第四章等離子體環(huán)境2(效應)

1、1 4.4 空間等離子體效應空間等離子體效應4.4.1 空間等離子體對電波傳播的效應4.4.2 空間等離子體對大型空間系統(tǒng)的效應 與對策4.4.3 航天器表面充電效應與對策4.4.4 航天器內部充電效應與對策24.4.1 空間等離子體對電波傳播的效應 無線電波在經(jīng)過空間等離子體中傳播時所遇到的傳播問題，是由于等離子體對通過的電波產(chǎn)生的折射、散射、吸收、閃爍和法拉第旋轉等效應，這些效應使得電波的傳播的速度、方向、相位、振幅和偏振狀態(tài)等發(fā)生改變，從而影響通訊質量、定位導航的精度。34.4.1.1電波在空間等離子體中傳播的基本理論 由于空間等離子體處于磁場中（如太陽風等離子體與行星際磁場凍結在一起；

2、地球等離子體處在地磁場中），所以電波在空間等離子體中的傳播理論是磁離子理論，利用粒子的質量守恒方程、電荷守恒方程、動量守恒方程，廣義歐姆定律及麥克斯韋方程聯(lián)立求解得出入射電波與等離子體參量相關連的磁離子介質結構關系式（441）和色散式（4 4 6）： 4) 144(1213230PzPyPxUYilYilYilUYilYilYilUEzEyExX) 244(22202PemeNX) 344(HmBeY) 544(1iZU) 444(Z) 644 ()1 (4)1)(1 ( 2)1 (2122422iZXYYYiZXiZiZXXnLTT54.4.1.2 4.4.1.2 空間等離子體對電波傳播的效

3、應空間等離子體對電波傳播的效應 空間等離子體對電波傳播的主要效應有折射（包括角折射、雙折射Faraday偏振旋轉）、吸收、載波相位超前、Doppler頻移及閃爍?？稍斐擅}沖波形失真。1、折射（傳播時延，角折射，法拉第效應折射（傳播時延，角折射，法拉第效應）電波在空間等離子體中傳播時，由于電子密度的變化使得進入空間等離子體中傳播的電波發(fā)生折射變化；由于磁場的存在，使得進入其中傳播的電波發(fā)生雙折射，被分裂為左旋和右旋的兩個偏振波，產(chǎn)生電波偏振面旋轉的法拉第旋轉效應?？臻g等離子體對電波的這些折射，從而使傳播路徑改變，電波到達角改變，傳播出現(xiàn)時延。6 由于空間等離子體對電波的折射作用，使得通過空間等離

4、子體傳播的電波路徑偏離直線而發(fā)生傳播路徑的改變，同時電波到達角也有改變，由這些改變而造成傳播時延?？臻g等離子體對電波的雙折射作用造成通過它的電波的偏振面的旋轉。所有這些在衛(wèi)星通信、測控和導航系統(tǒng)的設計、運行中是必須考慮的。 1）傳播時延 群路徑延遲 空間至地面穿過空間等離子體的電波，由于折射作用使得傳播時間較之自由空間的要長，波能傳速低于光速而引起的傳播時間延長，這一長出的時間叫做傳播時延或時延遲。 7為了提高導航定位精度，減少距離誤差，在足夠大帶寬的導航或測距系統(tǒng)中大都采用雙頻f1、f2工作，此時空間等離子體造成的時延減小為（t）， （t）= t1（f12/ f221） 這樣的雙頻系統(tǒng)的典型

5、例子是全球導航系統(tǒng)GPS，直接測量電離層的群路徑延遲并因此對等離子體造成的時延修正，對典型的高太陽活動的白天I1018elm-2，由GPS接收機測量的（t）為35ns，等效電離層誤差10.5m。 82）角折射 空間等離子體的折射指數(shù)造成傳播路徑彎曲，使得視在高度角（又有人叫做視在仰角）a大于幾何高度角b的現(xiàn)象叫做角折射，也即電波到達角改變。 93）Faraday效應一個線偏振波通過空間等離子體傳播時，由于雙折射作用使得電波被分裂為旋轉方向相反的兩個圓偏振波（O波和X波），從而造成偏振面發(fā)生旋轉，這種現(xiàn)象叫做Faraday效應。102、吸收（非偏離吸收，偏離吸收） 由于等離子體的碰撞頻率 的存在

6、，折射指數(shù)出現(xiàn)虛部i，表明電波在等離子體中傳播的振幅衰減，這是因為等離子體的碰撞使得電波損失能量。 111）非偏離吸收 當1時，由于電波的傳播速度不變，路徑不再彎曲，此時的吸收叫做非偏離吸收。顯然，非常波的吸收更大。2）偏離吸收偏離吸收是指碰撞頻率是小的情況，也即通過電離層F層及以上空間等離子體區(qū)時發(fā)生的吸收。隨著電波接近反射處，因為0，電波所遭遇的吸收增加。123、載波相位超前 通過空間等離子體的電波除有群延遲（或調制時延遲），外還有載波相位改變。這樣的相位改變相對于自由空間的相位是超前的，故而將空間等離子體引起的載波相位改變效應叫做載波相位超前。該效應在測速系統(tǒng)決定空間目標速度中是非常重要

7、的。相位改變量為15441034. 12Ifcycles實際上，在單頻下是不能進行這種相位改變量測量的，也就是說若要對它進行測量或在測速系統(tǒng)中減小其影響，必須使用兩個相干的工作頻率。如GPS，衛(wèi)星發(fā)射兩個相干的載頻L1，L2；此時的載波相移差為4.3110-17I I。 13.4、Doppler頻移 當觀測者相對信號源之間有相對運動時，觀測者所接收信號頻率fr將不同于信號源發(fā)射的頻率，這么一個頻率移動叫做Doppler頻移，它是由相對大的自由空間幾何頻移和相對小的環(huán)境介質參量變化引起的附加Doppler頻移組成。等離子體密度或積分電子含量的改變引起傳播頻率的變化，即附加Doppler頻移。14

