一种航天器尾区离子环境地面模拟方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种航天器尾区离子环境地面模拟方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 根据国际参考电离层模型，地球极轨轨道的主要离子（H+和0+)参数为：离子密度 为10 9m_3,能量为0. leV，相对航天器的速度为780011^'
[0004] 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 7800!!!^ 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。
[0005] 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1〇 9πΓ3,加速后的离 子能量为12. 75eV，加速后的离子速度为780011^'
[0006]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】
[0007] 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。
[0008] 该航天器尾区离子环境地面模拟方法，包括如下步骤：
[0009] 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 ;
[0010] 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η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；
[0011] 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；
[0012] 其中，离子加速栅网的设计为：
[0013] 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，V 2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，ε ^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；
[0014] 根据能量守恒定理qU=l/2mv2,计算主阳极栅网与离子加速栅网之间的偏置电压
【权利要求】
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巧）， 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) 的自U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，Vi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巧）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，e。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= l/2mv2,计算主阳极栅网（8)与离子加速栅网（9)之间的偏置 电压C/ =心"v'2/y，从而得到离子加速栅网（9)电压Vs = Vi-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 ./' = 4/9&',,><^^><(：/|-^<^-求解主阳极栅网（8)与离子加速栅网（9)之间的距离(1; 步骤H、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± Al范 围内，A 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± A 1的强度范围，则调整距离山直到 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H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+ A 2, A 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 = IO9HT3,离子速度V = 7800ms^i，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 X ICT6A ; 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巧）电压V2 = Vi-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 网做与离子加速栅网（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l(T4pa。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，离子加速栅网巧）的栅网孔径为 1. 2mm ?2mm O
【文档编号】B64G7/00GK104260906SQ201410445500
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】赵呈选, 李得天, 杨生胜, 秦晓刚, 陈益峰, 王俊, 汤道坦, 史亮 申请人:兰州空间技术物理研究所