實驗室研究等離子體鞘套測量方法和干預(yù)技術(shù)

余鵬程 劉宇，2，3* 雷久侯，2，3 曹金祥

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 深空探測實驗室, 合肥 230026；2.比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心 中科院近地空間環(huán)境重點實驗室 安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 合肥 230026；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 合肥 230026）

0 引 言

航天飛行器再入空間大氣層時，由于激波加熱和熱化學(xué)防護材料的燒蝕等原因會在飛行器表面形成致密的等離子體鞘套。鞘套的形成會導(dǎo)致無線電通信信號中斷，使得載人風(fēng)險成倍增加，因此，減輕和消除黑障對航天測控至關(guān)重要[1-2]。想要減輕和消除黑障，首先要了解黑障中等離子體的電子密度等參數(shù)信息，即等離子體診斷。目前，常用的空間等離子體診斷主要可以分為主動式和被動式兩大類。主動式診斷是通過人為地對等離子體施加某種信號引起響應(yīng)，從而根據(jù)響應(yīng)信號來推算等離子體的相關(guān)參數(shù)信息；而被動式診斷主要通過等離子體自身發(fā)出的電磁波、光譜等信號等進行參數(shù)診斷[3-4]。主動式朗繆爾探針由于體積小、空間分辨率高且診斷參數(shù)范圍廣等優(yōu)勢被廣泛用于各類空間等離子體探測實驗，例如：熱燈絲等離子體放電、電感耦合等離子體放電、熱核聚變和空間探測等[5-7]。在20世紀(jì)60年代末，美國針對等離子體鞘套開展過一系列大型實驗。其中比較著名的有：美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)實驗室的Fire項目和美國空軍(United States Air Force，USAF)實驗室的ASSET項目，實驗主要針對再入飛行器熱輻射和傳導(dǎo)率的測量，進行再入空氣動力學(xué)、熱動力學(xué)和黑障的相關(guān)研究。其中規(guī)模最大的為RAM飛行計劃，該計劃一共成功進行了7次飛行實驗[8-10]。在第二次和第三次的飛行實驗中，傳統(tǒng)朗繆爾柱探針陣列被安裝在航天器側(cè)翼鰭狀的金屬板上進行等離子體鞘套的相關(guān)參數(shù)診斷。但在距離地表60 km 處，傳統(tǒng)朗繆爾探針由于電極裸露，極易因高溫流場燒蝕引起飛行器的氣動不穩(wěn)定。因此，對于早期可見文獻的傳統(tǒng)朗繆爾探針再入等離子體鞘套診斷，仍然無法獲得 60 km以下的鞘套物理信息。

受限于鞘套等離子體高密度、熱燒蝕和強碰撞等特性，傳統(tǒng)朗繆爾探針極易被高溫流場燒蝕絕緣而損壞，且伸出的探針電極會對飛行器的氣動安全造成嚴(yán)重干擾。為了解決這一問題，本文提出一種新型復(fù)合式靜電-微波探針，該探針的電極表面與飛行器表面相齊平，可以很好地解決傳統(tǒng)朗繆爾探針電極裸露的問題，實現(xiàn)高溫流場的長時間有效探測。復(fù)合探針主要包括平裝探針和微波截止探針兩大部分，平裝探針可以有效探測所在位置的等離子體電子密度信息[11-12]，微波截止探針則可以有效探測距離探針表面一定區(qū)域的等離子體電子密度。兩種探針既可以相互獨立工作、互不干擾，又相互驗證。同時進一步在地面模擬空間等離子體裝置中完成復(fù)合探針的數(shù)據(jù)采集、理論修正和實驗驗證。結(jié)果表明，復(fù)合探針?biāo)媒Y(jié)果與其他設(shè)備相比具有很好的一致性。這些結(jié)果都可充分說明復(fù)合探針的可靠性和有效性，為鞘套等離子體提供了一種有效的探測技術(shù)手段。其次，通過探究化學(xué)物質(zhì)釋放主動干預(yù)等離子體電子密度，研究發(fā)現(xiàn)親電子物質(zhì)釋放可以有效地降低等離子體中的電子密度，并且釋放物質(zhì)的不同、釋放量的不同都會造成電子密度變化的不同[13]。20世紀(jì)，化學(xué)物質(zhì)釋放主要集中于航天器尾焰對空間電離層空洞的影響[14]，后期研究者們通過尺度化縮放原則，在地面模擬空間等離子體實驗裝置中進一步深入研究化學(xué)物質(zhì)釋放對空間電離層的影響[15]。過去幾十年里，我國也逐步開展了對化學(xué)物質(zhì)釋放的相關(guān)實驗研究，并取得了一定的成果[16-18]，趙海生等人研究了基于化學(xué)物質(zhì)釋放的電離層閃爍抑制方法[16]；胡耀垓等人研究了不同釋放高度的化學(xué)物質(zhì)對電離層的擾動特性[18]，較為系統(tǒng)全面地研究了化學(xué)物質(zhì)釋放對空間電離層等子體電子密度的影響。經(jīng)過研究者們的不斷深入研究，目前化學(xué)物質(zhì)釋放在靜態(tài)和流場等離子體中技術(shù)均已趨向于成熟[19]。通過地面模擬空間等離子體裝置，可以探究不同組分、不同釋放量對電子密度的影響，從而達到恢復(fù)通信的目的。