8、5 、閃爍1）閃爍指數(shù) 閃爍強度用接收功率變化來表征，通常用S4閃爍指數(shù)表示。 152）頻率關系 對由衛(wèi)星發(fā)射138MHz2.9GHz之間10個頻率的波進行觀測，給出了S40.6時，S4與頻率有著S4f-1.5的關系，在較強閃爍時對頻率的關系陡度變??；當S40.6時，S4與隨頻率成指數(shù)減小。相位閃爍指數(shù)隨頻率變化是弱的。3）衰落譜電波經(jīng)過空間等離子體不規(guī)則體期間，電波將遭遇空間相位起伏，當其到達地面時引起干擾以及強度和相位發(fā)展中的衍射圖。在衍射圖和觀測者之間存在著相對運動時，導致強度和相位的時間變化，這些表現(xiàn)在頻率域上為觀測到的強度和相位起伏頻譜。16（4）電離層閃爍的主要特征由電離層不規(guī)則體

9、出現(xiàn)的特征和規(guī)律決定著電波的電離層閃爍的主要特征如下： 閃爍是一個夜間顯著現(xiàn)象。 閃爍的不同緯度差異很大，經(jīng)度效應明明顯。 閃爍隨季節(jié)變化，在二分季閃爍出現(xiàn)最多、最大。 閃爍與地磁活動關系復雜，不同緯度關系不一樣。 閃爍與太陽活動關系密切，高年遠大于低年，且出現(xiàn)位置變化，例如在太陽活動高年，閃爍峰出現(xiàn)在雙駝峰處，而不是磁赤道。175）脈沖波形失真 由于正常電離層等離子體的色散可以引起通過它傳播的脈沖失真，脈沖還受到不規(guī)則體引起的電波散射影響而改變。184.4.1.3 空間等離子體對通訊系統(tǒng)的影響與對策通訊包括各種用途（軍用，民用；）的電話、電報、廣播、測控、導航、以及通信等，而狹義講它是指用于

10、傳遞語音和圖像的過程。此處所說的通訊是后者，對遙感、測控、定位導航方面的問題單獨討論。 19由于電離層會使經(jīng)其傳播的高頻、甚高頻直至超高頻波受到折射、散射、吸收、法拉第效應和電離層閃爍的影響，使波發(fā)生時延、信號衰落，從而使通信質量下降。法拉第旋轉可使天線偏振失調，電離層閃爍造成經(jīng)電離層傳播的電波幅度、相位、到達角和偏振特性發(fā)生不規(guī)則的起伏，甚至千兆赫頻段的信號幅度起伏也可以達到10dB。表4-4-1 給出了對電波影響的各種效應情況。 20效應頻率關系1GHz3GHz10GHz法拉第效應f210010 1 閃 爍f 3220dB10dB4dB吸 收f210dB10-3 dB 10-4 dB傳播延

11、遲f20.3s0.03 s0.003 s到達角變化f210 1 0.1 表4-4-1 電離層等離子體的主要電波效應21隨著人類空間活動的日益頻繁，對電離層造成的污染和干擾，必將使電離層的不規(guī)則性及其擾動強度大大增加，實際電離層的影響比上述數(shù)值將更嚴重。224.4.3.2 對策11、傳播預報在地地通訊中，由于電離層等離子體有著繁雜的時空變化，為了保證正常的通訊，必須依據(jù)電離層的變化調整傳輸頻率。這就要求作電離層傳播預報，傳播品質等級分為09，10級，0級表示不可用，7表示好，9表示極好。還要給出電離層暴、太陽耀斑效應及PCA（極蓋吸收）預報及警報。主要電離層擾動的傳播效應如表4-4-2示。23擾

12、動高緯電離層效應傳播效應典型持續(xù)時間SID白天D層N增加吸收增加；信號損失34小時電離層暴高緯D層N增加；F層減少，情況復雜。過極區(qū)鏈路信號損失；近MUF信號損失；有用頻譜變窄。幾天中，一次幾小時；一天PCA極蓋區(qū)高的D層N過極區(qū)通訊鏈路信號損失；幾天表4-4-2 主要電離層擾動的傳播效應242、電離層閃爍預測 星地間通訊所遭遇的最嚴重的傳播效應是電離層閃爍。對典型的衛(wèi)星通訊頻率1.6GHz，在太陽活動高年的1979年，電離層閃爍產(chǎn)生的信號衰落使得通過赤道異常峰時間的30至少有20dB。因此在衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的設計中，必須利用電離層閃爍預測模式給出閃爍預測。 254.4.1.4 等離子體對導航定位

13、系統(tǒng)的影響與對策1、影響 無論是地面的甚低頻導航，還是衛(wèi)星導航，它們都受到電離層等離子體的影響。在太陽耀斑和PCA之類的擾動期間，可引起地面歐密伽導航定位誤差幾公里；太陽耀斑主要影響中、低緯過白天半球的傳播路徑；而PCA事件影響極區(qū)路徑，尤其是夜間的極區(qū)路徑；D區(qū)暴后效應也影響中、高緯路徑，最嚴重在夜間；一些隨機電離層變化也可造成幾百米的誤差。由于衛(wèi)星導航所用頻率遠遠高于電離層的最大臨界頻率，所以此時電離層所帶來的誤差大大減小，但是仍必須對電離層影響進行必要的修正。26 在用電波的多普勒效應測量來進行運動目標的導航定位時，必須根據(jù)實時的電離層信息來作修正。一個大的太陽地球物理事件，如 1989

