王馨悅，杜 丹，張愛(ài)兵，劉 超，孔令高，田 崢，鄭香脂

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；2. 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3. 中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；5. 中國(guó)氣象局空間天氣重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心)，北京 100081)

0 引 言

高層大氣是研究行星空間環(huán)境和行星演化的關(guān)鍵區(qū)域之一。高層大氣風(fēng)場(chǎng)是研究高層大氣動(dòng)力學(xué)、電離層動(dòng)力學(xué)的重要大氣參數(shù),在行星磁層-電離層-行星大氣耦合中發(fā)揮重要作用[1-3]。地球高層大氣是低軌衛(wèi)星的主要運(yùn)行區(qū)域,當(dāng)前關(guān)于影響軌道衰減的自然要素的相關(guān)研究主要集中于對(duì)大氣密度的探測(cè)和模擬[4-9],而高層大氣風(fēng)產(chǎn)生的曳力也是影響精密軌道預(yù)報(bào)和衛(wèi)星壽命的不可或缺的自然要素之一?？臻g環(huán)境擾動(dòng)期間中性風(fēng)速可能從幾十米每秒上升到上千米每秒。當(dāng)風(fēng)速為100 m/s左右時(shí),將給精密定軌預(yù)報(bào)引入約為5%的誤差,而磁暴時(shí)風(fēng)速如達(dá)到 1 000 m/s左右,將使得精密軌道預(yù)報(bào)的誤差高達(dá)25%[7]。高精度的高層大氣風(fēng)場(chǎng)參量測(cè)量對(duì)于研究行星磁層-電離層-行星大氣耦合,以及衛(wèi)星精密軌道預(yù)報(bào)具有重要意義。

高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)技術(shù)是開(kāi)展地球中高層大氣及地外行星如火星、金星等大氣研究的有效探測(cè)手段。利用原位探測(cè)技術(shù)可獲取全球、全時(shí)段、長(zhǎng)時(shí)間覆蓋、不同衛(wèi)星軌道高度的高層大氣風(fēng)場(chǎng)參量。國(guó)際上已應(yīng)用于天基探測(cè)任務(wù)的熱層風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)技術(shù)包括了CHAMP和GRACE等衛(wèi)星利用加速度計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算軌道風(fēng)速的間接探測(cè)方法[10]和DE-2、C/NOFS等利用中性氣體電離法獲取軌道風(fēng)速的直接探測(cè)方法[11-13]。中國(guó)星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)目前仍屬空白。

高層大氣中性風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的根本目的是獲得高精度的風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)數(shù)據(jù)。由于高層大氣中性氣體稀薄,星載原位探測(cè)高層大氣風(fēng)速不能用傳統(tǒng)動(dòng)量交換的方式直接測(cè)量。如采用測(cè)量大氣阻力攝動(dòng)力加速度反演大氣風(fēng)速的動(dòng)力學(xué)反演方法,其反演精度將受到引入的行星大氣密度模型、重力場(chǎng)模型等的精度和衛(wèi)星形態(tài)質(zhì)量等的制約。中性氣體電離法可通過(guò)直接測(cè)量中性氣體分子電離后離子的分布反演其中心速度(風(fēng)速)和溫度等參量,不受外加模型或衛(wèi)星自身?xiàng)l件的影響,有望實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率、高精度的風(fēng)速測(cè)量。通常認(rèn)為高層大氣風(fēng)速的范圍約為±1 000 m/s,但200～400 km高度風(fēng)速的平均值多分布于100 m/s以下[11-13],遠(yuǎn)低于低軌航天器運(yùn)行速度7.8 km/s;熱層溫度變化在500～2 000 K之間,中性粒子的熱速度可能大于或與風(fēng)速相當(dāng);考慮到需將氣體電離后測(cè)量離子的速度分布代替氣體分子的分布,采用中性氣體電離法時(shí),不僅要確保電離前后離子與中性氣體分子速度分布的一致性,還需要具備較高的速度分辨率及測(cè)量精度。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文創(chuàng)新性地采用平板型碳納米管冷陰極作為電子發(fā)射體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的星載原位大氣探測(cè)時(shí)采用的熱陰極[14],根據(jù)碳納米管冷陰極的性能與幾何特征,設(shè)計(jì)了以直流電子槍為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的均勻場(chǎng)離子源,在其柵極和陽(yáng)極間增加了聚焦極,并設(shè)計(jì)了雙層屏蔽柵網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了離子和電子產(chǎn)生區(qū)有效的電場(chǎng)分離、出射電子束的能量單一且方向一致,結(jié)合基于阻滯勢(shì)分析法獲取離子參量的速度分析器,自主研發(fā)了星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀(Satellite-borne in-situ thermospheric neutral wind ins-trument, SSTNWI),并開(kāi)展了仿真計(jì)算和測(cè)試分析。

