空間等離子體云精細(xì)化仿真及傳播特性研究

謝守志 趙海生 許正文 任光亮 王成 葛淑燦

（1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點實驗室, 西安 710071；2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點實驗室, 青島 266107；3.中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森實驗室, 北京 100094）

0 引 言

電離層化學(xué)物質(zhì)釋放空間物理主動試驗受啟發(fā)于火箭尾焰引起的電離層擾動觀測現(xiàn)象。1959年，Booker利用垂測儀觀測到了先驅(qū)者Ⅱ發(fā)射過程中電離層洞的存在[1]，首次發(fā)現(xiàn)了人類探空活動對電離層存在重要影響。在此之后，火箭發(fā)射過程中出現(xiàn)電離層洞的現(xiàn)象被反復(fù)觀測到[2]。1973年科學(xué)家們觀測到了天空實驗室(Skylab)發(fā)射期間，電離層中出現(xiàn)的巨大空洞[3-5]。Mendillo等[6-7]研究了電離層洞形成的原因，認(rèn)為火箭尾焰中的氫氣和水分子與電離層中的氧離子發(fā)生快速離子-原子交換反應(yīng)，生成的分子離子與電離層中的電子迅速復(fù)合，從而導(dǎo)致電離層等離子體快速消耗。

與形成電離層空洞相對應(yīng)的是，另一種電離層化學(xué)物質(zhì)釋放空間物理主動試驗在電離層高度釋放金屬蒸氣，通過光致電離層或其他化學(xué)反應(yīng)過程，能夠在電離層高度形成空間等離子體云。20世紀(jì)60年代，美國空軍劍橋?qū)嶒炇?美國空軍實驗室前身)牽頭，23家單位參與，實施了名為“螢火蟲”的大型空間試驗計劃[8]。據(jù)報道一期計劃就開展了33次探空火箭發(fā)射試驗，通過在80～200 km高度范圍的高層大氣中釋放化學(xué)物質(zhì)，除了電離層物理過程探測研究之外，還為了形成高密度的等離子體云，研究用于短波和超短波的無線電波超視距傳播特性和通信、探測等應(yīng)用技術(shù)?！拔灮鹣x”計劃觀測頻率覆蓋3 MHz至150 MHz，主要測量頻率為30 MHz、50 MHz和150 MHz。因為“螢火蟲”計劃取得了巨大成功，后續(xù)在60年代中期，又發(fā)起了名為“紅燈”的更大規(guī)模試驗，但是關(guān)于該試驗至今未見公開報道。1984年9月至1985年7月，美國實施了主動磁層粒子示蹤探測計劃[9-13]，這是美國單一的電子密度增強(qiáng)類化學(xué)物質(zhì)釋放試驗計劃，通過釋放大量的鋇(Ba)、鋰(Li)與太陽風(fēng)相互作用形成空間等離子體云，研究天然彗星逼近太陽風(fēng)時的物理過程。

以往試驗采用的Ba和Li等堿金屬、堿土金屬一般都需要光照條件，通過光致電離產(chǎn)生空間等離子體云。為了擺脫光照限制，美國空軍開展了金屬氧化物云(The Metal Oxide Space Cloud，MOSC)試驗計劃[14-16]，見圖1。2013年5月，美空軍、英國防部聯(lián)合在赤道地區(qū)島礁，利用探空火箭釋放金屬Sm，布設(shè)的短波鏈路測試系統(tǒng)顯示，產(chǎn)生了穩(wěn)定且存在約25 min的“人工電離層”。金屬Sm通過與電離層氧原子(O)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生等離子體云，不受光照條件限制。

圖1 美國MOSC試驗Fig.1 The experiment of the metal oxide space cloud in USA

2013年5 月，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在瓦拉普斯島開展了赤道等離子體環(huán)流試驗[17]，見圖2。2015年2月，又在白沙導(dǎo)彈試驗基地實施了釋放金屬形成等離子體云的試驗，報道的試驗?zāi)康氖茄芯康厍螂婋x層的形成機(jī)制。