1 探針理論模型

由于真實的空間飛行環(huán)境氣體壓強較大，因此，還需要進一步考慮氣壓環(huán)境對探針數(shù)據(jù)采集的影響?；诖?，首先針對10～100 Pa進行探針測試采集實驗。通過計算發(fā)現(xiàn)在該等離子體環(huán)境下，離子和中性粒子碰撞的平均自由程為0.029～0.23 mm，遠小于鞘層厚度0.35～1.5 mm。因此，等離子體極易在鞘層內(nèi)部發(fā)生碰撞，損失能量，無法到達探針電極端部而被收集，使得電子密度數(shù)據(jù)偏小。故而需要發(fā)展理論解算模型，對探針采集數(shù)據(jù)進行相關(guān)修正。首先從無碰撞等離子體雙探針公式出發(fā)[20-21]：

式中：Ii為探針的離子飽和流；As為探針的電極表面積；e為電子電荷量；ns為等離子體密度；cs為玻姆速度。在麥?zhǔn)戏植枷拢琻s/n0=exp(-1/2)=0.6，其中n0為未擾動的等離子體電子密度。

在碰撞環(huán)境下通過流體模型、離子連續(xù)流方程、泊松方程和運動方程：

以及等離子體方程、邊界條件和鞘層參數(shù)，進一步解算出玻姆速度修正公式為

式(2)～(5)中：x為鞘層邊界區(qū)域和探針之間的距離；ni為離子密度；νi為離子速度；?為等離子體電勢；ne為電子密度；mi為離子重量；Fc為離子在鞘層中的拖曳力；ν0為修正后的離子玻姆速度；α=λD/λi，其中λD為德拜長度，λi為離子平均自由程。

最終可以得出雙平裝探針修正離子流表達式為

式中：c和b為碰撞環(huán)境下的修正因子；VD為兩探針之間的電壓差；Te為等離子體有效電子溫度。

朗繆爾柱探針的理論由于發(fā)展較早，目前已經(jīng)趨于成熟，本文采用經(jīng)典朗繆爾柱探針飽和電子流公式進行計算，即

式中：Ap為探針的表面積；me為電子質(zhì)量。

微波截止探針是一種用于測量等離子體電子密度的儀器[22-23]。當(dāng)寬頻微波信號傳播到等離子體中時，如果傳播頻率高于等離子體的截止頻率，信號將被吸收和反射，而低于截止頻率的信號將透過等離子體。因此，通過測量微波信號的功率變化，可以確定等離子體的電子密度。

圖1為微波截止探針的工作原理圖。探針使用特制的微帶天線向等離子體中發(fā)射寬頻電磁波，電磁波進入等離子體后被反射，再回到微帶天線被接收。通過分析射頻信號經(jīng)過等離子體后的振幅變化，來判斷等離子體的截止頻率。對于不均勻等離子體，可以通過發(fā)射不同頻率的微波信號進而得出“微波天線”正前方不同區(qū)域(1，2，3，4，5)的各“點”電子密度參數(shù)，各“點”參數(shù)連成一起就成了“線”。在等離子體中，我們使用聚四氟覆蓋微帶天線防止等離子體轟擊天線表面而損壞天線。