1 星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀的原理與設(shè)計(jì)

1.1 探測(cè)指標(biāo)需求

磁暴時(shí),200～700 km地球大氣風(fēng)速最大值可達(dá)1 000 m/s,因此,風(fēng)速探測(cè)范圍應(yīng)覆蓋-1 000～1 000 m/s;地球低軌衛(wèi)星通常運(yùn)行于200～700 km高度之間,其速度約為7.5～7.8 km/s,據(jù)此,中性氣體沿傳感器軸線相對(duì)衛(wèi)星速度的最小探測(cè)能力應(yīng)為6.5～8.8 km/s,考慮到上述高度地球大氣的中性成分主要包括氧、氮、氦等,其動(dòng)能范圍約為1～13 eV,再結(jié)合待測(cè)中性氣體分子的溫度在熱層可達(dá)上千開(kāi)爾文,以及可能存在的極端情況,探測(cè)粒子的能量范圍可設(shè)置為0～22 eV。此外,200～700 km高度范圍內(nèi)的大氣稀薄,大氣壓力范圍約為10-9～10-4Pa[15],測(cè)量時(shí)中性氣體分子的電離比例須超過(guò)檢測(cè)下限?？紤]到平靜時(shí)熱層風(fēng)速約為0～150 m/s,測(cè)量時(shí)中性風(fēng)速的誤差應(yīng)達(dá)到≤10 m/s。

1.2 工作原理與反演方法

星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀通過(guò)測(cè)量來(lái)流方向中性氣體分子的能量分布反演其中心速度(風(fēng)速)、溫度和數(shù)密度等物理量。自然大氣中的中性氣體分子(原子)以航天器在軌運(yùn)行速度和中性風(fēng)速的合成速度經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后進(jìn)入電離區(qū),被電子發(fā)射體發(fā)射的垂直于來(lái)流方向的能量電子束流電離,產(chǎn)生的離子保持中性氣體入射分布狀態(tài)射出后進(jìn)入離子能量分析區(qū)。根據(jù)阻滯勢(shì)分析方法[16]的原理,離子能量分析區(qū)的阻滯柵網(wǎng)掃描電壓U隨時(shí)間變化,只有能量大于阻滯柵網(wǎng)掃描電位電勢(shì)能的離子才能夠穿過(guò)阻滯柵網(wǎng),穿過(guò)阻滯柵網(wǎng)的離子電流I被離子收集極收集,從而得到I隨U變化的伏安特性曲線,如圖1所示。

假設(shè)衛(wèi)星遭遇的中性大氣符合Maxwell分布,且中性氣體被電子電離后依然保持初始的速度分布狀態(tài),則對(duì)于第i種中性氣體電離后產(chǎn)生的離子,在傳感器軸向方向相對(duì)衛(wèi)星符合一維漂移Maxwell分布:

(1)

式中:Vi為中性氣體速度;Vc為中性粒子沿傳感器軸向整體相對(duì)衛(wèi)星的速度;風(fēng)速Vw等于Vc減去衛(wèi)星速度Vs在風(fēng)速方向的投影Vsθ,即Vw=Vc-Vsθ,Vsθ=Vscosθ,θ是Vs與傳感器軸線的夾角,由于傳感器的軸線通常指向衛(wèi)星前進(jìn)方向,因此θ也代表了航天器的攻角;Vm為熱速度,Vm=(2kTi/mi)1/2;k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J·K-1;Ti為第i種中性氣體分子的溫度;mi為第i種中性氣體的質(zhì)量。則第i種中性氣體電離產(chǎn)生離子的電流貢獻(xiàn)為[16]：

(2)

(3)

1.3 傳感器技術(shù)