圖2 美國空間等離子體云試驗Fig.2 The experiment of space plasma cloud in USA

2016年，美國空軍實施了所謂的“電離層炸彈”計劃，向三個研究組授予了微型衛(wèi)星組群方式生成人工等離子體云的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)合同。希望通過立方體衛(wèi)星(CubeSats)這樣的低成本微小衛(wèi)星在高空釋放電離氣體，以提升短波信號的反射性能，實現(xiàn)自主的超視距傳輸。德雷塞爾大學(xué)和通用科學(xué)公司發(fā)展了一種將金屬加熱至其沸點以上的蒸氣釋放技術(shù)；艾尼格聯(lián)合企業(yè)及馬里蘭大學(xué)，計劃通過一枚小型炸彈加熱金屬并將爆炸能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，期望通過改變最初爆炸的形式，能夠較為精確地控制爆炸產(chǎn)生的等離子體云的形態(tài)。優(yōu)選方案將進(jìn)入后續(xù)第二階段的技術(shù)驗證飛行試驗[18]。

2020年9 月，美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)宣布開展代號為“精確(Precise)”的空間試驗項目，主要用于研究在甚低地球軌道(地球上空 90～600 km)釋放不同金屬氣體對通信和導(dǎo)航無線電信號傳播的影響。

除此之外，俄羅斯利用“進(jìn)步號”貨運(yùn)太空飛船，與地面雷達(dá)配合，開展了空間飛行器隱身試驗[19-20]；日本于2009年實施了“太空煙花”試驗[21]，并于2022年開展了“人造流星”試驗。

在金屬Sm釋放空間主動試驗研究的同時，Sm與電離層化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子的過程研究也在同步開展，文獻(xiàn)[22-23]對Sm與背景O的化學(xué)反應(yīng)電離機(jī)制進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[24-25]分別建立了Sm電離層釋放效應(yīng)的物理模型。文獻(xiàn)[26]開展了增強(qiáng)類化學(xué)物質(zhì)釋放在電離層閃爍抑制方面的應(yīng)用研究。此外，學(xué)者們利用MOSC試驗數(shù)據(jù)，開展了大量研究工作，研究了Sm釋放的光學(xué)效應(yīng)[27]，以及等離子體云的動力學(xué)效應(yīng)[28]，建立了基于試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚29]，并開展了初步的空間等離子體云傳播效應(yīng)研究[30]。

本文在電離層Sm釋放理論研究基礎(chǔ)上，開展了電離層Sm釋放的精細(xì)化效應(yīng)仿真研究，考慮了熱層風(fēng)場、地磁場、Sm釋放速度和流量、運(yùn)載器飛行速度等參量對Sm在電離層中擴(kuò)散過程的影響。同時，采用射線追蹤方法，研究了空間等離子體云的電波傳播特性。

1 電離層Sm釋放的動力學(xué)分析

Sm蒸氣在電離層中經(jīng)歷膨脹、凝結(jié)、背景加熱、自由擴(kuò)散等動力學(xué)過程。Sm蒸氣釋放初始，由于膨脹迅速致使Sm蒸氣內(nèi)能損失從而溫度降低，甚至出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象；當(dāng)Sm蒸氣的密度隨著擴(kuò)散過程達(dá)到極其稀薄狀態(tài)時，由于缺少自由分子和凝結(jié)核的碰撞，Sm原子停止凝結(jié)，最終與周圍電離層環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

1.1 Sm在電離層中的化學(xué)反應(yīng)

Sm是鑭系金屬的一種，銀白色，有輕微毒性，化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中易氧化，原子序數(shù)62，原子量150，熔點1 072 ℃，沸點1 791 ℃。Sm與背景O和O2的化學(xué)反應(yīng)過程伴隨動力學(xué)過程而發(fā)生，在光照條件下，Sm蒸氣還會發(fā)生光致電離。

Sm與背景大氣O和O2的化學(xué)反應(yīng)過程如下[22]：

式中，k1,k2,k3為化學(xué)反應(yīng)系數(shù)。Sm與O化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生等離子體云的過程是非完全電離機(jī)制，化學(xué)電離反應(yīng)和離解復(fù)合反應(yīng)是一動態(tài)平衡。利用該化學(xué)反應(yīng)，在夜間將化學(xué)物質(zhì)釋放至主要成分為O的電離層高度，突破了電子密度增強(qiáng)類物質(zhì)的試驗時間限制。Sm與O2分子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成SmO和O，反應(yīng)過程中沒有電子生成，因此該反應(yīng)對生成等離子體云而言，是冗余反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)選擇合理釋放高度，盡量抑制冗余反應(yīng)比例。