圖1 微波截止探針工作原理圖Fig.1 Work principle of the microwave probe

微波截止探針的理論計算公式為

實驗中的矢量網(wǎng)絡(luò)儀可以測量和接收到不同頻率電磁波的強度，當(dāng)我們在頻率振幅圖像上看到在某個頻率下等離子體的反射波振幅和在真空條件下相同時，此頻率即為截止頻率。

2 實驗裝置

本次實驗在我們自主建設(shè)的中科大空間等離子體實驗裝置(KSPEX)中進行[24-25]，如圖2所示。

圖2 KSPEX實驗裝置圖Fig.2 KSPEX experimental device setup

裝置的直徑為0.5 m，整體長度7.5 m。左側(cè)設(shè)有等離子體源，主要用于源區(qū)等離子體的產(chǎn)生。實驗中采用熱陰極等離子體，主要原理是對20根直徑0.2 mm、長度10 cm的鎢絲供給能量產(chǎn)生種子電子，然后進一步被70 V柵網(wǎng)偏壓加速撞擊中性氣體，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，形成大面積、較高密度的等離子體實驗環(huán)境。本實驗中放電本底氣壓為10-4Pa 量級，放電氣體為純氬氣，氣壓為0.4～100 Pa，放電電流為3～8 A。診斷系統(tǒng)采用直徑0.2 mm、長度10 mm朗繆爾柱探針進行數(shù)據(jù)比對，雙平裝探針直徑為4 mm。探針電路置于屏蔽盒中，不僅精確度較高，而且可以很好地屏蔽電場和磁場的干擾。

化學(xué)物質(zhì)釋放源區(qū)采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)，由嵌入腔內(nèi)的銅線圈、13.56 MHz的射頻功率源和自動匹配網(wǎng)絡(luò)三大部分組成。實驗中采用朗繆爾單探針(直徑0.2 mm，長度8.9 mm)進行數(shù)據(jù)采集。探針系統(tǒng)放置在二維可移動探針支架上，該支架由步進電機驅(qū)動。通過步進電機，單探針可以在z軸的50 mm到150 mm之間變化(150 mm為真空室的中心)，在真空室R軸的0 ～ 180 mm范圍內(nèi)變化(0 mm為真空室中心)。實驗中的放電氣體為氬氣，采用質(zhì)量流量計控制氣體通入量為100 ml/min，產(chǎn)生的氣體壓強為0.41 Pa，六氟化硫(SF6)氣體用另一個流量計控制通入量為10 ml/min，10%的比例是相對于氬氣通入量。

3 實驗結(jié)果和討論

3.1 雙平裝探針診斷比對實驗

實驗中裝置的本底真空壓強為10-4Pa，放電氣壓為0.4～100 Pa，對應(yīng)碰撞頻率為440 kHz～3.96 MHz。實驗中腔體放電電流為3～8 A，對應(yīng)的等離子體電子密度為1.01×1010～1.12×1011cm-3，雙平裝探針和朗繆爾柱探針的三角波掃描偏壓范圍為-35

圖3為固定等離子體放電氣壓50 Pa不變，通過改變等離子體電子密度進行探針數(shù)據(jù)采集比對實驗結(jié)果。圖中黑色實心正方形為雙平裝探針離子流公式(6)修正后的數(shù)據(jù)(ni1DFP)，紅色實心圓形為朗繆爾柱探針電子流公式(7)所測結(jié)果(neSP)，藍色實心三角形為雙平裝探針采用經(jīng)典理論離子流公式(1)計算所得數(shù)據(jù)(niDFP)。首先，每組數(shù)據(jù) 6個周期，每個周期276個數(shù)據(jù)點進行平均計算電子密度，然后得到相對平方差。從圖3可以清晰地看出雙平裝探針采用經(jīng)典理論公式處理結(jié)果與其他探針相差甚大，這是由于隨著放電氣體壓強的升高，等離子體很容易在鞘層中發(fā)生碰撞導(dǎo)致能量損失，無法到達探針電極而被采集得到，從而過低地估計了等離子體中的電子密度。通過理論修正后的雙平裝探針與朗繆爾柱探針?biāo)媒Y(jié)果不僅趨勢一致，并且誤差(<17%)也在可以接受的范圍內(nèi)。這些結(jié)果都充分證明了雙平裝探針和理論計算模型的可靠性和有效性。