星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀主要包括傳感器和電子學(xué)箱兩部分。傳感器主要用于將中性氣體電離后分析其能量分布,電子學(xué)箱處理和分析輸出信號(hào)。傳感器主要由均勻場(chǎng)離子源和速度分析器兩部分組成,其中,均勻場(chǎng)離子源發(fā)射電子,使得中性氣體在電離區(qū)電離;速度分析器對(duì)從離子源出射的離子進(jìn)行能量篩選、離子收集和分析,其收集采用了測(cè)量帶電粒子入射電流的法拉第杯。圖2為星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀傳感器原理樣機(jī)。

圖2 星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀原理樣機(jī)

1.3.1均勻場(chǎng)離子源設(shè)計(jì)

均勻場(chǎng)離子源用于產(chǎn)生方向一致、能量單一的電子束,并確保電離區(qū)電子束內(nèi)的電勢(shì)趨近于0,以獲取與中性氣體分子相同速度分布的離子。傳統(tǒng)星載大氣探測(cè)的電子發(fā)射材料多采用絲狀熱陰極[14],電子發(fā)射方向難以控制、電離區(qū)的滲透電場(chǎng)對(duì)后續(xù)能量分析的精度影響難以消除,不適合開(kāi)展速度場(chǎng)的探測(cè),而平面狀的場(chǎng)發(fā)射冷陰極電子發(fā)射方向較為單一,電離區(qū)滲透電場(chǎng)的分布也較為均勻,特別是碳納米管冷陰極發(fā)射穩(wěn)定性好,有效發(fā)射面積的選擇較為靈活,研制過(guò)程中,電子發(fā)射體選擇了清華大學(xué)研制的平板型碳納米管冷陰極[17]。

1.3.2均勻場(chǎng)離子源仿真分析

外界初始能量U0的中性氣體分子從與電子發(fā)射垂直的方向進(jìn)入傳感器內(nèi)部,并在橫穿電離區(qū)的電子束內(nèi)電離,如電離的位置距離出口為di,則電離后離子的能量

Ui=U0+dU

(4)

式中:dU等于電離區(qū)背景電勢(shì)與冷陰極發(fā)射的電子束的空間電荷產(chǎn)生的電勢(shì)、中性氣體電離后離子的空間電荷產(chǎn)生的電勢(shì)的疊加。當(dāng)電離區(qū)背景電勢(shì)為0時(shí),電子束內(nèi)的電勢(shì)主要由電子流和離子產(chǎn)生,假設(shè)電離區(qū)內(nèi)存在一束平行、軸對(duì)稱且能量單一、均勻分布的電子,則電子束內(nèi)的帶電粒子產(chǎn)生的電勢(shì)為[18]

(5)

式中:Re是電子束的半徑;Iel是電子束發(fā)射電子流或離子流;ke是電子或離子能量;me是電子或離子質(zhì)量;Ra是電離區(qū)的半高;r是中性氣體電離的位置與電離區(qū)中心線的距離。根據(jù)式(5)計(jì)算電子束與電離區(qū)寬度比Re/Ra變化時(shí)電子束內(nèi)空間電荷產(chǎn)生的電勢(shì),結(jié)果表明,電子束產(chǎn)生電勢(shì)的絕對(duì)值與發(fā)射電子流強(qiáng)度成正比,與其速度成反比;r越大,電勢(shì)的絕對(duì)值越小;不同電離位置之間的電勢(shì)差僅與r相關(guān);當(dāng)電子束的寬度接近電離區(qū)寬度時(shí),空間電荷產(chǎn)生電勢(shì)的絕對(duì)值最小,如圖3(b),因此電子束的半徑應(yīng)與電離區(qū)的寬度相當(dāng)。

