[發明專利]一種航天器尾區離子環境地面模擬方法

有效

• 申請號: 201410445500.6
• 申請日: 2014-09-03
• 公開（公告）號: CN104260906A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 趙呈選;李得天;楊生勝;秦曉剛;陳益峰;王俊;湯道坦;史亮
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: B64G7/00
• 分類號: B64G7/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 溫子云;仇蕾安

技術領域

本發明屬于空間等離子體環境地面模擬領域，適用于包括極軌的中低軌道航天器尾區離子環境地面的模擬，具體涉及一種引起航天器尾區帶電效應的背景等離子體環境中的離子環境地面模擬方法。

背景技術

當極軌衛星運行在低溫度、高密度的極區等離子體環境中時，在其尾部形成明顯的“航跡”，這是一個不相等的電子和離子耗盡區。由于衛星軌道速率大于離子熱速率而小于電子熱速率，因此電子可較容易地進入這個區域從而形成一負電位勢壘，這就是所謂的“尾跡效應”。它對衛星的明顯作用是在尾區介質表面將充電至較高的負電位，此表面電位主要依賴于收集的電子通量和離子通量之比。衛星因尾跡效應而形成的表面不等量帶電是影響中低軌道特別是極軌衛星安全運行的重要原因之一。當衛星尾部介質表面帶電達到或超過航天器材料擊穿閾值后，便會產生靜電放電。

根據國際參考電離層模型，地球極軌軌道的主要離子(H⁺和O⁺)參數為：離子密度為10⁹m^-3，能量為0.1eV，相對航天器的速度為7800ms^-1。

由前面的論述可知，極軌航天器在電離層等離子體中的飛行，相當于電離層等離子體以航天器的速度流過靜止的航天器。所以，在實驗室內，按照縮尺規律，我們可以用一適當尺度的物體作為航天器的模型。在真空室內，用一等離子體束流源產生流速近似為7800ms^-1離子束流，然后將模型靜止置于離子束流之中，構成所謂的極軌離子環境模擬裝置，如圖1所示。

在極軌航天器尾區帶電效應地面模擬實驗中，背景等離子體環境模擬是實驗的重要方面。按照計算結果，實驗要求背景等離子體中離子成分滿足：密度為10⁹m^-3，加速后的離子能量為12.75eV，加速后的離子速度為7800ms^-1。

目前，在極軌航天器尾區帶電效應地面模擬實驗中，經考察市場上沒有能產生實驗所需離子環境的離子源，現有離子源所產生離子在能量和速度方面和極軌離子環境要求差距較大。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種尾區離子環境模擬的實驗方法，本發明中利用等離子體源和離子加速柵網相結合，能夠有效的產生實驗所需的極軌離子環境，且結構簡單。

該航天器尾區離子環境地面模擬方法，包括如下步驟：

步驟一、計算到達航天器縮比模型的離子束流的充電電流密度j；

到達航天器縮比模型的離子束流所需滿足的條件為：離子密度n為所在軌道的離子密度，離子速度v為所在軌道上航天器的速度，則到達航天器縮比模型的離子束流的充電電流密度為：j＝qnv，其中，q為單個離子所帶的正電荷；

步驟二、在真空室內進行如下設置：在等離子體源出口前方增加一離子加速柵網，該離子加速柵網與等離子體源出口處的主陽極柵網平行；航天器縮比模型和法拉第杯并排置于離子加速柵網前方，且法拉第杯與航天器縮比模型的前端對齊；

其中，離子加速柵網的設計為：

設，m為等離子體源產生的一個離子的質量，V₁為已知的主陽極柵網電壓，V₂為待求的離子加速柵網電壓，主陽極柵網與離子加速柵網之間的偏置電壓為U，ε₀為真空空間介電常數，d為待求的主陽極柵網與離子加速柵網之間的距離；

根據能量守恒定理qU＝1/2mv²，計算主陽極柵網與離子加速柵網之間的偏置電壓從而得到離子加速柵網電壓V₂＝V₁-U；

然后，將偏置電壓U和步驟一計算得到的充電電流密度j代入查理-朗繆爾方程求解主陽極柵網與離子加速柵網之間的距離d；

步驟三、實驗時，將真空室抽成真空狀態，控制等離子體源產生離子；打開離子加速柵網的電源，形成平行電場，等離子體源產生的離子在平行電場的作用下被引出形成離子束流；

步驟四、開啟法拉第杯，測量離子束束流強度，待離子束束流強度達到j±△₁范圍內，△₁為設定的強度誤差范圍，則認為離子束束流強度滿足要求，尾區離子環境模擬成功，開始進行該尾區離子環境中的實驗；如果超出j±△₁的強度范圍，則調整距離d，直到離子束束流強度滿足要求，再開始實驗。