层等离子体以航天器的速度流过静止的航天器。所以，在实验室内，按照缩尺规律，我们可以用一适当尺度的物体作为航天器的模型。在真空室内，用一等离子体束流源产生流速近似为7800ms-1离子束流，然后将模型静止置于离子束流之中，构成所谓的极轨离子环境模拟装置，如图1所示。
在极轨航天器尾区带电效应地面模拟实验中，背景等离子体环境模拟是实验的重要方面。按照计算结果，实验要求背景等离子体中离子成分满足：密度为109m-3，加速后的离子能量为12.75eV，加速后的离子速度为7800ms-1。
目前，在极轨航天器尾区带电效应地面模拟实验中，经考察市场上没有能产生实验所需离子环境的离子源，现有离子源所产生离子在能量和速度方面和极轨离子环境要求差距较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种尾区离子环境模拟的实验方法，本发明中利用等离子体源和离子加速栅网相结合，能够有效的产生实验所需的极轨离子环境，且结构简单。
该航天器尾区离子环境地面模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、计算到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j；
到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n为所在轨道的离子密度，离子速度v为所在轨道上航天器的速度，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度为：j＝qnv，其中，q为单个离子所带的正电荷；
步骤二、在真空室内进行如下设置：在等离子体源出口前方增加一离子加速栅网，该离子加速栅网与等离子体源出口处的主阳极栅网平行；航天器缩比模型和法拉第杯并排置于离子加速栅网前方，且法拉第杯与航天器缩比模型的前端对齐；
其中，离子加速栅网的设计为：
设，m为等离子体源产生的一个离子的质量，V1为已知的主阳极栅网电压，V2为待求的离子加速栅网电压，主阳极栅网与离子加速栅网之间的偏置电压为U，ε0为真空空间介电常数，d为待求的主阳极栅网与离子加速栅网之间的距离；
根据能量守恒定理qU＝1/2mv2，计算主阳极栅网与离子加速栅网之间的偏置电压从而得到离子加速栅网电压V2＝V1-U；
然后，将偏置电压U和步骤一计算得到的充电电流密度j代入查理-朗缪尔方程求解主阳极栅网与离子加速栅网之间的距离d；
步骤三、实验时，将真空室抽成真空状态，控制等离子体源产生离子；打开离子加速栅网的电源，形成平行电场，等离子体源产生的离子在平行电场的作用下被引出形成离子束流；
步骤四、开启法拉第杯，测量离子束束流强度，待离子束束流强度达到j±△1范围内，△1为设定的强度误差范围，则认为离子束束流强度满足要求，尾区离子环境模拟成功，开始进行该尾区离子环境中的实验；如果超出j±△1的强度范围，则调整距离d，直到离子束束流强度满足要求，再开始实验。
优选地，所述步骤三和步骤四之间进一步包括如下步骤：采用Langmuir探针测得离子到达航天器缩比模型的实际速度，如果实际速度达到v±△2，△2为设定的离子速度误差范围，则认为离子速度满足要求，执行步骤四；否则，调整偏置电压U，直到离子速度满足要求，再则执行步骤四。
对于极轨航天器，到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n＝109m-3，离子速度v＝7800ms-1，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j＝1.248×10-6A；则利用能量守恒定理计算得到偏置电压U为12.75V，进一步考虑实际误差，设置偏置电压U为13V，从而得到离子加速栅网电压V2＝V1-13；将偏置电压U和离子束流的充电电流密度j代入查理-朗缪尔方程计算得到主阳极栅网与离子加速栅网间的距离d为32cm。
优选地，真空室环境真空度为10-4pa。
优选地，离子加速栅网9的栅网孔径为1.2mm～2mm。
有益效果：
(1)本发明中利用等离子体源和离子加速栅网相结合，能够有效的产生实验所需的极轨离子环境，且结构简单。
(2)本发明实施例真空室环境真空度为10-4pa，尽量避免地面环境气体对所模拟极轨环境的干扰。
(3)离子加速栅网的栅网孔径不能太大，大孔径会产生畸形电场，影响离子运动速度和方向；栅网孔径也不能太小，小孔径导致离子通过率不够，影响离子密度。通过不断的摸索和实验，选定栅网孔径为1.2mm～2mm。
(4)本发明应用于极轨航天器时，加速栅网距离屏蔽栅网为32cm，两栅网电势差-13V，可以保证引出氩离子的速度到达7800ms-1。
(5)本发明实施例在极轨卫星缩比模型水平对齐位置放置法拉第杯，可以精确测量离子束束流强度，进而保证引出离子的密度和极轨环境离子密度接近。
附图说明
图1为尾区离子环境模拟的实验方法示意图。
