一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法

1.本发明属于空间环境探测设备技术领域，具体地说，涉及一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法。


背景技术：

2.行星高层大气是研究行星空间环境和行星演化的关键区域之一，高层大气风场在磁层-电离层-大气耦合中起到了重要作用,是研究行星高层大气动力学和电离层动力学的重要大气参数，对于行星气候和大气的演化过程研究也具有重要意义。但是，由于行星高层大气的气体属于稀薄气体自由分子流，连续介质假设不再适用于这个区域，因而用于地面的原位测风装置并不适用于测量行星高层大气风场；此外，行星高层大气中运行的航天器和大气的相对速度可达数公里每秒，远大于待测的风速，使得对航天器运行轨道的空间大气风场开展原位探测的难度很大。因此，实现航天器运行轨道空间大气风场的原位测量，是一个重要的发展方向。
3.开展航天器运行轨道原位空间大气风场测量的基本原理是通过测量行星高层大气中性粒子的分布，来获得其速度和温度等参量。由于大气中的中性粒子能量很低，难以直接测量并获得其能谱，需将中性粒子电离后，通过测量离子的能谱分布，从而间接的获得中性粒子的能谱分布。
4.但是，常规的气体中性粒子电离后，测量电离后的离子的能谱分布的方法存在较强的剩余电场的干扰，测量精度差，难以直接反映中性粒子的真实能谱分布。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法，本发明的测量装置嵌入式地安装在卫星表面，进气口指向风速矢量的测量方向，传感器上部伸出卫星表面，将探测窗口尽量远离卫星表面，以减小卫星表面羽流对中性气体分子测量的干扰。
6.本发明提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置，该装置包括：气体采样与准直子装置、冷阴极电子发射与聚焦子装置、电离区电场控制子装置、离子速度分析与收集子装置和装置外壳；
7.气体采样与准直子装置、冷阴极电子发射与聚焦子装置、电离区电场控制子装置和离子速度分析与收集子装置设置在装置外壳内；
8.气体采样与准直子装置设置在冷阴极电子发射与聚焦子装置上，二者的一侧依次顺序连接离子速度分析与收集子装置；冷阴极电子发射与聚焦子装置内设置电离区电场控制子装置。
9.作为上述技术方案的改进之一，所述气体采样与准直子装置包括：进气口、出气口和准直室；
10.所述准直室为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的两端分别设置进气口和出气口。
11.作为上述技术方案的改进之一，所述冷阴极电子发射与聚焦子装置包括：电子发射冷阴极、电子调制极组件和阳极板；
12.电子发射冷阴极之上设置电子调制极组件；电子调制极组件之上设置阳极板；电子调制极组件位于电子发射冷阴极和阳极板之间，三者之间平行设置。
13.作为上述技术方案的改进之一，所述电子发射冷阴极包括：冷阴极电子发射体和框架支架；
14.冷阴极电子发射体呈圆柱状结构，框架支架的横截面呈工字形结构，冷阴极电子发射体设置在框架支架内。
15.作为上述技术方案的改进之一，所述电子调制极组件包括：第一圆柱状中空结构电极和第二圆柱状中空结构电极；
16.第一圆柱状空心结构电极设置于第二圆柱状空心结构电极下方，第一圆柱状空心结构电极、第二圆柱状空心结构电极的中轴线与电子发射冷阴极的中轴线重合。
17.作为上述技术方案的改进之一，所述电离区电场控制子装置包括：第一电离区屏蔽栅网和第二电离区屏蔽栅网；
18.第二电离区屏蔽栅网平行设置在电子调制极组件顶端的内壁上，第一电离区屏蔽栅网平行设置在电子调制极组件和第二电离区屏蔽栅网之间的内壁上。
19.作为上述技术方案的改进之一，所述离子速度分析与收集子装置包括依次顺序设置的至少两个分析区屏蔽栅网、至少四个分析区扫描栅网和收集极；
20.至少两个分析区屏蔽栅网、至少四个分析区扫描栅网和收集极之间平行设置。
21.本发明还提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量方法，该方法包括：
22.航天器运行轨道高速入射的行星高层大气中性气体分子射入准直室的进气口，行星高层大气中性气体分子进入准直室内的电离区；
23.冷阴极电子发射体发射电子束流，并通过电子调制极组件和电离区电场控制子装置，对电子束流的入射方向进行调整，将电子束流垂直入射至电离区；