在光照條件下，Sm蒸氣還將發(fā)生光致電離，方程如下：

需要指出的是Sm與O2發(fā)生氧化反應(yīng)，是沒有電子生成的冗余反應(yīng)，以往的仿真模型往往忽略該冗余反應(yīng)，但事實上在180 km高度O2密度和O密度是可比擬的，是Sm原子的主要損耗反應(yīng)之一，不能忽略，這也可能是實測等離子體云密度遠(yuǎn)小于理論計算值的重要原因之一。

另外，Sm與O化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生e-和SmO+的同時，其逆反應(yīng)也以更快的反應(yīng)系數(shù)進(jìn)行，隨著正反應(yīng)過程中產(chǎn)生的e-和SmO+密度的增加，逆反應(yīng)也越來越重要，最終正反應(yīng)和逆反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡。以往仿真計算中忽略了逆反應(yīng)過程，這可能是實測等離子體云密度遠(yuǎn)小于理論計算值的又一重要原因。

1.2 Sm在電離層中的動力學(xué)過程

Sm釋放之初在密度梯度力和釋放壓力作用下的快速膨脹過程，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能，溫度急劇降低，部分Sm蒸氣冷凝為固態(tài)或液態(tài)Sm。在空間環(huán)境中液態(tài)Sm不穩(wěn)定，一部分轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，另一部分轉(zhuǎn)化為固態(tài)，最終，Sm在電離層中以氣態(tài)和固態(tài)兩種形式存在，進(jìn)入自由擴(kuò)散階段。

Sm蒸氣的連續(xù)性方程可以表示為

式中：?·(nsvs)代表Sm的輸運(yùn)過程，ns和vs分別為Sm原子的數(shù)密度和運(yùn)動速度；Ps和Ls分別為Sm的產(chǎn)生率和反應(yīng)損失率。Sm原子的運(yùn)動速度可以通過動量方程描述：

式中：g為重力加速度；k為玻爾茲曼常數(shù)；ms為Sm原子質(zhì)量；Ts為Sm蒸氣溫度；ωa為背景大氣碰撞頻率；va為背景大氣飄移速度。由于Sm云速度變化的時間尺度遠(yuǎn)大于碰撞的平均時間尺度，因此Sm云的加速度可以忽略，此時有

式中：D為Sm蒸氣擴(kuò)散系數(shù)；為z向單位向量；Hs為Sm蒸氣標(biāo)高。假設(shè)Sm云的擴(kuò)散過程是從一個點源開始的并且背景大氣滿足水平分層分布，忽略背景大氣的運(yùn)動速度，忽略Sm原子的重力下落運(yùn)動和宏觀飄移運(yùn)動，式(8)可以簡化為

將式(9)代入式(6)可以得到：

因為在最初階段由背景大氣的熱運(yùn)動造成的Sm云的熱擴(kuò)散是小量，因此擴(kuò)散方程近似解和真實解符合較好；之后，由于背景大氣的不均勻性，造成近似解的誤差逐漸積累，近似解與真實解的偏離增加。不過，總體上在釋放之初的數(shù)十分鐘內(nèi)近似解的誤差在可以承受的誤差范圍內(nèi)，可以用式(10)近似計算Sm的密度分布。

1.3 人工等離子體云的擴(kuò)散

Sm與背景O化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高密度等離子體云在靜電力、密度梯度力和碰撞作用下飄移，整個運(yùn)動過程受到地磁場控制。背景的大氣風(fēng)場同樣對等離子體云的運(yùn)動過程產(chǎn)生影響，會引起等離子體云的遠(yuǎn)距離飄移。

等離子體連續(xù)性方程可以表示為

式中，np為等離子體電子或離子數(shù)密度；v為等離子體飄移速度，為等離子體飄移速度v的單位矢量；Pp和Lp分別為等離子體的產(chǎn)生和損失項。

分別以地理東方為x軸、北方為y軸、垂直向上為z軸建立平面直角坐標(biāo)系，等離子體連續(xù)性方程式(11)可以表示為

式中：I為地磁傾角；γ為地磁偏角。等離子體流的運(yùn)動受到等離子體密度梯度力、地磁場洛倫茲力、電場力和碰撞的影響，在碰撞和電場力作用下，等離子體云沿磁力線的運(yùn)動速度可以表示為