14、年3月事件期間，由于電離層擾動使得OSCAR系列導航衛(wèi)星有近一個星期不能正常工作；軍事系統(tǒng)跟蹤的5000多個空間目標差不多失蹤。又如， GPS傳輸模式僅能消除可能電離層延遲70ns 的一半，尚可余非模式部分延遲誤差10m。多路徑誤差達0.5m，要想檢測或避免多路徑是困難的。2 、對策好的電離層模式可修正電離層影響的3/4。但是，受限于沒有精確的環(huán)球電子含量及大的擾動效應的預測能力，還沒有動態(tài)的電離層模式。274.4.2 空間等離子體對大型空間系統(tǒng)的效應與對策4.4.2.1 空間等離子體與大型空間系統(tǒng)的相互作用空間等離子體對大型空間系統(tǒng)產(chǎn)生一些重要效應，這主要有：較稠密的空間等離子體與航天器的相

15、互作用，產(chǎn)生等離子體鞘和尾流效應；高電壓太陽陣的電流泄漏及弧光放電效應，造成電源功率無功損耗，影響電源效率；大型空間系統(tǒng)與環(huán)境離子的動量交換產(chǎn)生離子曳力而影響軌道運行。所謂大型空間系統(tǒng)是指其空間尺度遠大于周圍等離子體的德拜長度空間系統(tǒng)。而工作電壓在100V以上的空間系統(tǒng)叫做空間高電壓系統(tǒng)。主要有高電壓太陽電池陣（HVSA）、大的空間開關系統(tǒng)。284.4.2.2 空間等離子體對大型空間系統(tǒng)的尾流效應 等離子體鞘和尾流是航天器與等離子體環(huán)境相互作用對環(huán)境的作用方面，表現(xiàn)為引起的環(huán)境擾動。它影響 有關測量系統(tǒng)，如等離子體探針、電流監(jiān)測及天線阻抗等的測量。 影響通過它們的電波傳播，從而影響有關的通信、

16、導航定位和測控系統(tǒng)。影響充電. 低軌道航天器在相對稠密的電離層等離子體中運行時，因航天器的速度遠高于等離子體的離子熱運動速度，使得航天器前邊出現(xiàn)一個密度壓縮的沖壓區(qū)，后邊出現(xiàn)一個密度放空的與減低的區(qū)，該區(qū)通稱等離子體尾流。 291、等離子體尾流效應的計算機模擬由于載人航天的需要，二十世紀八十年代中期，空間科學界再一次出現(xiàn)對等離子體尾流現(xiàn)象重視。航天器后邊的等離子體尾流不可能有一般的解析解。由于尾流是航天器與空間等離子體相互作用的結果，因此對等離子體尾流的研究原則上同航天器的充電研究，只是等離子體尾流的研究側重于航天器周圍環(huán)境等離子體的分布狀態(tài)。計算機模擬總的來說可以用低地球軌道區(qū)的大型航天器充

17、電軟件進行。302 、等離子體尾流效應的實驗室模擬 地面等離子體模擬實驗室模擬飛行器相對等離子體環(huán)境有運動時，測量研究飛行器周圍的等離子體狀態(tài)與分布，對之進行研究；低軌道飛行器在空間等離子體中運行時，對其周圍的等離子體狀態(tài)與分布進行測量研究。3 、等離子體尾流效應的空間飛行試驗原則上，只要航天器上在各個主要方向都有等離子體探測器的話，都可以給出空間飛行的等離子體尾流效應試驗結果，如Explorer 31衛(wèi)星，Ariel 2衛(wèi)星等。圖4-5-1是Ariel 2衛(wèi)星的實測結果的例子。 31 圖 4-5-1 Ariel 2衛(wèi)星測量所得歸一化電子電流隨等離子體探針位置的變化 324.4.2.3 空間等

18、離子體致高電壓太陽陣（HVSA）的 電流泄漏效應 未來空間站約需75kW的電功率，為此要求太陽電池陣產(chǎn)生200kW功率才成?，F(xiàn)今最好的太陽電池額定功率密度約為100W/M2，長電纜供電，若要 30-60伏工作電壓供電，則需5000安培電流，這樣大的一個電流能引起嚴重的電纜損耗和/或更不能接受的重量增加。另外大的電流流動能產(chǎn)生與環(huán)境地磁相作用的磁場，這必增加系統(tǒng)的阻力。因此采取提高工作電壓減小供電電流的方式，未來空間站擬選用200-1000伏高電壓工作。這么高的電壓將引起太陽能陣與等離子體環(huán)境的相互作用帶來新的問題。33 空間系統(tǒng)任何暴露于空間等離子環(huán)境的電壓部分都能引起它與周圍等離子體之間的電

19、流流動，這就是電流泄漏。因這回路是與工作系統(tǒng)并聯(lián)著的，從而消耗電源的有功功率。象在太陽陣的各結點上有著相對于環(huán)境上百伏的電位差，這必與環(huán)境等離子體構成電流回路，這回路中的電流流動消耗太陽能陣的功率，從而降低并限制了電源的供電效率。34研究方法現(xiàn)狀1 、電流泄漏效應的計算機模擬 我們利用固定表面導體盤的二維Poisson-Vlasov問題的混合疊代數(shù)值計算程序，對幾組不同的表面電位、環(huán)境等離子體條件進行計算，利用所得結果，建立起一個統(tǒng)計逼近關系式。依此我們建立了HVSA 的電流泄漏（電流收集）模式。352 、電流泄漏效應的實驗室模擬有關HVSA 的電流泄漏研究工作主要是由美國宇航局的幾個研究中心