24.利用电子束流对行星高层大气中性气体分子进行电离，电离后的离子保持中性气体入射的分布状态射出，出射的离子穿过分析区屏蔽栅网，射入分析区扫描栅网，通过分析区扫描栅网，获得离子电流i，并利用扫描电压折算的速度vg，再结合公式(1)和(2)，反演出中性气体分子的中心速度vc和热速度vm：
[0025][0026]
i＝genif(v)
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(2)
[0027]
其中，f(v)为与中性气体分子的速度vc和中性气体分子的热速度vm相关的分布函数；ge为常数因子；ni为中性气体的密度；
[0028]
根据计算得到的中性气体分子的热速度vm，可得到中性气体分子的温度。
[0029]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0030]
1、本发明的测量装置，通过气体采样与准直子装置，实现对行星高层大气中性气体分子来流采样和准直；通过气体采样与准直子装置的准直功能，选择航天器运行轨道高速入射的气体来流的主方向，实现对不同来流方向的选择测量；
[0031]
2、本发明的测量装置，气体来流在电离区电离后，通过冷阴极电子发射与聚焦子
装置和电离区电场控制子装置，实现发射电子聚焦为近平行电子束，提高电离效率、确保电子能量一致性，同时调节电离区电场，大幅降低渗漏电场对入射中性气体分子来流电离后产生离子分布状态的干扰，使得电离产生的离子与入射中性气分布的初始状态尽量保持一致，从而解决了剩余电场的干扰问题，并通过离子速度分析与收集子装置进行扫描、提取和收集电离区离子，得到离子能量分布曲线，获得入射中性气体的速度、温度等参量；并大大减少了背景噪声的干扰，风速测量精度可达优于10m/s，实现了航天器运行轨道空间大气风场的高精度测量；
[0032]
3、本发明的测量装置具备了空间大气风场探测功能，解决了剩余电场的干扰问题，实现了航天器运行轨道空间大气风场的高精度测量。
附图说明
[0033]
图1是本发明的一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置的结构示意图；
[0034]
图2是图1的本发明的一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置中的气体采样与准直子装置和冷阴极电子发射与聚焦子装置在纵向上的剖面结构示意图；
[0035]
图3是图1的本发明的一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置中的离子速度分析与收集子装置的剖面结构示意图。
[0036]
附图标记：
[0037]
1、气体采样与准直子装置
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2、冷阴极电子发射与聚焦子装置
[0038]
3、电离区电场控制子装置
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4、离子速度分析与收集子装置
[0039]
5、装置外壳
[0040]
1.1、进气口
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1.2、出气口
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1.3、准直室
[0041]
2.1、电子发射冷阴极
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2.2、电子调制极组件
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2.3、阳极板
[0042]
2.1.1、冷阴极电子发射体
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2.1.2、框架支架
[0043]
2.2.1、第一圆柱状中空结构电极
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2.2.2、第二圆柱状中空结构电极
[0044]
3.1、第一电离区屏蔽栅网
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3.2、第二电离区屏蔽栅网