式中：Dp=2kTp/(mω)為有效雙極擴(kuò)散系數(shù)，其中m為離子和電子總質(zhì)量，ω為總碰撞頻率；Tp為等離子體溫度；s=z/sinI為沿地磁場方向；Hp=2Tpk/(mg)為等離子體標(biāo)高；vD為外加飄移速度。將式(13)帶入式(12)，設(shè)地磁傾角γ=0、外加飄移速度|vD|=0，得到SmO+和Sm+離子擴(kuò)散方程如下：

在式(14)、(15)的等離子體擴(kuò)散方程中考慮了地磁偏角的影響，進(jìn)一步發(fā)展了原有的二維等離子體擴(kuò)散方程，建立了三維等離子體擴(kuò)散方程。式(14)、(15)中的sinIcosI項稱為沿場擴(kuò)散項，這些項描述了等離子體沿場擴(kuò)散過程。由于考慮了等離子體云的沿場擴(kuò)散過程，等離子體云的形狀將沿磁場拉伸。

2 精細(xì)化效應(yīng)仿真模型

2.1 研究思路

為了更為精確開展電離層Sm釋放效應(yīng)仿真，本文模型考慮了Sm釋放速度和流量、釋放區(qū)域風(fēng)場、運(yùn)載器飛行速度等因素對效應(yīng)仿真的影響。在真實試驗場景下，火箭飛行速度快，Sm蒸氣的完全釋放需要數(shù)十秒時間，釋放過程不再是簡單的點源釋放，而是線源釋放?？梢詫⒕€源離散成很多小的點源，通過將各個點源釋放效應(yīng)在時間和空間上疊加，獲得線源釋放效應(yīng)。

點源釋放條件下，等離子體擴(kuò)散方程可以表示為

式中，β(x,y,z,t)為點源擴(kuò)散項。通過將各個點源釋放效應(yīng)在時間和空間上疊加，得到整個釋放物密度分布如下：

式中，G(x,y,z,t)為格林函數(shù)。

這種通過離散化釋放物流場，將多個點源效應(yīng)在時間空間上疊加，進(jìn)而計算整體釋放效應(yīng)的方法，稱為“微元法”。該方法在文獻(xiàn)[31-32]中進(jìn)行了詳細(xì)說明，在此不再贅述。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計算

2.2.1 釋放速度和流量

釋放容器開啟瞬間，Sm蒸氣在內(nèi)外壓差作用下迅速噴出，根據(jù)流體力學(xué)，結(jié)合Sm的理化特性，Sm蒸氣釋放速度ve大小可表示為

基于流體力學(xué)原理，擬合得到Sm蒸氣流量I(t)的表達(dá)式：

式中：a為與Sm本身物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，效應(yīng)仿真中a取值為0.5；te為Sm蒸氣釋放持續(xù)時間； ?N(t)為微元分子數(shù)；?t為微元持續(xù)時間。

2.2.2 慣性及風(fēng)場飄移速度

由于慣性作用，釋放至電離層中的Sm蒸氣持續(xù)運(yùn)動，直至在背景氣體阻力的作用下運(yùn)動速度逐漸減小為0。釋放物的運(yùn)動過程可以用式(22)表示：

式中：v為釋放物運(yùn)動速度；P為釋放物內(nèi)部壓力；υb為碰撞頻率；vb為背景氣體運(yùn)動速度。釋放物的內(nèi)部壓力在釋放后很短的時間內(nèi)減小為0，在這一時間內(nèi)假設(shè)釋放物的速度不變，則釋放物的速度可以表達(dá)為

式中，v0為釋放物的慣性初速度。釋放物與背景大氣的碰撞頻率計算非常復(fù)雜，碰撞頻率可以表示為[31]

釋放物在背景風(fēng)場作用下隨風(fēng)飄移，因為背景大氣十分稀薄，飄移速度是緩慢漸變的過程，最終達(dá)到與背景風(fēng)速相對靜止。飄移速度可以表示為

式中，vb0為背景風(fēng)場初速度。

2.3 仿真模型設(shè)計

綜合考慮Sm在電離層中的物理化學(xué)反應(yīng)過程以及釋放參數(shù)，通過求解Sm擴(kuò)散方程和等離子體擴(kuò)散方程，建立Sm精細(xì)化效應(yīng)仿真模型，具體算法設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 Sm精細(xì)化效應(yīng)仿真模型設(shè)計流程圖Fig.3 Flowchart of Sm refinement effect simulation model