其中，1-灯丝，2-进气系统，3-侧屏蔽栅网、4-后屏蔽栅网，5-放电室，6-背阳极，7-永磁体，8-主阳极栅网，9-离子加速栅网，10-航天器缩比模型，11-法拉第杯，12-真空室。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种尾区离子环境地面模拟方法，该方法采用的装置如图1所示，包括真空室12、等离子体源、离子加速栅网9、航天器缩比模型10和法拉第杯11。
该模拟方法具体包括下列步骤：
步骤一、到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j。
本发明需要在航天器缩比模型处产生所需离子密度、充电电流密度和速度的离子束。
那么，到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n为所在轨道的离子密度，离子速度v为所在轨道上航天器的速度，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度为：j＝qnv，其中，q为每个离子所带的正电荷。
本发明实施例以极轨为例，到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n为极区的离子密度＝109m-3，离子速度v为极轨上航天器的速度＝7800ms-1，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j＝qnv＝1.6×10-19C×109m-3×7800ms-1＝1.248×10-6A。
步骤二、在真空室内进行如下设置：
在等离子体源出口前方增加一离子加速栅网9，该离子加速栅网9与等离子体源出口处的主阳极栅网8平行。
其中，等离子体源可以采用如图1所示的结构，包括热阴极灯丝1、进气系统2、侧屏蔽栅网3、后屏蔽栅网4、放电室5、背阳极6、永磁体7和主阳极栅网8。热阴极灯丝1探入放电室5内，进气系统2连通放电室5，进气系统2两侧设有永磁体7，永磁体7外侧依次设有背阳极6和侧屏蔽栅网3，放电室5后侧设有后屏蔽栅网4；放电室5的前侧开放，设有主阳极栅网8。从热阴极灯丝1发射出来的电子经过阴极鞘层而被加速，它与进入放电室5的气体氩气原子相碰撞，氩气原子被碰撞电离产生离子和二次电子，进而形成等离子体。等离子体在放电室5内发散磁场的作用下引向主阳极栅网8。
离子加速栅网9是一块金属栅网，其目的是通过与主阳极栅网8之间产生电势，从而给离子一个抽离的力，使得离子加速，最终在到达航天器缩比模型时能够具有所需速度和能量。离子加速栅网9的设计包括如下三个方面(I～III)：
设，m为等离子体源产生的一个离子(这里为氩离子)的质量，V1为已知的主阳极栅网8电压，V2为待求的离子加速栅网9电压，主阳极栅网8与离子加速栅网9之间的偏置电压为U，ε0为真空空间介电常数，d为待求的主阳极栅网8与离子加速栅网9之间的距离；
I、根据能量守恒定理qU＝1/2mv2，计算主阳极栅网8与离子加速栅网9之间的偏置电压从而得到离子加速栅网9电压V2＝V1-U。对于极轨航天器，利用能量守恒定理计算得到偏置电压U为：
U＝1/2×(39.94×1.68×10-27kg)×(7800ms-1)2/1.6×10-19C＝12.75V
进一步考虑实际误差，设置偏置电压U为13V，从而得到离子加速栅网9电压V2＝V1-13。对于某些型号的等离子体源，主阳极栅网8电压为V1＝260V，则离子加速栅网9电压V2＝247V。
II、将偏置电压U和步骤一计算得到的充电电流密度j代入查理-朗缪尔方程求解主阳极栅网8与离子加速栅网9之间的距离d。对于极轨航天器，ε0、q、m参数已知，U代入13V，j代入1.248×10-6A，则计算得到距离d＝32cm。
III、离子加速栅网的栅网孔径不能太大，大孔径会产生畸形电场，影响离子运动速度和方向；栅网孔径也不能太小，小孔径导致离子通过率不够，影响离子密度。通过不断的摸索和实验，选定栅网孔径为1.2mm～2mm。
航天器缩比模型10和法拉第杯11并排置于离子加速栅网9前方，法拉第杯主要用于监测离子束流强度，法拉第杯11与航天器缩比模型10的前端对齐，从而可以精确测量到达航天器缩比模型的离子束束流强度，进而保证引出离子的密度和所模拟的轨道环境离子密度接近。
步骤三、实验时，使用真空泵将真空室12抽成真空状态，控制等离子体源产生离子；打开离子加速栅网的电源，形成平行电场，等离子体源产生的离子在平行电场的作用下被引出形成离子束流；
其中，为了尽量避免地面环境气体对所模拟极轨环境的干扰造成的实验误差，真空室真空度要求为10-4pa。
对于图1示出的等离子体源，产生离子的过程为：
1、打开放电室进气阀门，向放电室内通入气体氩气，供气量括中性损失气量和引出束折合气量；本实施例选用气体氩气主要利用其性质稳定，可以大大延长热灯丝的使用寿命，同时由于氩气体原子质量较小，可以显著降低施加的偏置电压。氩气供气量包括中性损失气量和引出束折合气量，供气速度要保持均匀稳定。
2、打开热灯丝电源，使灯丝发射电子，打开阳极电源开关，与灯丝电极形成电势差，使灯丝发射出的电子向阳极运动，永磁体7主要提供轴向平行磁场，向阳极运动的电子在磁场的作用下将做螺旋运动，该运动撞击气体并使气体电离产生所需离子；
