星載電場(chǎng)儀傳感器設(shè)計(jì)與空間應(yīng)用研究

劉 澤,雷軍剛,馬勉軍,李 誠(chéng)

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

目前我國(guó)正在開展的空間等離子體環(huán)境的電場(chǎng)探測(cè)不僅為研究全球空間電離層、電磁場(chǎng)分布及相互作用效果等提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，同時(shí)還為研究與地震相關(guān)的電磁場(chǎng)變化提供了科學(xué)依據(jù)[1-4]。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)后半期就進(jìn)行了多次以空間環(huán)境研究為目的的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，對(duì)與空間電磁場(chǎng)環(huán)境變化有關(guān)的各種自然現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究[5-11]，例如2004年法國(guó)發(fā)射的DEMETER衛(wèi)星和2000年歐洲航天局發(fā)射的歐洲磁層觀測(cè)星座“星團(tuán)”——Cluster系列衛(wèi)星等[12]?？茖W(xué)家通過(guò)觀察空間電場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化來(lái)分析研究與火山噴發(fā)、太陽(yáng)活動(dòng)、天氣變化等有關(guān)的電離層變化，尤其是與地震活動(dòng)相關(guān)的電離層前兆現(xiàn)象。2018年2月2日中國(guó)發(fā)射了以空間電場(chǎng)探測(cè)儀為主要載荷之一的電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星，衛(wèi)星在軌觀測(cè)、獲取并成功傳回了大量的中國(guó)及鄰區(qū)空間電場(chǎng)的各種探測(cè)數(shù)據(jù)。電場(chǎng)探測(cè)儀空間工作環(huán)境為低軌道稀薄冷等離子體環(huán)境?？臻g等離子體環(huán)境下較為成熟的電場(chǎng)探測(cè)方法主要是雙探針式和電子漂移式電場(chǎng)測(cè)量法[13]。根據(jù)衛(wèi)星總體對(duì)探測(cè)載荷任務(wù)的需求，電場(chǎng)探測(cè)儀采用主動(dòng)式雙傳感器測(cè)量原理。因此用于空間電場(chǎng)信號(hào)探測(cè)的球形傳感器就變得尤為重要，從而對(duì)球形傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的分析及工程實(shí)現(xiàn)的高精度、一致性、互換性等提出了較高的要求。

本文設(shè)計(jì)的電場(chǎng)探測(cè)儀采用主動(dòng)式雙傳感器探測(cè)原理，以突破高精度星載電場(chǎng)探測(cè)儀關(guān)鍵技術(shù)為目的，研制符合我國(guó)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程化設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的空間電場(chǎng)探測(cè)載荷產(chǎn)品，并為后續(xù)相關(guān)任務(wù)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 傳感器工作原理及組成

將4個(gè)不共面的傳感器安裝在衛(wèi)星不同位置[14]，采用主動(dòng)式雙傳感器進(jìn)行空間電場(chǎng)測(cè)量，其測(cè)量精度高、適用范圍寬，可應(yīng)用于低密度等離子體環(huán)境。雙傳感器測(cè)量法常用的傳感器形狀是規(guī)則的球形或圓柱型。電場(chǎng)探測(cè)儀采用球形傳感器，雙傳感器測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 雙傳感器測(cè)量原理示意圖

設(shè)球形傳感器A和B所處的空間環(huán)境的電勢(shì)分別為Vpa和Vpb，則兩傳感器在等離子體環(huán)境的電勢(shì)差Uab可表示為:

Uab=Vpa-Vpb=E′d

(1)

由于空間等離子體環(huán)境電勢(shì)受到傳感器實(shí)際測(cè)量電勢(shì)和衛(wèi)星地電勢(shì)的綜合影響。因此傳感器測(cè)量的空間電場(chǎng)可表示為:

(2)

式中：Vxa,Vxb為傳感器A和B表面電勢(shì)分別相對(duì)于衛(wèi)星地的電勢(shì)差，V；Va,Vb為傳感器A和B表面電勢(shì)分別相對(duì)于周圍等離子體環(huán)境的電勢(shì)差，V。