步驟如下：

1) 參數(shù)設(shè)置，包括火箭飛行參數(shù)和釋放參數(shù)等；

2) 采用微元法計算Sm蒸氣密度分布；

3) 根據(jù)Sm在電離層中的電離反應(yīng)和等離子體擴(kuò)散過程，計算得到等離子體云密度分布；

4) 化學(xué)反應(yīng)剩余的釋放物繼續(xù)擴(kuò)散，重復(fù)步驟2和步驟3，可計算得到下一時刻的等離子體密度分布。

通過上述步驟，可獲得任意時刻的等離子體云密度分布，進(jìn)而得到Sm釋放時空四維等離子體云密度分布，即Sm精細(xì)化效應(yīng)仿真模型。

3 數(shù)值模擬

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為驗證Sm精細(xì)化效應(yīng)仿真模型，采用虛擬試驗場景開展數(shù)值模擬，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)Tab.1 Main simulation parameters

3.2 數(shù)值模擬

仿真過程中設(shè)置的釋放持續(xù)時間為30 s，其余參數(shù)設(shè)置如表1。分別仿真釋放后10 s、120 s、300 s等離子體云的形態(tài)和空間分布，仿真結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 12 kg Sm 完全釋放后10 s電子密度分布Fig.4 The electron density distribution at 10 s after 12 kg Sm release

從圖4可以看出：完全釋放后10 s，空間等離子體云處于形成階段，等離子體云最大電子密度約8×106cm-3，尺度約15 km×5 km；不同剖面形態(tài)各異，x-y剖面近似錐形，x-z剖面近似圓形，而y-z剖面近似線性。由于火箭慣性速度，等離子體云沿火箭飛行速度方向飄移，且飄移速度與火箭速度相近，但風(fēng)場飄移效應(yīng)尚不明顯。等離子體云前端密度明顯高于后端，主要是因為等離子體云形成后，快速擴(kuò)散，致使后端密度驟降。

從圖5可以看出：完全釋放后120 s，空間等離子體云基本形成，等離子體云最大電子密度約2.3×106cm-3，尺度約20 km×6 km；不同剖面形態(tài)各異，xy剖面近似錐形，x-z剖面近似圓形，而y-z剖面近似不規(guī)則橢圓。由于火箭慣性速度，引起的等離子體云慣性飄移在環(huán)境大氣阻力作用下逐漸減小，而風(fēng)場飄移作用逐漸顯現(xiàn)。等離子體云前端密度仍高于后端，但前端擴(kuò)散效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)，最大密度點逐漸向后方移動。

圖5 12 kg Sm 完全釋放后120 s電子密度分布Fig.5 The electron density distribution at 120 s after 12 kg Sm release

從圖6可以看出：完全釋放后300 s，空間等離子體云處于相對穩(wěn)定期，等離子體云最大電子密度約1.4×106cm-3，尺度約25 km×8 km；不同剖面形態(tài)各異，x-y剖面近似錐形，x-z剖面近似圓形，而y-z剖面近似橢圓。由于火箭慣性速度，引起的等離子體云慣性飄移在環(huán)境大氣阻力作用下停止，而風(fēng)場飄移仍在持續(xù)作用。在等離子體擴(kuò)散作用下，等離子體云最大密度點繼續(xù)向等離子體云幾何中心移動。

圖6 12 kg Sm 完全釋放后300 s電子密度分布Fig.6 The electron density distribution at 300 s after 12 kg Sm release

3.3 短波射線追蹤

射線追蹤技術(shù)是研究電離層電波傳播的有效工具，其理論和算法詳見文獻(xiàn)[33-34]。

利用短波射線追蹤方法對Sm釋放等離子體云的電波傳播效應(yīng)進(jìn)行研究，仿真不同頻率短波信號經(jīng)等離子體云的傳播路徑變化過程。等離子體云形態(tài)選取釋放后10 s、120 s、300 s三個時間點，選擇的電波頻率為10 MHz、15 MHz、20 MHz，射線追蹤仿真結(jié)果如圖7～9所示。