20、在地面模擬實驗室中進行的，得到了一些有參考意義的結果。但是受限于模擬實驗設備的尺度及邊緣效應、等離子體源的不同和參量的不確定性等，所進行的模擬與真實的空間環(huán)境相差甚遠，相互間結果不完全一致。3、電流泄漏效應的天基試驗 364.4.2.4 空間等離子體引起的高電壓系統(tǒng)的弧光 放電效應 在相對環(huán)境等離子體為負電位時，高電壓太陽陣出現(xiàn)遠大于環(huán)境電流收集的突發(fā)電流脈沖現(xiàn)象。典型穩(wěn)定時間為幾微秒。它是高度局域性的現(xiàn)象。有關弧光放電效應的研究同 HVSA 的電流泄漏的研究一樣，是由地面模擬實驗室中進行的，此外還有兩次空間飛行實驗PIX-1，PIX-2。得到了由地面實驗給出弧光放電閾值是困難的結論，及一些有

21、參考意義的結果。日本在1994年進行了這方面的飛行實驗 SFU 。 374.4.2.4.1 弧光放電理論和計算機模擬 關于弧光放電理論研究方面，以Park 等理論為代表，其基本點是：太陽電池的金屬互連片上部都有絕緣雜質薄層存在，當負電壓金屬互連片吸引的離子聚集在這些絕緣雜質薄層內時，它們將會建立起層內電場，當其達到足以可引發(fā)向空間發(fā)射電子時，這些電子流使薄層受熱并電離，這樣一種過程就是弧光放電。Hastings等提出了弧光放電機制的另一假說，他們認為擊穿電流引起太陽電池蓋片玻璃邊上吸附的中性氣體分子被解吸出，并聚集在互連片上面，在這些中性氣體層內發(fā)生弧光，好似火花放電。 382、HVSA弧光放

22、電的實驗 實驗發(fā)現(xiàn)，在LEO的典型空間等離子體條件下，相對空間等離子體為負電位時會出現(xiàn)太陽陣放電。PIX-2的空間測量表明在該飛行環(huán)境條件下可能出現(xiàn)放電的閾值約為-350伏。星蝕期間陣電壓更負，易發(fā)生放電。 Viswanathan等的研究指出，如果放電特征有一個大于5安培的峰電流，則太陽陣將能被驅動到一個干擾的或噪聲模的工作狀態(tài)；如果脈沖輻度小于5安培，則負載電流將在一個減小的電流上振蕩。每個模塊擊穿有2%的功率損耗,如果所有模塊同時擊穿，則將有約20%的損耗。394.4.2.5 空間等離子體對大型高電壓空間系統(tǒng)的離子 曳力效應 大型高電壓空間系統(tǒng)，如HVSA，與LEO等離子體之間的動量交換引

23、起的對航天器的作用力叫做離子曳力。這一問題的重要性是由日本的Kuninaka和Kuriki在進行高電壓太陽電池陣與電離層等離子體相互作用的數(shù)值模擬研究后指出的。 Kuninaka和Kuriki 在下述假定下對HVSA與LEO等離子體之間的動量交換引起的航天器曳力進行了數(shù)值模擬研究。40對太陽陣翼長10米，弦長3米，厚度為0米。翼頂有最小電位翼根為0V，電位沿翼線性分布。用固定網(wǎng)尺寸，均勻分割計算區(qū)為592731個網(wǎng)點。為得出離子軌道用了約四萬個粒子進行粒子模擬。 一個重要結果出現(xiàn)在攻角30附近，此時離子曳力為負號，這意味著因粒子反射產(chǎn)生牽引力。從固定在環(huán)境上的參考系看，具有初速度為0的離子為陣

24、電位加速，以遠為大的反射速度反向離開HVSA，在與HVSA碰撞中損失掉電荷。換言之，HVSA好像一個以環(huán)境等離子體作推進的離子引擎。這離子為HVSA電位增加并相當大地影響HVSA的運動，用離子曳力來主動控制航天器姿態(tài)和高度是可能的。414.4.2.6 對策由運行在低軌道的大型航天器及高電壓系統(tǒng)與該區(qū)域的相對稠密的空間等離子體相互作用產(chǎn)生的這些效應，它們是幾個既可能同時存在又可以相互獨立起作用的效應，因此對它們的對策也不甚相同。 對航天器尾流效應，盡可能準確的預測出尾流大小和范圍，在航天器有關測量中盡可能對之進行修正；在航天員出艙活動時，盡可能避開尾流區(qū)。對高電壓系統(tǒng)的電流泄漏和弧光放電的防護對

25、策，主要是在制造工藝上下功夫，減少毛刺和易裸露的部分出現(xiàn)，在設計中盡可能準確計入它們對電源的預期損耗，選取最佳接地位置。424.4.3 航天器表面充電效應與對策 航天器充電就是在航天器上的電荷建立或積累的過程，它是由于航天器與空間等離子體、輻射及粒子環(huán)境等相互作用的結果。航天器充電分為表面充電和內部充電。表面充電是當航天器在空間等離子體中運行時，空間等離子體中的電子和離子將以不同的速度或通量與航天器相遇，綜合各個有關因素和過程，最終導致航天器表面電荷建立，使得航天器充電，有時可以充電到高電位，當充電致靜電放電（ESD）發(fā)生時，可引起航天器發(fā)生故障。它是空間環(huán)境引起的航天器異?；蚬收系娜笠蛩刂?/p>

26、一，約占空間環(huán)境引起的航天器異常或故障總數(shù)的三分之一。圖4-4-5給出了控制航天器不同充電的電流示意圖8。43 圖4-4-5 控制航天器充電過程的電流示意圖444.4.3.1 表面充電原理 空間等離子體與運行其中的航天器相互作用，在航天器表面積累電荷的現(xiàn)象叫做表面充電。嚴格講，空間磁場也參與充電過程；由于材料受太陽光輻射會發(fā)出光電子，故而太陽光輻射也是影響航天器充電的環(huán)境。表面充電又分為絕對充電和不等量充電。絕對充電是整個航天器的地電位相對與周圍的等離子體的電位。不等量充電是因為航天器的表面上的電位差異而引起的充電現(xiàn)象，它能夠改變衛(wèi)星的絕對充電水平。應當指出，任何具有幾eV能量的帶電粒子都可以