考慮衛(wèi)星在空間沿軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)切割地球磁場(chǎng)，雙傳感器法測(cè)量到的空間電場(chǎng)E′需扣除切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的影響，實(shí)際空間電場(chǎng)E表示為:

(3)

式中：u為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度，m/s；B為衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)所處位置的地球磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。為了消除Va,Vb電勢(shì)差的影響，需要從原理設(shè)計(jì)到工程實(shí)踐中盡可能地保持兩球形傳感器的一致性。

2 球形傳感器的設(shè)計(jì)

依據(jù)科學(xué)任務(wù)所要求的產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：頻率范圍為DC～3.5 MHz，分辨率為1 μV/m，靈敏度為0.1 μV/mHz-1/2；動(dòng)態(tài)范圍為120 dB。電場(chǎng)探測(cè)儀需要對(duì)ULF到HF各種頻段信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，綜合考慮選用球形傳感器。如果想使用等離子體環(huán)境中不同位置的兩個(gè)球形傳感器進(jìn)行寬頻帶高精度測(cè)量，必須使兩傳感器有較好的一致性，這樣兩傳感器表面電勢(shì)差可等效為其所處的周圍等離子環(huán)境的電勢(shì)差。在球形傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要保證傳感器表面功函數(shù)與球體表面積盡量一致[15]。

電場(chǎng)探測(cè)儀球形傳感器由2個(gè)短桿結(jié)構(gòu)、球殼結(jié)構(gòu)、球殼表面涂層、電勢(shì)引入結(jié)構(gòu)等組成。結(jié)構(gòu)材料主要采用硬鋁合金，強(qiáng)度高、變形小，滿足航空航天的結(jié)構(gòu)研制需求。根據(jù)載荷任務(wù)要求設(shè)計(jì)的球形傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—短桿1；2—短桿2；3—球殼；

2.1 球殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球形外殼主要用于供表面涂層結(jié)構(gòu)的涂覆和內(nèi)部電路測(cè)量結(jié)構(gòu)的支撐，并與表面涂層共同接觸空間等離子環(huán)境從而感應(yīng)等離子電勢(shì)。由式(2)、(3)聯(lián)合電子學(xué)物理參數(shù)得到與球殼最小半徑的關(guān)系式為:

親友源源不斷地到來(lái)，桃花和梨花機(jī)械地干號(hào)，一波又一波。來(lái)得最晚的是三舅家，因?yàn)樨毨г缒耆思揖瓦w去了東沙圍墾地，趕過(guò)來(lái)有八十多里路，到時(shí)天都黑了，晚飯也過(guò)了，人們已聚在涼棚下打牌、聊天；桃花和梨花傻呆呆地守著靈，突然聽到有人喊：“三娘舅來(lái)啦！”桃花和梨花先是一愣，隨即又干號(hào)起來(lái)，聲音啞啞的。

(4)

式中：Rm為運(yùn)算放大器輸入阻抗，取Rm=2R≈7.5×1011Ω；r為球形傳感器半徑，m；rmin為球殼最小半徑，m；α為傳感器電勢(shì)差的允許測(cè)量偏差，α=0.86×10-6；n為鞘層外等離子體密度，取n≈10 el/m3；e為電子電荷量，為常數(shù)；me為電子的質(zhì)量，為常數(shù)；k為波爾茲曼常量；Te為電子溫度，取Te≈2 500 K；V為浮點(diǎn)電勢(shì)，V。

當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星軌道等離子體參數(shù)及電路設(shè)計(jì)參數(shù)可得：

(5)

由式(5)計(jì)算得到rmin≈3×10-2(m)=30(mm)

球殼半徑大小與等效耦合阻抗、熱噪聲、抗力學(xué)環(huán)境、立體角遮擋等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮該值為半徑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的最優(yōu)值。

2.2 球殼表面涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)不同材料進(jìn)行表面功函數(shù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，摻碳環(huán)氧涂層DAG213一致性好，球殼表面涂覆摻碳環(huán)氧涂層對(duì)傳感器表面光電流引起的耦合電勢(shì)差、接觸電勢(shì)差都小。