完全釋放后10 s是空間等離子體云生成階段，等離子體云密度高，范圍小。由圖7可以看出10 MHz電波無法穿越等離子體云中心，y-z剖面和x-z剖面對電磁波的反射效應(yīng)不同，表明等離子體云密度分布存在各項異性。15 MHz的無線電波在y-z剖面和x-z剖面的傳播效應(yīng)不同，被y-z剖面反射，卻能夠穿透x-z剖面，且穿透x-z剖面后電磁波的傳播路徑發(fā)生了顯著變化，產(chǎn)生了“散焦”效應(yīng)。在y-z剖面中，20 MHz的無線電磁波能夠穿越等離子體云邊緣，被等離子體云中心區(qū)域反射；在x-z剖面中，20 MHz的無線電磁波能夠穿越等離子體云，穿越后傳播路徑發(fā)生了“散焦”效應(yīng)，但與15 MHz無線電波相對比，“散焦”效應(yīng)進(jìn)一步減弱。

完全釋放后120 s空間等離子體云基本生成，等離子體云密度降低，范圍擴(kuò)大。由圖8可知，10 MHz無線電波被等離子體云y-z剖面反射，無法穿越等離子體云內(nèi)部，而在x-z剖面中，10 MHz無線電磁波能夠穿越等離子體云內(nèi)部，在等離子體云中心區(qū)域發(fā)生反射。15 MHz無線電波在y-z剖面內(nèi)部發(fā)生反射，完全穿透x-z剖面，穿透后發(fā)生明顯“散焦”效應(yīng)。20 MHz無線電磁波在等離子體云中的傳播效應(yīng)與15 MHz無線電波相近，只是傳播效應(yīng)進(jìn)一步減弱，說明隨著入射頻率的增加，等離子體云對無線電波傳播的影響逐漸減弱。

完全釋放后300 s是空間等離子體云穩(wěn)定存在階段，等離子體云密度進(jìn)一步降低，范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。由圖9可知，隨著等離子體云尺度的增加、密度降低，等離子體云對無線電波傳播效應(yīng)的影響范圍越來越大，但影響程度逐漸減弱。

圖9 12 kg Sm 完全釋放后300 s射線追蹤結(jié)果Fig.9 The ray tracing simulation results at 300 s after 12 kg Sm release

從應(yīng)用的角度考慮，研究等離子體云對斜向入射電波信號傳播過程的影響更有實用價值。在斜向入射的情況下，電波信號發(fā)射點不再位于等離子體云正下方，假設(shè)發(fā)射點距離等離子體云地面投影中心150 km，以此構(gòu)建斜向傳播鏈路，研究等離子體云對斜向入射電波信號傳播過程的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10 12 kg Sm 完全釋放后300 s斜向射線追蹤結(jié)果Fig.10 The oblique ray tracing simulation results at 300 s after 12 kg Sm release

從圖10可以看出：10 MHz、15 MHz以及20 MHz無線電波的傳播過程均受到等離子體云影響，但是影響程度不同，部分信號被等離子體云反射回地面，部分信號僅發(fā)生傳播方向的偏轉(zhuǎn)；云團(tuán)形態(tài)對反射場分布影響很大，開展基于空間等離子體云的超視距通信、探測研究時，需要特別關(guān)注云團(tuán)形態(tài)對反射場分布特性的影響。

4 總結(jié)與討論

本文在電離層Sm釋放理論研究基礎(chǔ)上，開展了電離層Sm釋放的精細(xì)化效應(yīng)仿真研究，在擴(kuò)散方程中考慮了熱層風(fēng)場、地磁場、Sm釋放速度和流量、運(yùn)載器飛行速度等參量對Sm在電離層中擴(kuò)散過程的影響。同時，采用射線追蹤方法，研究了空間等離子體云的電波傳播特性。研究結(jié)果表明：釋放參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對等離子體云的形態(tài)和演化過程具有重要影響，進(jìn)一步對等離子體云的傳播效應(yīng)產(chǎn)生影響。

本文的研究工作是對電離層Sm蒸氣點源釋放效應(yīng)仿真模型的進(jìn)一步發(fā)展，深入研究了釋放參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對釋放效應(yīng)和傳播效應(yīng)的影響，一方面，能夠為電離層Sm釋放空間主動試驗的效應(yīng)診斷提供更為精確的診斷目標(biāo)；另一方面，能夠為空間等離子體云技術(shù)在通信、探測領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供理論支持。