27、穿透幾何表面積累在極薄的面區(qū)，只是其能量低，不足以建立層間電荷。因此，通常說的航天器表面充電，實際上是在極薄的面區(qū)積累電荷的現(xiàn)象。45 航天器相對空間等離子體電位好似一個電容系統(tǒng)，航天器自身的不同介質表面構成許多電容器，它們的電位是相對空間等離子體電位浮動的，所以就會生成不穩(wěn)定條件，就會有來自航天器電荷向空間的泄漏這樣的最基本放電。當電荷積累生成的不同表面間電場（即不等量充電電場）超過表面材料的擊穿閾值時，所發(fā)生的電荷釋放現(xiàn)象，叫做表面（擊穿）放電，又叫做靜電放電，簡記為ESD。46 建立電流平衡的時間，即充電時間，因材料的電屬性不同而不同，例如對地球同步軌道（GEO）的金屬表面，充電時間為毫

28、秒量級；而對介質表面，充電時間能夠到分鐘量級，因此對有介質表面、每分鐘幾轉的自旋GEO衛(wèi)星，它可能從沒能達到過平衡。由于電子的質量遠小于離子的，因此在電子和離子有著相同或相近的溫度時，電子的熱運動速度遠高于離子的，在相同時間里，落到航天器表面的電子比離子多得多，從而表面會積累負電荷，所產(chǎn)生的電場將排斥電子，吸引離子，隨著電位值的升高，這種作用也加強，再考慮到其它帶電粒子流的聯(lián)合作用，最終進出航天器表面的各種帶電粒子流建立起動態(tài)平衡。顯然，平衡電位和電子的能量有關，能量越高充電電位也越高。474.4.3.2 影響航天器表面充電的主要因素4.4.3.2.1 航天器的運行環(huán)境 不同的軌道區(qū)，對航天器

29、充電的環(huán)境因素作用也不完全相同。對地球同步軌道，顯然有無光照，對地球同步軌道航天器充電來說影響重大。48 現(xiàn)今的觀測表明，在地球同步軌道區(qū)和低極軌區(qū)，處于陰影中的航天器，當其遇到高通量的熱等離子體時（幾十A/m2），會發(fā)生高充電。 此外，由于不同軌道下的環(huán)境磁場的大小不同，背景等離子體密度不一樣，航天器的尺度相對等離子體的德拜長度的比也大大不同，使得低軌航天器的充電問題要較地球同步軌道的復雜。這些在計算機模擬和地面實驗室模擬中都必須考慮。 494.4.3.2.2航天器結構和表面材料光電發(fā)射、二次電子發(fā)射、背向發(fā)射電流參與了決定充電大小及不等量充電的充電電流平衡，而它們的大小是在空間環(huán)境一定的條

30、件下，是由航天器的結構和表面材料決定了的。航天器幾何形狀決定著充電的細節(jié)，表面材料的光電發(fā)射性能、二次電子發(fā)射性能及背向散射性能大大影響著航天器充電的水平。504.4.3.2.3 航天器運行軌道和方位由于不同的軌道區(qū)，航天器充電的環(huán)境不同，因此航天器的運行軌道決定著發(fā)生航天器充電的可能和大小，決定著對其進行計算機模擬的方程組和邊界條件。航天器的運行方位，影響著參與電流平衡的電流因素和大小。514.4.3.3 表面充電對航天系統(tǒng)的影響 對航天器表面充電的認識就來自于它造成地球同步軌道衛(wèi)星的異常及失效。 不同的充電效應的危害不同。不同的表面充電效應的危害也不同?？臻g觀測到的最大表面電位達-1900

31、0V。我國SJ-4也觀測到多次高充電 。 絕對充電表現(xiàn)為整個航天器的地電位相對周圍空間等離子體的電位差，對航天器的影響主要是加重航天器的表面污染，改變表面的熱的和光學的性能，并影響空間環(huán)境探測，產(chǎn)生影響軌道的離子曳力。52航天器不同部分間充電至不同電位的不等量充電，對航天器的影響除了加重航天器的表面污染，降低表面熱性能，并影響空間環(huán)境探測外，不等量充電對航天器的主要影響來自靜電放電。如1991年3月的太陽地球物理事件期間，一顆對地靜止衛(wèi)星的L 波段放大器因靜電放電而損壞。尤其是在載人航天中，兩個航天器之間的不等量充電能夠導致它們之間有危害性電流流動，能夠引起弧光放電，電子學的燒毀，及其它的安全

32、危害53特別是在航天員出艙時，嚴重的不等量充電能夠危及航天員的安全。我們依據(jù)美國的航天器異常數(shù)據(jù)庫的資料，在對1973年12月1989年4月期間地球同步軌道所發(fā)生的2802次異常事件分析中，發(fā)現(xiàn)由于航天器表面充電引起的靜電放電（ESD）導致的異常事件共計964次，占總異常數(shù)的34.4，平均每5.8天就有一次ESD導致的異常事件發(fā)生，有此可以看出航天器表面充電效應對航天器的危害是十分嚴重的。544.4.3.4 航天器表面充電研究 航天器充電效應及對策研究是由三個相互獨立又互相配合的方面組成：計算機模擬、地面實驗室模擬和空間實飛的天基試驗。但是應指出的是，由于航天器表面放電的物理是復雜的，嚴格的擊

