余鵬程 劉宇，2，3* 雷久侯，2，3 曹金祥

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院 深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 合肥 230026；3.中國(guó)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(shí)，由于激波加熱和熱化學(xué)防護(hù)材料的燒蝕等原因會(huì)在飛行器表面形成致密的等離子體鞘套。鞘套的形成會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電通信信號(hào)中斷，使得載人風(fēng)險(xiǎn)成倍增加，因此，減輕和消除黑障對(duì)航天測(cè)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(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式診斷是通過(guò)人為地對(duì)等離子體施加某種信號(hào)引起響應(yīng)，從而根據(jù)響應(yīng)信號(hào)來(lái)推算等離子體的相關(guān)參數(shù)信息；而被動(dòng)式診斷主要通過(guò)等離子體自身發(fā)出的電磁波、光譜等信號(hào)等進(jìn)行參數(shù)診斷[3-4]。主動(dòng)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(shì)被廣泛用于各類空間等離子體探測(cè)實(shí)驗(yàn)，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(cè)等[5-7]。在20世紀(jì)60年代末，美國(guó)針對(duì)等離子體鞘套開(kāi)展過(guò)一系列大型實(shí)驗(yàn)。其中比較著名的有：美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)實(shí)驗(yàn)室的Fire項(xiàng)目和美國(guó)空軍(United States Air Force，USAF)實(shí)驗(yàn)室的ASSET項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)再入飛行器熱輻射和傳導(dǎo)率的測(cè)量，進(jìn)行再入空氣動(dòng)力學(xué)、熱動(dòng)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(jì)劃，該計(jì)劃一共成功進(jìn)行了7次飛行實(shí)驗(yàn)[8-10]。在第二次和第三次的飛行實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(chǎng)燒蝕引起飛行器的氣動(dòng)不穩(wěn)定。因此，對(duì)于早期可見(jiàn)文獻(xiàn)的傳統(tǒng)朗繆爾探針再入等離子體鞘套診斷，仍然無(wú)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(qiáng)碰撞等特性，傳統(tǒng)朗繆爾探針極易被高溫流場(chǎng)燒蝕絕緣而損壞，且伸出的探針電極會(huì)對(duì)飛行器的氣動(dòng)安全造成嚴(yán)重干擾。為了解決這一問(wèn)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高溫流場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間有效探測(cè)。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(cè)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(cè)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(dú)立工作、互不干擾，又相互驗(yàn)證。同時(shí)進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shuō)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(cè)技術(shù)手段。其次，通過(guò)探究化學(xué)物質(zhì)釋放主動(dòng)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(huì)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(duì)空間電離層空洞的影響[14]，后期研究者們通過(guò)尺度化縮放原則，在地面模擬空間等離子體實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)一步深入研究化學(xué)物質(zhì)釋放對(duì)空間電離層的影響[15]。過(guò)去幾十年里，我國(guó)也逐步開(kāi)展了對(duì)化學(xué)物質(zhì)釋放的相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(duì)電離層的擾動(dòng)特性[18]，較為系統(tǒng)全面地研究了化學(xué)物質(zhì)釋放對(duì)空間電離層等子體電子密度的影響。經(jīng)過(guò)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(chǎng)等離子體中技術(shù)均已趨向于成熟[19]。通過(guò)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(duì)電子密度的影響，從而達(dá)到恢復(fù)通信的目的。

1 探針理論模型

由于真實(shí)的空間飛行環(huán)境氣體壓強(qiáng)較大，因此，還需要進(jìn)一步考慮氣壓環(huán)境對(duì)探針數(shù)據(jù)采集的影響?；诖耍紫柔槍?duì)10～100 Pa進(jìn)行探針測(cè)試采集實(shí)驗(yàn)。通過(guò)計(jì)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(yuǎn)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(wú)法到達(dá)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(duì)探針采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)修正。首先從無(wú)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?，ns/n0=exp(-1/2)=0.6，其中n0為未擾動(dòng)的等離子體電子密度。