[0045]
4.1、分析区屏蔽栅网
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4.2、分析区扫描栅网
[0046]
4.3、收集极
具体实施方式
[0047]
现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0048]
如图1所示，本发明提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置，该装置包括：气体采样与准直子装置1、冷阴极电子发射与聚焦子装置2、电离区电场控制子装置3、离子速度分析与收集子装置4和装置外壳5；
[0049]
气体采样与准直子装置1、冷阴极电子发射与聚焦子装置2、电离区电场控制子装置3和离子速度分析与收集子装置4设置在装置外壳5内；
[0050]
气体采样与准直子装置1设置在冷阴极电子发射与聚焦子装置2上，二者的一侧依次顺序连接离子速度分析与收集子装置；冷阴极电子发射与聚焦子装置2内设置电离区电场控制子装置3；
[0051]
所述气体采样与准直子装置1，用于中性气体分子的样品采集和气体运动方向的
准直；
[0052]
所述冷阴极电子发射与聚焦子装置2，用于发射电子，并实现电子束流在电离区的聚焦，电子在电子发射与聚焦系统的引导下进入电离区使得气体分子电离；
[0053]
所述电离区电场控制子装置3，用于控制周围电极电压的渗入，使得电离后的离子保持中性气体入射的分布状态；
[0054]
所述离子速度分析与收集子装置4，用于提取和收集电离区的离子，获得离子的能量分布曲线，根据该能量分布曲线获得对应的离子的电流；
[0055]
所述装置外壳5为整个测量装置提供安装平台并屏蔽内外电场。
[0056]
如图1所示，所述气体采样与准直子装置1包括：进气口1.1、出气口1.2和准直室1.3；所述准直室1.2为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的两端分别设置进气口1.1和出气口1.2；其中，进气口1.1、出气口1.2是两个相同大小的圆形开口，行星高层大气中性气体分子从气体采样与准直子装置1中的进气口1.1进入，经准直,1.3准直后，从出气口1.2射出，并出射至电离区电离后，再进入离子速度分析与收集子装置中的分析区。
[0057]
如图1和2所示，所述冷阴极电子发射与聚焦子装置2包括：电子发射冷阴极2.1、电子调制极组件2.2和阳极板2.3；
[0058]
电子发射冷阴极2.1之上设置电子调制极组件2.2，电子调制极组件2.2之上设置阳极板2.3；电子调制极组件2.2位于电子发射冷阴极2.1和阳极板2.3之间，三者平行设置，能够使电子发射冷阴极2.1发射的电子束流的聚焦。电子发射冷阴极2.1和阳极板2.3具有相同的尺寸，分别位于电离区3.2的两侧；阳极板2.3能够接收电子发射冷阴极2.1所发射的电子束流。
[0059]
具体地，如图1和2所示，所述电子发射冷阴极2.1包括：冷阴极电子发射体2.1.1和框架支架2.1.2；
[0060]
冷阴极电子发射体2.1.1呈薄圆柱状结构，框架支架2.1.2的横截面呈工字形结构，冷阴极电子发射体2.1.1设置在框架支架2.1.2内，目的是发射电子，使得进入准直室1.3内的行星高层大气中性气体分子在电离区电离。其中，电子发射冷阴极组件2.2和阳极板2.3之间形成的区域为电离区3.2。
[0061]
其中，冷阴极电子发射体2.1.1为碳纳米管电子发射体；
[0062]
电子发射冷阴极2.1还可采用平面或半球面的结构；其中，该半球面的结构能够大大增加了电子聚焦的效果；收集极4.3和扫描栅网4.2之间可以增加偏转电压，使得出射离子的运动方向偏转0度到90度之间的某个固定角度值，从而进一步降低背景噪音的影响，扩展探测下限。气体采样与准直子装置对气体准直后的视场，根据对气体来流的探测需求可调。
[0063]
如图1和2所示，所述电子调制极组件2.2包括：第一圆柱状结构电极2.2.1和第二圆柱状结构电极2.2.2；
[0064]
第一圆柱状空心结构电极2.2.1设置于第二圆柱状空心结构电极2.2.2下方，第一圆柱状空心结构电极2.2.1、第二圆柱状空心结构电极2.2.2的中轴线与电子发射冷阴极2.1的中轴线重合。
[0065]
第一圆柱状空心结构电极2.2.1、第二圆柱状空心结构电极2.2.2的横截面均为中空的圆环，能够聚焦由冷阴极电子发射体2.1.1所发射的电子束流。
[0066]