圖3 均勻場(chǎng)離子源及冷陰極發(fā)射電子的仿真結(jié)果

離子流的檢測(cè)下限為10-14A。根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型1976[15],衛(wèi)星飛行時(shí)傳感器內(nèi)的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)變化范圍約為10-7～10-3Pa,當(dāng)電子能量單一時(shí),離子的電離率是一個(gè)常數(shù),此時(shí),電離產(chǎn)生的離子流的強(qiáng)度與電子路徑的長(zhǎng)度和電子流的強(qiáng)度成正比。調(diào)整電離區(qū)的長(zhǎng)度和電子電流的強(qiáng)度,當(dāng)電子束內(nèi)電子電流約為5.0×10-5A時(shí),中性粒子電離后輸出總電流的變化范圍約為10-14～10-8A,電子束內(nèi)總電勢(shì)dU約為0。作為電子發(fā)射體的碳納米管冷陰極與電子引出的柵極(鉬柵網(wǎng))形成了平板二極管,兩者之間的距離為0.2 mm,根據(jù)穩(wěn)定發(fā)射的電子流強(qiáng)度可確定其面積、電壓,此外還應(yīng)考慮路徑中柵網(wǎng)的透過(guò)率。

碳納米管冷陰極平板型的基底形成了凸起的等勢(shì)線,使得電子束發(fā)散,為了使得注入電離區(qū)的電子束方向一致,均勻場(chǎng)離子源的電子發(fā)射和聚焦部分采用直流電子槍[19]的設(shè)計(jì)思路,在柵極和陽(yáng)極之間增加了開(kāi)圓孔的聚焦電極,形成單光闌的靜電透鏡,該透鏡的焦距與聚焦電極兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度差與電壓比成正比,當(dāng)它的焦點(diǎn)與電子從柵網(wǎng)出射延長(zhǎng)線的交點(diǎn)重合時(shí),出射后的電子可在電離區(qū)形成平行電子束,電子束流的寬度與電離區(qū)相當(dāng);陽(yáng)極和電離區(qū)之間增加了使得離子產(chǎn)生區(qū)和電子產(chǎn)生區(qū)電場(chǎng)分離的接地的雙層屏蔽柵網(wǎng),避免了電子產(chǎn)生區(qū)的高壓電場(chǎng)滲透到電離區(qū),電離區(qū)的背景電勢(shì)趨近于0。

有限元法多物理場(chǎng)耦合仿真分析軟件COMSOL Multiphysics可開(kāi)展靜電場(chǎng)分析、場(chǎng)和粒子的相互作用分析,獲得最佳參數(shù)。仿真模型的建立主要包括三部分:① 建立靜電場(chǎng)模型;② 建立發(fā)射電子流模型;③ 建立離子分布模型。根據(jù)傳感器尺寸建立其結(jié)構(gòu)模型,并設(shè)置材料屬性和邊界條件,COMSOL根據(jù)電極電壓、電子和離子參數(shù)計(jì)算傳感器內(nèi)部電場(chǎng)與粒子的屬性參量。如圖3(a),仿真建模時(shí)主要使用了COMSOL基于Maxwell方程的AC/DC模塊與粒子追蹤模塊。使用AC/DC模塊的靜電接口建立靜電場(chǎng)模型,求解電勢(shì)因變量的電荷守恒方程,并結(jié)合材料定律,獲得傳感器內(nèi)部電場(chǎng)分布。使用粒子追蹤模塊的帶電粒子追蹤接口建立發(fā)射電子流模型和離子分布模型,發(fā)射電子流模型假設(shè)初始速度約為0的N個(gè)電子隨機(jī)分布于碳納米管冷陰極表面,離子分布模型假設(shè)初始速度為6.5～8.8 km/s、方向垂直于電子束的N個(gè)離子隨機(jī)分布于電離區(qū),其影響力主要是電場(chǎng)力以及離子和電子與壁面的碰撞力。碰撞力用Monte Carlo法模擬計(jì)算;將粒子看作是電勢(shì)方程中的點(diǎn)源實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)和粒子的雙向耦合計(jì)算,從而得到電離區(qū)內(nèi)的電勢(shì)分布、離子和電子的運(yùn)動(dòng)軌跡、離子與電子的屬性參量(能量、位置、速度)等。

