六氟化硫擾動(dòng)電離層研究進(jìn)展綜述

白　云，史紅星*，張遠(yuǎn)鵬，遲　卉

(1.國(guó)民核化生防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102205； 2.防化研究院，北京102205)

六氟化硫(SF6)最早是由Moissan和Lebeau于1900年通過(guò)讓硫在氟氣中燃燒并去除低氟化合物后分離和鑒定出來(lái)的。在常溫常壓下，六氟化硫是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，卓越的電絕緣性和滅弧性，是一種用途廣泛的新型工業(yè)材料，是大氣環(huán)境中常用的示蹤劑，是電力行業(yè)的滅弧物，在電離層環(huán)境也有著廣泛的應(yīng)用。本文就SF6在外太空環(huán)境中的研究進(jìn)展作了綜述。

1　SF6空間物理主動(dòng)釋放試驗(yàn)

從20世紀(jì)60年代起，通過(guò)釋放化學(xué)物質(zhì)如SF6，研究電離層結(jié)構(gòu)和特性的工作就開(kāi)始了，美國(guó)、加拿大、巴西等國(guó)開(kāi)展了大量的中性氣體釋放試驗(yàn)，主要是利用空間飛行器和航天飛機(jī)作為工作平臺(tái)，通過(guò)攜帶載荷艙、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰、航天發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰噴射等方式進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的釋放，取得了很好的效果[1-3]。

1962～1963年，美國(guó)空軍劍橋?qū)嶒?yàn)室(AFCRL)發(fā)起“螢火蟲(chóng)”計(jì)劃(Project Firefly)，試驗(yàn)緯度為中低緯，釋放量為22.68 kg，監(jiān)測(cè)到了電離層電子密度衰減。

1983年，由美國(guó)空軍地球物理實(shí)驗(yàn)室(AFGL)、Los Almos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合開(kāi)展了電離層擾動(dòng)研究，即IMS試驗(yàn)，釋放18 kg SF6，經(jīng)非相關(guān)散射雷達(dá)(ISR)監(jiān)測(cè)知，密度衰減達(dá)40%，擾動(dòng)范圍達(dá)50 km。

1984年和1986年，波士頓大學(xué)開(kāi)展了空間負(fù)離子等離子體試驗(yàn)(SPINEX試驗(yàn))，釋放40 kg SF6，監(jiān)測(cè)到在70 km范圍內(nèi)電子密度衰減60%。

1990年，美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局(NASA)和波士頓大學(xué)在組合釋放和輻射效應(yīng)衛(wèi)星(CRRES)試驗(yàn)期間，開(kāi)展了觸發(fā)赤道底部的等離子體復(fù)合釋放SF6試驗(yàn)，釋放量為35 kg，觀測(cè)到顯著的密度衰減，衰減幅度為65%，空間范圍達(dá)60 km。

2　SF6擾動(dòng)電離層的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)有關(guān)六氟化硫在電離層作用的研究起步較晚，目前主要側(cè)重于模擬研究。中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與技術(shù)研究中心、中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十二研究所、武漢大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等數(shù)家單位針對(duì)人工擾動(dòng)電離層進(jìn)行了初步的理論和數(shù)值研究，主要集中在以下兩個(gè)方面。

2.1　電離層擾動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)值模擬

中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心針對(duì)我國(guó)中緯度地區(qū)的5月份白天中午附近進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，首先計(jì)算在325 km釋放500 mol SF6的時(shí)空分布，然后加入相應(yīng)的離子化學(xué)過(guò)程，最后利用電離層的準(zhǔn)中性條件得到電子密度的變化[4]。

武漢大學(xué)建立了一個(gè)包括中性釋放氣體擴(kuò)散、離子化學(xué)反應(yīng)及等離子體擴(kuò)散等過(guò)程的化學(xué)物質(zhì)電離層釋放三維動(dòng)力學(xué)模型，然后基于該模型對(duì)在300 km處分別釋放1 mol和100 mol SF6進(jìn)行了數(shù)值模擬[5]。