圖3 不同壓強環(huán)境下的數(shù)據(jù)比對實驗Fig.3 Data comparison experiments under different pressure environments

3.2 微波探針測試實驗

在完成平裝探針的數(shù)據(jù)采集和比對實驗后，我們又進一步在相同等離子體實驗環(huán)境下對微波截止探針進行數(shù)據(jù)采集實驗。實驗中微波截止探針向外發(fā)射寬頻帶的微波信號，當(dāng)微波信號頻率小于或等于等離子體電子密度對應(yīng)的頻率時，信號會發(fā)生截止抬升。理論和實驗上來看截止信號會上升到與原始信號相同的高度。探針后端采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S11通道來進行數(shù)據(jù)的采集和接收。

從圖4可以清晰地看出，當(dāng)入射微波信號的頻率小于等離子體電子密度頻率時，信號發(fā)生了明顯的“截止”。通過截止點的頻率，可以很容易得出等離子體的電子密度。為了進一步確定截止點距離微波截止探針?biāo)诘奈恢?，我們又進一步采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時間門技術(shù)，通過微波信號到達截止點的時間反演出被測點距離探針表面的距離。

圖4 固定放電功率下微波天線數(shù)據(jù)圖Fig.4 Microwave antenna data diagram with fixed discharge frequency

圖5矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的峰值距參考峰值為2.25 cm?？梢哉J(rèn)為，在天線表面2.25 cm處有足夠高密度的等離子體把天線的信號截止。這些數(shù)據(jù)說明復(fù)合探針不僅可以有效探測探針?biāo)谖恢玫牡入x子體電子密度參數(shù)信息，還可以得出距離天線表面“線”上密度的參數(shù)信息，從而形成由“點”到“線”的全面探測。

圖5 固定放電功率下時間門數(shù)據(jù)圖Fig.5 Time gate data diagram with fixed discharge frequency

3.3 化學(xué)物質(zhì)釋放實驗

化學(xué)物質(zhì)釋放所得實驗結(jié)果如圖6所示，固定等離子體放電氣壓為0.4 Pa，整體ICP放電功率為300 W不變，改變不同z軸位置的情況下，探針測得等離子體電子飽和流的二維分布結(jié)果[26]。從圖6可以清晰地看出，化學(xué)物質(zhì)釋放前，等離子體的電子密度范圍為6×109～9.7×1010cm-3；在徑向位置會經(jīng)歷一個先增大后減小的過程，即在距離中心50 mm的位置等離子體電子密度達到最高而后降低。通過10%的SF6釋放后，腔體內(nèi)不同區(qū)域的等離子體電子密度雖然趨勢與之前相同但總體均有明顯下降，從6.6×1010cm-3下降到3×109cm-3，相對于化學(xué)物質(zhì)釋放前下降了約32%。這是由于在等離子體放電成功后，腔體中會含有高密度的電子和離子，SF6釋放后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而吸附等離子體中的電子，如下所示：

圖6 釋放前后電子密度演化圖[26]Fig.6 Evolution of electron density before and after release[26]

通過以上的反應(yīng)方程式和反應(yīng)速率可以看出，親電子物質(zhì)釋放可以有效地降低等離子體區(qū)域的電子密度。

4 結(jié) 論

本文針對高溫流場等離子體環(huán)境發(fā)展了新型靜電-微波復(fù)合式探針就位探測技術(shù)和親電子物質(zhì)釋放主動干預(yù)研究。首先針對高溫?zé)g難點，發(fā)展新型探針技術(shù)，有效地將平裝探針和微波截止探針優(yōu)勢充分結(jié)合起來，形成由“點”到“線”的全面探測；其次，針對強碰撞等離子體實驗環(huán)境發(fā)展探針理論修正模型，所得結(jié)果與其他探測設(shè)備比對具有很好的一致性；最后，通過釋放親電子物質(zhì)有效地降低了電子密度。本文為黑障鞘套區(qū)域的實時診斷難點和通信恢復(fù)提供了有效的技術(shù)手段，最終服務(wù)于國家航天航空部門。