碳納米管冷陰極發(fā)射電子的仿真結(jié)果如圖3(c～f)所示。圖3(c)和(e)給出了均勻場(chǎng)離子源的冷陰極、電子聚焦極、陽(yáng)極、屏蔽柵網(wǎng)、電離區(qū)的電勢(shì)分布,電離區(qū)的電勢(shì)分布范圍為-0.005～0 V,圖中x方向垂直于圖3(a)中電子運(yùn)動(dòng)和氣體入射的平面;圖3(d)和(f)給出了電離區(qū)內(nèi)電子束流的分布和電子能量分布曲線,陰極設(shè)置為-200 V時(shí),電離區(qū)發(fā)射電子平均能量為197.6 eV,能量分布為193.6～199.6 eV,變化幅度<5%,電子束流的主要部分較為均勻地分布于20 mm的范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明,電離區(qū)經(jīng)過(guò)的電子能量分布具有較好的一致性;電子以近平行的方向進(jìn)入電離區(qū),實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子束注形的控制,在電離區(qū)離子出口寬度范圍內(nèi),電子流量從峰值下降到e-1時(shí)的電子束寬度內(nèi)的電子總量,與電離區(qū)經(jīng)過(guò)的總電子數(shù)比約為88%,單柵網(wǎng)的透過(guò)率約為85%,冷陰極發(fā)射電子經(jīng)過(guò)柵極和雙柵網(wǎng)后其透過(guò)率約為61%;電離區(qū)內(nèi)的滲入電場(chǎng)分布均勻,且電勢(shì)差趨于0 V。

1.3.3速度分析器設(shè)計(jì)

速度分析器采用多層?xùn)啪W(wǎng)加收集極的設(shè)計(jì),如圖4(a),多層?xùn)啪W(wǎng)包括了防止內(nèi)部電場(chǎng)外泄的接地屏蔽柵網(wǎng),電位在0～22 V之間變化的阻滯柵網(wǎng),以及防止收集極次級(jí)電子逸出的電子屏蔽柵網(wǎng)。阻滯柵網(wǎng)變化的掃描電壓U和收集極收集到的電流I即為I隨U變化的伏安特性曲線。根據(jù)1.2節(jié),I′的峰值對(duì)應(yīng)的掃描電壓值等于中性粒子沿傳感器軸向相對(duì)衛(wèi)星的整體速度Vc0,其誤差δVc0為

圖4 速度分析器及其收集離子的仿真結(jié)果

(6)

根據(jù)1.1節(jié)的最小探測(cè)能力需求,Vc0可取為6.5～8.8 km/s,用1.3.2節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型計(jì)算m, 其最小值約為8.0 kg·kmol-1。按照1.1節(jié)探測(cè)指標(biāo)需求的能量范圍設(shè)置U的探測(cè)范圍。如將電壓步長(zhǎng)設(shè)置為0.003 V,當(dāng)電壓步長(zhǎng)的誤差遠(yuǎn)小于電壓步長(zhǎng),掃描電壓測(cè)量值為U0時(shí),Vc0的變化范圍等于U0±0.003 V對(duì)應(yīng)的速度變化范圍。將上述參數(shù)代入式(6),分析器在能量篩選時(shí)給速度測(cè)量引入的誤差δVc0≤5.5 m/s。收集極離子流的電流強(qiáng)度測(cè)量范圍為10-14～10-8A、動(dòng)態(tài)范圍107以及電壓步長(zhǎng)的精確控制要求,可通過(guò)電子學(xué)設(shè)計(jì),采用微弱電流測(cè)量法與高精度掃描放大電路來(lái)滿足。

與均勻場(chǎng)離子源的建模方法類似,根據(jù)速度分析器的尺寸和電極電壓,利用COMSOL軟件AC/DC模塊的靜電場(chǎng)接口與粒子追蹤模塊的帶電粒子追蹤接口,建立速度分析器的仿真模型,即靜電場(chǎng)模型和離子分布模型,并設(shè)置材料屬性和邊界條件,離子分布模型假設(shè)初始速度為6.5～8.8 km/s、方向平行于分析器主軸的N個(gè)氧離子以不同入射方向隨機(jī)分布于分析器入口處,其影響力主要是電場(chǎng)力以及離子與壁面的碰撞力,計(jì)算速度分析器內(nèi)部掃描電場(chǎng)、離子的屬性參量與收集極收集的離子總量。如圖4(b)是仿真模擬計(jì)算獲得的中心能量為5 eV時(shí),收集極接收到的歸一化的離子總量與掃描電壓的關(guān)系曲線。結(jié)果表明仿真模擬與1.2.1節(jié)的理論公式計(jì)算結(jié)果一致,利用速度分析器測(cè)量的離子流隨掃描電壓的變化值可反演風(fēng)速和溫度等參量。