33、穿機制并不完全清楚，因此現(xiàn)在的充電計算機模擬中對放電情況的模擬還很不足。554.4.3.4.1 計算機模擬進出航天器表面的各種帶電粒子流都是航天器電位的函數(shù)，要想給出表面充電電位的嚴格解析解是不可能的。為了航天器充電效應的評估及對策選取提供參考依據(jù)，因此，建立表面充電的計算機模擬是必須的。 計算機模擬是一種最經(jīng)濟、最簡便、最基本的航天器表面充電研究的有效手段，它可以較真實地實現(xiàn)環(huán)境模擬，它的可信程度取決于基本方程的真實程度以及所采取數(shù)值算法的精確性。事實上，對這么繁雜的物理問題，受限于剖分網(wǎng)格的尺度，目前還不可能給出各種各樣繁雜形狀和結構的各個細節(jié)部分的準確結果，只能為航天器充電效應的評估及對

34、策選取提供一種參考依據(jù)。561、表面充電的基本方程 充電的基本方程是電流平衡方程，凈電流為零時的解是模擬航天器充電的關鍵。特在假定等離子體是穩(wěn)態(tài)的，不計地磁場的影響下，求解凈電流為零時的解的基本問題是受Poisson方程和穩(wěn)態(tài)的無碰撞的Boltzmann方程（即Vlasov方程）所決定的。也就是說繞運動飛行器的擾動等離子體及其電位（場）結構的理論計算問題是求解耦合著的泊松Poisson和伏拉索夫Vlasov方程的問題。572、有限元方法求解泊松和伏拉索夫問題 利用有限元方法求解泊松和伏拉索夫（Poisson-Vlasov）問題，可以建立適用于不同軌道條件下的大型表面充電的計算機模擬程序。目前國

35、際上通用的有： 適用于地球同步軌道飛行器表面充電計算的NASCAP/GEO大型軟件。 適用于低地球軌道飛行器表面充電計算的NASCAP/LEO大型軟件；由于背景等離子體密度遠比地球同步軌道區(qū)的高，因此在計算等離子體密度時不能象NASCAP/GEO軟件，而對不同電位范圍采取半解析式，小電位時電荷密度1+e /kTe，大電位時電荷密度1/ e /kTe。 適用于極軌道飛行器表面充電計算的POLAR大型軟件。583、表面充電計算的等效集中參數(shù)電路模式 航天器相對空間等離子體電位好似一個電容系統(tǒng)，航天器自身的不同介質表面構成許多電容和電阻，因此航天器的表面充電可以通過它們相對空間等離子體構成等效集中參

36、數(shù)電路來計算。該模式的計算機模擬程序簡單，結果清晰，但是難點是要準確知道航天器表面各部分的電容和電阻。 594.4.3.4.2 實驗室模擬 給出航天器主要表面材料的特征，給出有關對表面充電防護的參考依據(jù)； 給出進行表面充電空間實飛實驗設計的參考依據(jù)； 給出可能出現(xiàn)的新現(xiàn)象；以及 對有關空間等離子體探測設備和表面充電/放電測量設備的標定等。60美國NASA的各大空間飛行中心，都有著同時模擬空間電子、離子及紫外輻射環(huán)境的能力，130keV的電子槍，但地面模擬實驗設備不太相同。實驗室模擬，為航天器充電效應的評估及對策選取，提供了一方面的參考依據(jù)。我國一些研究機構，也開展了程度不同的有關航天器充電等的

37、地面實驗室模擬。地面實驗模擬的限制是由于實驗設備尺度有限，使 得環(huán)境模擬難以真實，有強的邊緣效應，對高溫熱等離子體更難以作到空間真實譜的模擬。因此不能給出真正可信的結果，只能給出航天器充電效應的評估及對策選取的一種參考依據(jù)。 61 表 4-4-5 表面材料對充電電位的影響624.4.3.4.3 天基試驗和測量空間實飛天基試驗是任何空間環(huán)境對航天器影響研究的最可靠途徑，但也是代價最高的途徑。因此，它的采用一定要在理論研究、地面計算機模擬和地面實驗室模擬相互配合的基礎上才能進行。SCATHA作為美國高高度航天器充電計劃，由三部分構成：地面實驗室模擬實驗；研制開發(fā)進行高高度航天器表面充電計算機模擬的

38、專用程序NASCAP；研制并發(fā)射一顆研究航天器充電的專門實驗衛(wèi)星。在1979年1月30日成功發(fā)射了研究航天器充電的專門實驗衛(wèi)星SCATHA（P-78），它原有兩個目的測量充電及其對材料的效應。驗證了表面充電機制，確定了表面充電和內部充電的區(qū)別以及它們對航天器的危害等。 634.4.3.5 抗航天器表面充電的對策 對表面充電效應的防護，已列入航天器充電效應的控制和評估設計指南中。不同任務的航天器，抗航天器表面充電的對策并不完全一樣，如對典型的非科學衛(wèi)星，不需要控制絕對充電電位，僅需要防范可能出現(xiàn)放電的不等量充電；但對科學衛(wèi)星，應該控制絕對充電電位。1、減緩航天器表面充電的措施 如何減少引起迅速放

39、電的電量是至關重要的 2、禁用和選用的表面材料 3、航天器表面充電評估及設計準則 644.5 空間等離子體的探測4.5.1 冷等離子體探測 空間環(huán)境中的冷等離子體主要是指電離層和等離子體層區(qū)的等離子體，它們是相對溫度低而密度高的等離子體。因此在冷等離子體的探測中使用最廣泛、獲取數(shù)據(jù)量最大的探測方法是間接手段的電波法，直接探針（捕獲器，分析器）法次之。顯然直接探測法是屬于依賴于火箭、衛(wèi)星之類飛行器的天基探測；而間接手段的電波法既有純地基探測，也有純天基探測，還有天-地基聯(lián)合探測。654.5.1.1 電波法 電波法是指那些利用空間等離子體對通過它傳播的電波的效應進行相關測量，給出空間等離子體的有關