合肥電子工程學(xué)院利用有限元方法，對(duì)2000年1月1日凌晨北京地區(qū)上空的電離層擾動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，在275 km的高度釋放SF6100 kg，通過(guò)編程計(jì)算釋放前后不同時(shí)刻的電離層電子密度分布變化情況，電離層電子密度減小，出現(xiàn)電子耗空現(xiàn)象[6]。

解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院基于包含擴(kuò)散方程和離子化學(xué)反應(yīng)方程的化學(xué)物質(zhì)釋放二維動(dòng)力學(xué)模型，利用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，釋放點(diǎn)選擇在南京地區(qū)，時(shí)間為2011年5月15日12LT，此時(shí)電子濃度峰值高度為327.5 km，釋放物質(zhì)為500 mol SF6，計(jì)算結(jié)果顯示，SF6擴(kuò)散速度較慢，反應(yīng)速度較快，對(duì)電離層foF2的影響程度更大，能有效造成電離層“空洞”[7]。

西安電子科技大學(xué)物理與廣電工程學(xué)院開(kāi)展了電離層釋放SF6的三維精細(xì)效應(yīng)研究，在釋放物擴(kuò)散方程中加入了運(yùn)載器飛行速度和姿態(tài)、釋放物釋放速度和流量、熱層風(fēng)場(chǎng)等參量對(duì)釋放物擴(kuò)散過(guò)程的影響；在等離子體擴(kuò)散方程中考慮了地磁傾角和沿場(chǎng)擴(kuò)散項(xiàng)對(duì)人工擾動(dòng)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵參數(shù)的影響，將二維等離子體擴(kuò)散方程擴(kuò)散到三維，同時(shí)，采用射線追蹤方法，研究了電離層人工擾動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)短波傳播路徑的影響[8]。

2.2　釋放器的設(shè)計(jì)及其釋放效果研究

西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了用于電離層SF6釋放的釋放器結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算該釋放器可攜帶20 kg SF6液體，并在0.22 s內(nèi)完成釋放。該結(jié)構(gòu)通過(guò)底部爆炸螺栓連接法蘭盤(pán)進(jìn)行密封，未考慮釋放方式細(xì)節(jié)[9]。

中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心構(gòu)建了一種基于探空火箭平臺(tái)的SF6氣體釋放裝置，該裝置具有體積小、自重輕、對(duì)運(yùn)載平臺(tái)要求低等優(yōu)點(diǎn)，裝置自身重量6 kg時(shí)可實(shí)現(xiàn)2 kg的SF6氣體釋放[10]。

3　SF6擾動(dòng)電離層研究的內(nèi)在動(dòng)力

SF6在電離層氣化相變釋放后，在巨大的壓力差作用下，像鏟雪機(jī)一樣將周?chē)牡入x子體推開(kāi)，這一過(guò)程以聲速進(jìn)行，經(jīng)歷的時(shí)間很短，一般只有幾秒甚至不足一秒，然后壓力差驟減，當(dāng)氣體的壓力與環(huán)境壓力可以相比擬時(shí)，SF6與周?chē)入x子體充分混合，進(jìn)而向空間擴(kuò)散，這一過(guò)程會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，離子化學(xué)反應(yīng)也主要在這一階段發(fā)生，如式(1)所示。

k1=2.2×10-7/[1+0.0016×exp(4770/Te)]cm3/s;

(1)

以上各式中Te是電子溫度

SF6氣體很容易與電子發(fā)生反應(yīng)生成分子離子，分子離子進(jìn)而又和O+發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹行粤Ｗ?，使氣體擴(kuò)散區(qū)域的電離層電子密度降低，從而形成電子密度大大下降的電離層“空洞”，并且維持半個(gè)小時(shí)以上甚至幾個(gè)小時(shí)[6,7]。