研究表明，球殼表面狀態(tài)受DAG213摻碳涂層附著力與涂層涂覆后球體表面最終狀態(tài)的影響[16-17]。由此可知影響球殼表面狀態(tài)的因素有表面粗糙度及表面輪廓度，表面粗糙度過(guò)大，則球殼表面涂層涂覆后球體表面最終粗糙度同樣變大，引起球殼表面太陽(yáng)光照面積的變化，從而影響球殼表面光電流的大小[18]；而表面粗糙度過(guò)小，則會(huì)造成涂層附著力下降，加工難度增大。為了使球殼表面功函數(shù)具有好的一致性，粗糙度設(shè)計(jì)為0.3 μm，此時(shí)球殼表面具有良好的附著力，滿足傳感器環(huán)境使用要求，同樣在涂層涂覆后對(duì)球殼表面進(jìn)行二次機(jī)械加工時(shí)，粗糙度也可控制在0.3 μm以內(nèi)。

球殼表面輪廓度反映了傳感器真實(shí)外形與理想球體的差異。由主動(dòng)式雙傳感器測(cè)量原理可知，對(duì)于半徑均為r的兩個(gè)球形傳感器，表面輪廓度越小，兩個(gè)球體表面積一致性越好；因其表面輪廓度的差異引起的真實(shí)球殼半徑差異，在相同等離子體環(huán)境下引起的球體表面電勢(shì)差同樣也越小，從而使表面光電流差值越小，測(cè)量精度越高。當(dāng)球殼半徑r的變化為Δr時(shí)，產(chǎn)生的電勢(shì)差ΔV為

(6)

式中：RS為球殼表面阻抗，Ω；I為電子電流，A；Ib為表面光電流，A。這些參數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)方案選取，其中Δr的大小對(duì)于兩球殼表面引起的電勢(shì)差與實(shí)際工程實(shí)施相互矛盾，為滿足測(cè)量精度，同時(shí)根據(jù)球殼在實(shí)際工程加工中的難度，當(dāng)Δr≤30 μm時(shí)，計(jì)算得到ΔV≤0.2 mV，滿足工程設(shè)計(jì)要求，因此表面輪廓度設(shè)計(jì)值不得超過(guò)30 μm。

2.3 短桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖2可知，圖中球形傳感器短桿2主要用于與衛(wèi)星伸桿的連接[19]，由于該短桿及伸桿的存在，會(huì)影響傳感器表面太陽(yáng)光照面積的不同，從而導(dǎo)致球形傳感器表面光電子流發(fā)射的差異，因此為了使各組傳感器受太陽(yáng)光照面積盡可能相同，有必要在球形傳感器短桿2的對(duì)稱方向設(shè)計(jì)同樣長(zhǎng)度的短桿1，保證球形傳感器在同一時(shí)刻、同一軌道區(qū)間的光電子流發(fā)射的一致性。圖3所示為附加短桿與太陽(yáng)光入射角關(guān)系示意圖。

圖3 附加短桿與太陽(yáng)光入射角關(guān)系示意圖

當(dāng)球形傳感器半徑r確定時(shí)，短桿1長(zhǎng)度l與太陽(yáng)光遮擋角α0之間的關(guān)系為

(7)

由式(7)可算得短桿1不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光遮擋角α0，見(jiàn)表1。

表1 短桿1不同長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光遮擋角

由表1可知，短桿1長(zhǎng)度l在70～85 mm時(shí)，太陽(yáng)光遮擋角α0變化緩慢，考慮結(jié)構(gòu)抗力學(xué)環(huán)境要求，短桿1長(zhǎng)度取70 mm。短桿2與短桿1沿球形傳感器中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，且外形和直徑都相同，才能保證太陽(yáng)光照射產(chǎn)生的陰影面積相等?？紤]到短桿2與衛(wèi)星伸桿連接，長(zhǎng)度可增加到85 mm。