40、參量的探測空間等離子體的方法。依據(jù)所測效應原理，電波法主要可以劃分為三類：雷達類（短波雷達類和散射雷達類）；信標類；其它類。1、雷達類1）短波雷達類2）散射雷達類2、信標類 Doppler；Faraday；掩星法；三頻 信標。3、其它類 吸收測量；哨聲測量；部分反射測量。664.5.1.2 探針法4.5.1.3 小型電離層光度計4.5.2 熱等離子體探測4.5.2.1 靜電分析器4.5.2.2 驅動激波輻射電波測量儀4.5.3 兩種新的星載遙感方法4.5.3.1 無線電等離子體成像儀4.5.3.2 頂部Doppler自動探測儀（TOPAADS）671. 雷達類 所謂雷達是由位于一起的發(fā)射機、接

41、收機和天線構成的無線電設備。依其測量回波原理的不同它又分為短波雷達類和散射雷達類。1）短波雷達類它是指工作頻率處于短波段（f30MHz）的雷達類型的冷等離子體探測設備。A、原理依據(jù)空間環(huán)境冷等離子體對短波電波的折射和反射效應及電波在等離子體中的傳播理論，通過對接收信號相對于發(fā)射信號的頻率和時延特征分析處理換算，即可得出有關區(qū)域的等離子體信息。象：地面測高儀、頂部測高儀和色散干涉儀等探測設備。68由于這類探測儀都是位于一起的發(fā)射機、接收機和天線構成的，故此我們稱之為短波雷達類。測高儀是使用最久而又最重要的短波雷達類電離層冷等離子體探測方法。 測高儀是由地面上的短波脈沖發(fā)射機，垂直（或斜）向上發(fā)射

42、一個頻率連續(xù)變化的脈沖信號，由于不同空間高度的等離子體參量的不同，因而它們的信號將在不同的高度上被反射回地面，不同高度上的回波表現(xiàn)為信號時延。由頻同步掃描接收機接收這些返回信號，測量出信號的時延，依據(jù)短波在等離子體中的傳播的近似理論，當信號頻率f =等離子體頻率fp時，電波的尋常波被反射，則由f和相應的信號時延經(jīng)過反演換算，即可得出測高儀所在地上空相應時刻的電子密度高度分布（剖面）69 測高儀的回波信號記錄叫做電離圖或頻高圖（如下圖示）。由于空間冷等離子體的分布及其變化規(guī)律非常復雜，表現(xiàn)在測高儀的頻高圖也是復雜而又多樣的，因此對它的分析、判斷和換算非常重要。 此類方法的優(yōu)點是技術成熟，已商品化

43、，便宜設站，可以獲得空間冷等離子體的主要參量（電子密度等）的分布及其變化規(guī)律 。不足是可獲取的參量非常有限；分析、判斷和換算還不完全可靠、完善；數(shù)字化的分析、判斷和換算還必須進一步完善。 70712） 散射雷達類 散射雷達是一種用來檢測來自存在著空間變化或不規(guī)則體介質體內電波散射能量的雷達。它的工作原理基本上是屬于折射指數(shù)不連續(xù)部分反射構成的體散射，在任何邊界上都有小部分入射能被在所有方向上散射。來自半個波長間隔不規(guī)則體的散射信號被加強返回雷達，盡管每個散射是弱的，但它們能夠合起來使一個信號足夠強到被檢測。對散射結構不必是規(guī)則間隔，只要選取間隔是/2周期即可；具體間隔周期的選擇是由發(fā)射機和接收

44、機的相對位置所決定。72主要分為相干和非相干散射雷達兩大類；在相干和非相干散射的術語使用上并不很嚴格。它是由相干時間來界定的，實際上，所有流體都是部分相干的，對每個情況有一個相干時間, 當雷達檢測的介質的熱起伏相干時間相對短時，則稱它為“非相干的”；而那些傾向更慢變化的介質結構被稱為“相干的”。因此相干時間的測量是非常重要的。734.5.1.1.2 信標類 所謂信標是指由處于空間等離子體中的空間飛行器（火箭，衛(wèi)星等）發(fā)射的有特定用途的無線電波，如遙測信號，導航定位信號等，或來自銀河的天然無線電發(fā)射。利用信標進行空間冷等離子體測量是屬于天-地聯(lián)合的測量方法，它主要分為Doppler法和Farad

45、y法。這類方法最早運用短波，后使用超短波，或更短波長的波，如GPS發(fā)射兩個L段的頻率的信標等。1）Doppler方法 基本原理是聲學的Doppler效應。只要選取的Doppler頻移測量方法（如測量兩個相干信標頻率，f2=m f1的相位差）恰當，即可由此推出信標處的電子密度，或電子含量。74由環(huán)球分布著的GPS地面站在1小時內的觀測給出近實時的環(huán)球電離層TEC的圖。這些圖能用于環(huán)球電離層監(jiān)測和預報，尤其能夠用于對電離層暴的現(xiàn)報（nowcast）。收集環(huán)球分布著的GPS地面站的觀測，在JPL生成電離層不規(guī)則體的環(huán)球圖。如上這些圖提供通信和導航系統(tǒng)可能受電離層等離子體影響的決定性的資料。 方法的優(yōu)

46、點是測量精度相對較高，可以連續(xù)進行小擾動觀測及總電子含量的獲取；采取合適的觀測和數(shù)據(jù)處理方法還可以得到電子密度。該方法的不足點是頻率測量要求觀測設備比Faraday 方法的要復雜。75 2）Faraday 方法 基本原理是光學的Faraday效應，也就是說當波通過雙折射介質傳播時，波被分裂為旋轉方向相反的兩個圓偏振波，造成波偏振面旋轉的現(xiàn)象。處于磁場中的空間等離子體是雙折射介質，電離層等的冷等離子體就是雙折射介質 ，因此波通過電離層等的冷等離子體傳播時，波被分裂為旋轉方向相反的兩個圓偏振波波偏振面發(fā)生旋轉，偏振面旋轉的大小取決于傳播路徑上的積分電子含量I和路徑上的地磁場強度，這是電離層Fara