SF6成為一種理想的干擾電離層的物質(zhì)受到重視并被系統(tǒng)研究，有著先天的優(yōu)勢(shì)。

1.較快的電子反應(yīng)速率。在F層中，占絕對(duì)多數(shù)的O+與電子復(fù)合系數(shù)約為10-12cm3/s， SF6參與反應(yīng)的控制步驟速率約為10-7cm3/s，是CO2(控制步驟速率約為10-9cm3/s)反應(yīng)速率的近百倍。

SF6較快的反應(yīng)速率在于其本身具有較高的電子親和能，其電子親和能為1.43eV，因此具有較好的電子親和能力，在電離層與電子作用效果良好，可以造成電離層一定區(qū)域范圍內(nèi)顯著的電子密度衰減。

2.非常好的穩(wěn)定性。SF6的化學(xué)性質(zhì)不活潑，非常穩(wěn)定，在空氣中不燃燒，也不助燃，與堿和強(qiáng)酸等均不作用，即使在石英玻璃管中加熱到500 ℃時(shí)也不分解，因此具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

4　SF6擾動(dòng)電離層存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議

SF6雖然是目前較為理想的擾動(dòng)電離層的物質(zhì)之一，但在一些方面還存在不足有待改善。

SF6亟待改善的問(wèn)題是在電離層釋放擾動(dòng)時(shí)利用率的相對(duì)不足。SF6通過(guò)火箭等攜帶釋放器進(jìn)入電離層，攜帶的化學(xué)物質(zhì)質(zhì)量有限，需要充分利用釋放器內(nèi)的物質(zhì)。而在初始溫度為319 K的條件下，六氟化硫的氣化率僅為0.59，遠(yuǎn)小于人類(lèi)的期望值。

SF6的利用率不足主要由于其氣化率相對(duì)較低。電離層環(huán)境是高真空低溫環(huán)境，外部熱源不足，在釋放器短暫的釋放過(guò)程中，相當(dāng)于絕熱過(guò)程，當(dāng)SF6突然暴露在真空環(huán)境中，由于壓力劇烈下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其飽和蒸氣壓，液體處于過(guò)熱狀態(tài)，必然發(fā)生閃蒸。由于蒸發(fā)要吸取一定的熱量，在沒(méi)有持續(xù)熱源供熱的條件下，閃蒸不可能在全部液體微團(tuán)中發(fā)生，而是一部分發(fā)生閃蒸相變，吸收熱量使得另一部分溫度下降凝結(jié)成固態(tài)，導(dǎo)致SF6在釋放過(guò)程中存在氣化率。SF6的氣化率如式(2)所示。

(2)

式中，fv為SF6的氣化率，hv為氣化熱，hf為熔化熱，Cl為液體定壓比熱，TM為冰點(diǎn)溫度，T0為初始溫度，當(dāng)SF6的初始溫度并不太高(遠(yuǎn)低于臨界溫度)，粗略估算，可以假定SF6的各項(xiàng)物理參數(shù)為常數(shù)。

由式(2)可知，在電離層環(huán)境中，SF6的氣化率隨初始溫度的增加而增加，在臨界溫度附近，急劇增加至全部氣化，由此可知，只要保證SF6在釋放器內(nèi)的初始溫度，即可達(dá)到希望的釋放利用率，因此在釋放器充裝過(guò)程中可以適當(dāng)升高SF6的初始溫度，考慮到釋放器在運(yùn)載過(guò)程中與外界的熱交換，可以給釋放器添加一定厚度的保溫層。

5　結(jié)語(yǔ)

SF6擾動(dòng)電離層自身有著先天的優(yōu)勢(shì)，但也存在著不足，通過(guò)分析其在作用過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)與不足，針對(duì)不足提出改進(jìn)建議，通過(guò)揚(yáng)長(zhǎng)避短，改善不足，SF6在電離層擾動(dòng)中的應(yīng)用會(huì)有更廣闊的空間。

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