3、打开离子加速栅网电源，形成平行电场，放电室内的离子在平行电场的作用下被引出形成离子束流。
步骤四、采用Langmuir探针(图中未示出)测得离子到达航天器缩比模型10的实际速度，如果实际速度达到v±△2，△2为设定的离子速度误差范围，则认为离子速度满足要求，执行步骤五；否则，调整偏置电压U，直到离子速度满足要求，再则执行步骤五。偏置电压U的调整原则是：如果小于v±△2这一范围下限，则增加U，如果大于v±△2这一范围上限，则减小U。
步骤五、开启法拉第杯11，测量离子束束流强度，待离子束束流强度达到j±△1范围内，△1为设定的强度误差范围，则认为离子强度满足要求，尾区离子环境模拟成功，开始进行该尾区离子环境中的实验；如果超出j±△1的强度范围，则调整距离d，直到离子束束流强度满足要求，再开始实验。距离d的调整原则是：如果小于j±△1这一范围下限，则缩小d，如果大于j±△1这一范围上限，则增大d。
通过法拉第杯的实时监测可以保证引出离子密度和极轨环境离子密度相同。
至此，本流程结束。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种航天器尾区离子环境地面模拟方法，用于中低轨道航天器尾区离子环境模拟，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一、计算到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j；
到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n为所在轨道的离子密度，离子速度v为所在轨道上航天器的速度，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度为：j＝qnv，其中，q为单个离子所带的正电荷；
步骤二、在真空室内进行如下设置：在等离子体源出口前方增加一离子加速栅网(9)，该离子加速栅网(9)与等离子体源出口处的主阳极栅网(8)平行；航天器缩比模型(10)和法拉第杯(11)并排置于离子加速栅网(9)前方，且法拉第杯(11)与航天器缩比模型(10)的前端对齐；
其中，离子加速栅网(9)的设计为：
设，m为等离子体源产生的一个离子的质量，V1为已知的所述主阳极栅网(8)的电压，V2为待求的离子加速栅网(9)电压，主阳极栅网(8)与离子加速栅网(9)之间的偏置电压为U，ε0为真空空间介电常数，d为待求的主阳极栅网(8)与离子加速栅网(9)之间的距离；
根据能量守恒定理qU＝1/2mv2，计算主阳极栅网(8)与离子加速栅网(9)之间的偏置电压从而得到离子加速栅网(9)电压V2＝V1-U；
然后，将偏置电压U和步骤一计算得到的充电电流密度j代入查理-朗缪尔方程求解主阳极栅网(8)与离子加速栅网(9)之间的距离d；
步骤三、实验时，将真空室(12)抽成真空状态，控制等离子体源产生离子；打开离子加速栅网的电源，形成平行电场，等离子体源产生的离子在平行电场的作用下被引出形成离子束流；
步骤四、开启法拉第杯(11)，测量离子束束流强度，待离子束束流强度达到j±△1范围内，△1为设定的强度误差范围，则认为离子束束流强度满足要求，尾区离子环境模拟成功，开始进行该尾区离子环境中的实验；如果超出j±△1的强度范围，则调整距离d，直到离子束束流强度满足要求，再开始地面实验。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三和步骤四之间进一步包括如下步骤：
采用Langmuir探针测得离子到达航天器缩比模型(10)的实际速度，如果实际速度达到v±△2，△2为设定的离子速度误差范围，则认为离子速度满足要求，执行步骤四；否则，调整偏置电压U，直到离子速度满足要求，再则执行步骤四。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于极轨航天器，到达航天器缩比模型的离子束流所需满足的条件为：离子密度n＝109m-3，离子速度v＝7800ms-1，则到达航天器缩比模型的离子束流的充电电流密度j＝1.248×10-6A；
利用能量守恒定理计算得到偏置电压U为12.75V，进一步考虑实际误差，设置偏置电压U为13V，从而得到离子加速栅网(9)电压V2＝V1-13；
将偏置电压U和离子束流的充电电流密度j代入查理-朗缪尔方程计算得到主阳极栅网(8)与离子加速栅网(9)之间的距离d为32cm。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，真空室环境真空度为10-4pa。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，离子加速栅网(9)的栅网孔径为1.2mm～2mm。
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