3 傳感器抗力學(xué)環(huán)境仿真分析

為了適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射段的力學(xué)振動(dòng)環(huán)境，依據(jù)衛(wèi)星對(duì)載荷力學(xué)試驗(yàn)的技術(shù)要求，試驗(yàn)條件設(shè)置如下：1)載荷單機(jī)產(chǎn)品的基頻不小于100 Hz。2)正弦振動(dòng)的頻率為10～20 Hz時(shí)，振動(dòng)幅值為6.25 mm；頻率為20～100 Hz時(shí)，振動(dòng)加速度為10g。3)隨機(jī)振動(dòng)的頻率為10～130 Hz時(shí)，功率譜密度0.450g2Hz-1；頻率為130～2 000 Hz時(shí)，功率譜密度0.055g2Hz-1。4)沖擊響應(yīng)的頻率為100～4 000 Hz時(shí)，加速度為700g。

根據(jù)以上試驗(yàn)條件，通過(guò)ANSYS分析軟件對(duì)傳感器基頻、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊響應(yīng)等進(jìn)行抗力學(xué)環(huán)境仿真分析，其結(jié)果證明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗力學(xué)環(huán)境要求，能夠保證產(chǎn)品工程實(shí)現(xiàn)的可控性及產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。其分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳感器整機(jī)抗力學(xué)環(huán)境分析結(jié)果圖

傳感器主要外形結(jié)構(gòu)采用硬鋁合金材料，該材料具有比重較小，剛度、強(qiáng)度高，工藝性好，技術(shù)成熟，抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，從而改善了其在力學(xué)環(huán)境條件下的受力狀況。將各工況最大應(yīng)力值代入安全裕度計(jì)算公式，即可求得相應(yīng)的安全裕度。

(8)

式中：MS為安全裕度；σmax為產(chǎn)品的最大作用載荷；f為常數(shù)。由式(8)計(jì)算可得，3種力學(xué)環(huán)境工況的安全裕度均大于零。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各力學(xué)工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

由圖4可知，傳感器結(jié)構(gòu)1階固有頻率為123.6 Hz，滿足衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)單機(jī)產(chǎn)品基頻大于100 Hz的要求，分析結(jié)果與傳感器在試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際掃描基頻一致，表明傳感器力學(xué)仿真建模與參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度滿足抗力學(xué)環(huán)境的要求。

4 傳感器性能測(cè)試

為了充分驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)理論的工程可行性及實(shí)用效果，依據(jù)產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)要求，對(duì)傳感器進(jìn)行了功能和性能測(cè)試，傳感器實(shí)物如圖5所示。

圖5 球形傳感器樣機(jī)

電場(chǎng)探測(cè)儀球形傳感器在經(jīng)歷力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)與熱學(xué)環(huán)境考核試驗(yàn)后，進(jìn)行功能及性能測(cè)試。性能測(cè)試結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明球形傳感器工作正常，分辨率在低頻范圍達(dá)到了70 μV/m，靈敏度用功率譜密度(PSD)表示達(dá)到了0.1 μV/mHz-1/2，在試驗(yàn)前后信號(hào)輸出無(wú)變化，整機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)松動(dòng)，連接可靠，符合規(guī)定的抗力學(xué)環(huán)境要求。

圖6 球形傳感器性能測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

空間電場(chǎng)探測(cè)儀球形傳感器的成功研制，代表我國(guó)具有對(duì)地球周圍空間等離子體環(huán)境電場(chǎng)變化的高精度探測(cè)能力。該儀器具有質(zhì)量輕、測(cè)量范圍寬、不受地面自然條件限制等各種優(yōu)勢(shì)，對(duì)研究地球電磁場(chǎng)空間環(huán)境變化有重要意義。測(cè)試結(jié)果分析表明，由于載荷在空間等離子體環(huán)境相比地面環(huán)境的干擾更小，因此各項(xiàng)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于地面環(huán)境測(cè)試結(jié)果，其指標(biāo)與國(guó)外同類空間電場(chǎng)探測(cè)儀器相當(dāng)，低頻段分辨率、靈敏度等部分性能指標(biāo)甚至優(yōu)于國(guó)外同類在軌探測(cè)儀器。該傳感器精度高，為國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)的在軌成功應(yīng)用，測(cè)試數(shù)據(jù)可供科學(xué)研究空間電場(chǎng)環(huán)境變化特性使用。