2 SSTNWI儀器性能測(cè)試與分析

2.1 地面性能測(cè)試試驗(yàn)

目前國(guó)內(nèi)模擬航天器遭遇的軌道中性風(fēng)環(huán)境的地面定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室正在籌建中,本文研制的星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)儀原理樣機(jī)的性能和指標(biāo)的初步驗(yàn)證主要通過(guò)對(duì)傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部件,即均勻場(chǎng)離子源和速度分析器分別開(kāi)展地面測(cè)試試驗(yàn)檢驗(yàn)其性能,并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較完成。據(jù)此開(kāi)展誤差分析,綜合考慮影響速度測(cè)量精度的誤差項(xiàng),可獲得整臺(tái)儀器的風(fēng)速測(cè)量誤差。

地面實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試試驗(yàn)主要包括測(cè)量均勻場(chǎng)離子源冷陰極發(fā)射電子的穩(wěn)定度和電子流強(qiáng)度、電離區(qū)電位差,標(biāo)定速度分析器的能量探測(cè)范圍和能量分辨率測(cè)試等。

均勻場(chǎng)離子源的冷陰極發(fā)射電子的穩(wěn)定度和電子流強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)在地面真空系統(tǒng)中開(kāi)展,如圖5(a)。圖5(b～c)的測(cè)試結(jié)果表明,電子收集極收集的陰極發(fā)射的電子流隨陰極電壓的增大而增加,陰極電壓在-500～-100 V的區(qū)間內(nèi)發(fā)射電子流可以實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的輸出,電子收集極接收到的電子流的變化范圍為1～110 μA,當(dāng)陰極電壓穩(wěn)定于-200.5 V±0.5V時(shí),電子收集極接收到的發(fā)射電子流的不穩(wěn)定性約為10%。

圖5 冷陰極發(fā)射電子的性能測(cè)試試驗(yàn)

電離區(qū)電場(chǎng)梯度測(cè)試的第三方測(cè)試在中析研究所完成,其驗(yàn)證方法為利用靜電場(chǎng)測(cè)試儀測(cè)試電離區(qū)不同位置的電位差,結(jié)果表明,電離區(qū)靜電場(chǎng)電位差絕對(duì)值|δU|<0.005 V,與1.3.2節(jié)的仿真結(jié)果一致。200～700 km地球大氣平均分子質(zhì)量范圍為8.0～22 kg·kmol-1,中性粒子沿傳感器軸向相對(duì)衛(wèi)星的整體速度范圍為6.5～8.8 km/s,將δU代入式(6),電子束內(nèi)電離區(qū)電場(chǎng)的不均勻性對(duì)電離后中性氣體能量分布改變引入的中性大氣粒子的速度測(cè)量誤差為2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s。

速度分析器的能量探測(cè)范圍、能量分辨率測(cè)試主要采用實(shí)驗(yàn)室電子學(xué)定標(biāo)的方法開(kāi)展。電子學(xué)定標(biāo)的基本方法是給電子學(xué)加載標(biāo)準(zhǔn)電流輸入信號(hào),測(cè)定儀器的輸出。由于掃描電壓對(duì)應(yīng)了可阻滯離子能量的最大值,通過(guò)標(biāo)定掃描電壓范圍、掃描電壓步長(zhǎng)等可計(jì)算得到能量探測(cè)范圍、能量分辨率,分別對(duì)應(yīng)了風(fēng)速測(cè)量范圍和風(fēng)速分辨率。掃描電壓范圍標(biāo)定為0～22 V,則探測(cè)粒子的能量覆蓋范圍為0～22 eV,可滿足速度探測(cè)的需求;掃描電壓變化步長(zhǎng)標(biāo)定為0.003±0.000 3 V,則對(duì)應(yīng)的能量分辨率為0.003 eV,且滿足電壓步長(zhǎng)的誤差遠(yuǎn)小于電壓步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)需求。速度分析器的掃描電壓范圍和掃描電壓步長(zhǎng)的第三方測(cè)試在中析研究所完成。在此能量分辨率下,根據(jù)200～700 km地球大氣平均分子質(zhì)量、中性氣體沿傳感器軸向相對(duì)衛(wèi)星整體速度的范圍,參照1.3.3節(jié)的計(jì)算方法,將上述參數(shù)與|δU|=0.003 V代入式(6),可算得速度測(cè)量的誤差范圍為2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s。