47、day效應。 76 該方法的優(yōu)點是觀測設備相對簡單，使用方便、經(jīng)濟，僅僅需要一個有著旋轉天線的接收機，因此它被廣泛應用于電離層等離子體的測量。它即可以廣泛用做電離層等離子體的突然擾動、似波起伏、電離層暴的監(jiān)測，也可以作為規(guī)則日變化和季節(jié)變化的監(jiān)測。Faraday 方法的不足是不夠精確，誤差可達10%20%。 為了克服這些不足使用遠距離的信標（如地球同步軌道衛(wèi)星）聯(lián)合Doppler方法和Faraday 方法一起測量。774.5.1.2 探針法1、原理 探針是等離子體診斷（即直接探測）的基本手段，它是處于要探測環(huán)境中的較為簡單的裝置，它從環(huán)境中得到電子或離子，由于電子質量遠小于離子的，并且粒子能量

48、相當?shù)停势潆娏魅Q于探針所處環(huán)境及所加電位（符號和幅值）。它可用來測量等離子體的電子密度、電子溫度及離子參量。捕獲器收集周圍介質中的離子，故又叫做離子捕獲器。78 朗謬探針不能給出離子溫度；為了克服朗謬探針的某些不足，出現(xiàn)了一些改進型探針，如用衛(wèi)星進行空間等離子體探測的射頻等離子體探針，離子捕獲器（即阻滯電位分析器）；有的利用測量等離子體介質的某些電性質來得出電子密度，如阻抗探針，諧振探針。 探針法的優(yōu)點是可以進行空間等離子體的直接測量，空間分辨率比電波法的要高，因此可以進行精細結構測量，該方法可以對不同區(qū)域的電離層進行測量，因此可以探測測高儀難以測量的區(qū)域，如D層區(qū)域、E層和F層間的谷區(qū)域

49、。探針法的缺點是測量誤差較大。 794.5.2 熱等離子體探測 空間環(huán)境中除電離層等離子體層以外的廣大區(qū)域中的等離子體都是熱等離子體，它們的溫度相對高而密度相對低，通常需要用某種帶電粒子的能譜來描述它的空間分布。熱等離子體的探測載體是火箭和衛(wèi)星?；咎綔y儀叫做靜電分析器和一種射電波測量儀。4.5.2.1 靜電分析器 靜電分析器是由探頭、通道電子倍增器，正比計數(shù)器與有關的電子線路構成。它的探頭是由具有一定曲率半徑（球形，圓柱形）的兩塊相距一定距離的金屬板構成，金屬板間加有一定的電壓，通過改變金屬板間所加電壓，來實現(xiàn)對不同能量帶電粒子的探測；80為了實現(xiàn)對不同能量帶電粒子的測量，在探頭的后面接有不

50、同的通道電子倍增器，正比計數(shù)器與有關的電子線路。通道電子倍增器是由內表面為高的二次發(fā)射系數(shù)的材料構成，使入射的帶電粒子經(jīng)過與加電壓的內表面多次碰撞，產(chǎn)生遠為多的二次電子，最后在高壓輸出端形成電子束。再經(jīng)過計數(shù)器等給出接收面的計數(shù)率s。粒子分布在各向同性假定下，接收面的粒子計數(shù)率s（秒-1）除以探測器的幾何因子（厘米2球面度），即可得出微分方向強度j(,)，有人又稱j(,)為微分通量。幾何因子是探測器的特性常數(shù)，它在探測結果的處理中非常重要。81到目前為止，空間熱等離子體的測量結果都是來自衛(wèi)星上的靜電分析器。得出了幾十電子伏到幾十千電子伏的太陽風等離子體、磁層等離子體、沉降等離子體以及各個邊界層

51、等離子體的基本特征，為建立它們的模式提供了一些數(shù)據(jù)，也為航天器的故障分析判斷提供了必要的資料。在監(jiān)測太陽風的各個衛(wèi)星上都配備有靜電分析器；在監(jiān)測磁層的不同軌道衛(wèi)星上也都有它；如WIND、ACE、ATS系列、TAIL、CLUSTER、DMSP系列衛(wèi)星。優(yōu)點是可以用在各種衛(wèi)星上。靜電分析器的不足是系統(tǒng)需要加的高壓使用上受限，不能影響其它星上設備；準確的幾何因子的計算或實驗室的測定困難。824.5.2.2 CME驅動激波射電波測量儀 通過本地的和遠處的對行星際的型和型射電暴測量，給出日冕物質拋射（CMEs）的發(fā)生、發(fā)展及與其磁層的相互作用的一個圖像。原理 一個日冕物質拋射驅動激波局地激發(fā)電子在近激波產(chǎn)生射電輻射，隨著激波向外運動到較低密度區(qū)，因為fpNe0.5，產(chǎn)生的輻射頻率變低；通過兩個覆蓋寬帶（20kHz14MHz）的接收機測量射電頻譜，再依據(jù)觀測的頻譜即可由（4-5-23）式推出相關等離子體密度等信息。不過應注意，輻射頻率可以是fp的諧波。83 用于日冕物質拋射在行星際傳播位置的監(jiān)測及其對地球空間環(huán)境影響的預報。因為粒子的運動速度遠比射電波傳播的慢，一個CMEs傳播到1AU的地球空間區(qū)需要長達4天左右， II型射電爆是與CMEs在日冕