所述阳极板2.3，用于接收电子束流。
[0067]
如图1和2所示，所述电离区电场控制子装置3包括：第一电离区屏蔽栅网3.1和第二电离区屏蔽栅网3.2；
[0068]
第二电离区屏蔽栅网3.2平行设置在电子调制极组件2.2顶端的内壁上，第一电离区屏蔽栅网3.1平行设置在电子调制极组件2.2和第二电离区屏蔽栅网3.2之间的内壁上；
[0069]
第一电离区屏蔽栅网3.1和第二电离区屏蔽栅网3.2形成一组平行的屏蔽栅网；屏蔽电子发射冷阴极组件漏入电离区的电场，使得电离后的离子与入射中性气分布的初始状态尽量保持一致。
[0070]
第一电离区屏蔽栅网3.1和第二电离区屏蔽栅网3.2的电位均设为0v，电离区3.2内任一点的电势应≤0.005v；
[0071]
如图1和3所示，所述离子速度分析与收集子装置4包括依次顺序设置的至少两个分析区屏蔽栅网4.1、至少四个分析区扫描栅网4.2和收集极4.3；
[0072]
至少两个分析区屏蔽栅网4.1、至少四个分析区扫描栅网4.2和收集极4.3之间平行设置；
[0073]
其中，分析区屏蔽栅网4.1之间是平行设置的，分析区扫描栅网4.2之间是平行设置的，收集极4.3分别与每个分析区屏蔽栅网4.1和每个分析区扫描栅网4.2是平行设置的。
[0074]
分析区屏蔽栅网4.1用于阻挡扫描电压渗出、使得电场均匀并屏蔽外界入射的电子；分析区扫描栅网4.2通改变电压获得入射离子的能量分布；收集极4.3用于收集离子。
[0075]
其中，分析区屏蔽栅网4.1电位设为0v；分析区扫描栅网4.2的电压变化为0-22v；收集极4.3接地。
[0076]
冷阴极电子发射体2.1.1、第一半圆柱状结构电极2.2.2、第二半圆柱状结构电极2.2.3、阳极板2.3、第一电离区屏蔽栅网3.1、第二电离区屏蔽栅网3.2、分析区屏蔽栅网4.1、分析区扫描栅网4.2和收集极4.3均采用氧化铝陶瓷进行绝缘处理，腔体内壁镀抗氧化薄膜。
[0077]
本发明中的气体采样与准直子装置1中的准直室1.3、电离区3.2和离子速度分析与收集子装置的中轴线位于同一条直线上。
[0078]
本发明还提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量方法，该方法包括：
[0079]
航天器运行轨道高速入射的行星高层大气中性气体分子射入准直室1.3的进气口1.1，行星高层大气中性气体分子进入准直室1.3内的电离区；
[0080]
冷阴极电子发射体2.1.1发射电子束流，并通过电子调制极组件2.2和电离区电场控制子装置3，对电子束流的入射方向进行调整，将电子束流垂直入射至电离区3.2；
[0081]
利用电子束流对行星高层大气中性气体分子进行电离，电离后的离子保持中性气体入射的分布状态射出，出射的离子穿过分析区屏蔽栅网4.1，射入分析区扫描栅网4.2，通过分析区扫描栅网4.2，获得离子电流i，并利用扫描电压折算的速度vg，再结合公式(1)和(2)，反演出中性气体分子的中心速度vc和热速度vm：
[0082][0083]
i＝genif(v)
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(2)
[0084]
其中，f(v)为与中性气体分子的速度vc和中性气体分子的热速度vm相关的分布函
数；ge为常数因子；ni为中性气体的密度；
[0085]
根据计算得到的中性气体分子的热速度vm，可得到中性气体分子的温度。
[0086]
航天器运行轨道高速入射的行星高层大气中性气体分子通过气体采样与准直子装置后进入电离区电场控制子装置中的电离区，并通过冷阴极电子发射与聚焦子装置在电离区进行电离，电离后的离子保持中性气体入射的分布状态射出，出射的离子在离子速度分析与收集子装置中开展测量，获得入射中性气体分子的速度、温度等参量。
[0087]
本发明通过设置冷阴极电子发射与聚焦子装置和电离区电场控制子装置，减小了电离区电场的强度和梯度，大幅降低了电离区剩余电场对中性气体电离后离子分布的影响，解决了剩余电场的问题；通过离子速度分析与收集子装置收集离子并获得离子的分布、减少背景噪声的干扰，极大增加了空间大气风场测量的精度，从而获取航天器运动轨道空间大气风速、温度等参量，实现了航天器运行轨道空间大气风场的高精度测量；本发明的测量装置在地球空间领域以及地外行星探测领域都有着广泛的应用需求。
[0088]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。