圖6 速度分析器實(shí)驗(yàn)室電子學(xué)測(cè)試

2.2 誤差分析

利用式(3)反演風(fēng)速時(shí),探測(cè)誤差的主要影響因素包括:衛(wèi)星運(yùn)行速度的測(cè)量誤差(ΔV)、衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量精度引入的誤差(ΔVθ)、探測(cè)器電離源電位差引入的誤差(ΔVn)和高精度速度分析器進(jìn)行能量篩選時(shí)引入的誤差(ΔVg)等。根據(jù)誤差的傳遞,風(fēng)速的綜合標(biāo)準(zhǔn)誤差δ可表達(dá)如下:

(7)

式中:衛(wèi)星運(yùn)行速度引入的誤差|ΔV|<0.5 m/s;衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量精度|Δθ|<0.05°,引入的誤差|ΔVθ|<0.003 m/s。將電離區(qū)電場(chǎng)的不均勻性對(duì)電離后中性氣體能量分布改變引入的中性大氣粒子的速度測(cè)量誤差2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s,和速度分析器開(kāi)展能量篩選時(shí)引入速度測(cè)量誤差2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s代入式(7),計(jì)算得到風(fēng)速測(cè)量綜合誤差的范圍為3.0～11.0 m/s,風(fēng)速測(cè)量的平均綜合誤差1δ(1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)約為7.0 m/s。

3 結(jié) 論

針對(duì)地球高層稀薄大氣中性風(fēng)場(chǎng)的精密探測(cè)需求,提出了一種基于碳納米管冷陰極電子發(fā)射體的新構(gòu)型的儀器設(shè)計(jì)方案,提高了衛(wèi)星軌道中性風(fēng)速測(cè)量的精度,并自主研發(fā)了星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀。

仿真分析和地面試驗(yàn)檢測(cè)了電子束能量和分布的均一性、電子產(chǎn)生和離子產(chǎn)生區(qū)電場(chǎng)分離的有效性及出射離子的能量分析能力。結(jié)果表明,電離區(qū)的電子束流方向基本一致、能量變化幅度<5%,電離區(qū)離子產(chǎn)生區(qū)電子束流內(nèi)的電勢(shì)差<0.005 V,離子和電子產(chǎn)生區(qū)的電場(chǎng)分離有效,確保了中性氣體電離前后速度分布的一致性;可測(cè)離子的能量分布覆蓋范圍為0～22 eV,能量分辨率為0.003 eV,實(shí)現(xiàn)了來(lái)流方向中性氣體分子能量分布的高精度測(cè)量。

利用反演算法,可獲取航天器軌道的風(fēng)速和溫度等參數(shù),計(jì)算結(jié)果顯示,風(fēng)速測(cè)量的平均綜合誤差1δ約為7.0 m/s。當(dāng)平均風(fēng)速為100 m/s時(shí),風(fēng)速測(cè)量誤差小于10%,中性風(fēng)速測(cè)不準(zhǔn)引起的軌道預(yù)報(bào)誤差可下降到優(yōu)于1.0%,載荷具備了開(kāi)展高層大氣中性風(fēng)精密測(cè)量的能力。

星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)儀原理樣機(jī)是中國(guó)首個(gè)具備較高精度測(cè)量高層大氣風(fēng)速功能的儀器,風(fēng)速探測(cè)精度高于C/NOFS搭載的軌道風(fēng)傳感器(Ram wind sensor)的60 m/s[11];此外,探測(cè)儀采用了小型化緊湊型的設(shè)計(jì),傳感器質(zhì)量?jī)H為500 g,未來(lái)可作為低軌微小衛(wèi)星的主載荷之一,獲取地球高層大氣與電離層動(dòng)力學(xué)研究的大氣參數(shù),并用于低軌航天器精密軌道預(yù)報(bào)。星載高層大氣風(fēng)場(chǎng)原位探測(cè)技術(shù)的發(fā)展也為開(kāi)展行星磁層-電離層-大氣層耦合等科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)儲(chǔ)備,有望應(yīng)用于火星等地外行星及地球衛(wèi)星的大氣探測(cè)任務(wù)。