在碰撞環(huán)境下通過(guò)流體模型、離子連續(xù)流方程、泊松方程和運(yùn)動(dòng)方程：

以及等離子體方程、邊界條件和鞘層參數(shù)，進(jìn)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(shì)；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(zhǎng)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(dá)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(jìn)行計(jì)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(cè)量等離子體電子密度的儀器[22-23]。當(dāng)寬頻微波信號(hào)傳播到等離子體中時(shí)，如果傳播頻率高于等離子體的截止頻率，信號(hào)將被吸收和反射，而低于截止頻率的信號(hào)將透過(guò)等離子體。因此，通過(guò)測(cè)量微波信號(hào)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(jìn)入等離子體后被反射，再回到微帶天線被接收。通過(guò)分析射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)等離子體后的振幅變化，來(lái)判斷等離子體的截止頻率。對(duì)于不均勻等離子體，可以通過(guò)發(fā)射不同頻率的微波信號(hào)進(jìn)而得出“微波天線”正前方不同區(qū)域(1，2，3，4，5)的各“點(diǎn)”電子密度參數(shù)，各“點(diǎn)”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(jì)算公式為

實(shí)驗(yàn)中的矢量網(wǎng)絡(luò)儀可以測(cè)量和接收到不同頻率電磁波的強(qiáng)度，當(dāng)我們?cè)陬l率振幅圖像上看到在某個(gè)頻率下等離子體的反射波振幅和在真空條件下相同時(shí)，此頻率即為截止頻率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)在我們自主建設(shè)的中科大空間等離子體實(shí)驗(yàn)裝置(KSPEX)中進(jìn)行[24-25]，如圖2所示。

圖2 KSPEX實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 KSPEX experimental device setup

裝置的直徑為0.5 m，整體長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中采用熱陰極等離子體，主要原理是對(duì)20根直徑0.2 mm、長(zhǎng)度10 cm的鎢絲供給能量產(chǎn)生種子電子，然后進(jìn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)中放電本底氣壓為10-4Pa 量級(jí)，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(zhǎng)度10 mm朗繆爾柱探針進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，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(chǎng)和磁場(chǎng)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(dòng)匹配網(wǎng)絡(luò)三大部分組成。實(shí)驗(yàn)中采用朗繆爾單探針(直徑0.2 mm，長(zhǎng)度8.9 mm)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。探針系統(tǒng)放置在二維可移動(dòng)探針支架上，該支架由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)，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(shí)驗(yàn)中的放電氣體為氬氣，采用質(zhì)量流量計(jì)控制氣體通入量為100 ml/min，產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)為0.41 Pa，六氟化硫(SF6)氣體用另一個(gè)流量計(jì)控制通入量為10 ml/min，10%的比例是相對(duì)于氬氣通入量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 雙平裝探針診斷比對(duì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中裝置的本底真空壓強(qiáng)為10-4Pa，放電氣壓為0.4～100 Pa，對(duì)應(yīng)碰撞頻率為440 kHz～3.96 MHz。實(shí)驗(yàn)中腔體放電電流為3～8 A，對(duì)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(guò)改變等離子體電子密度進(jìn)行探針數(shù)據(jù)采集比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖中黑色實(shí)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(shí)心圓形為朗繆爾柱探針電子流公式(7)所測(cè)結(jié)果(neSP)，藍(lán)色實(shí)心三角形為雙平裝探針采用經(jīng)典理論離子流公式(1)計(jì)算所得數(shù)據(jù)(niDFP)。首先，每組數(shù)據(jù) 6個(gè)周期，每個(gè)周期276個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行平均計(jì)算電子密度，然后得到相對(duì)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(qiáng)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(wú)法到達(dá)探針電極而被采集得到，從而過(guò)低地估計(jì)了等離子體中的電子密度。通過(guò)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(shì)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(jì)算模型的可靠性和有效性。

圖3 不同壓強(qiáng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)Fig.3 Data comparison experiments under different pressure environments

3.2 微波探針測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在完成平裝探針的數(shù)據(jù)采集和比對(duì)實(shí)驗(yàn)后，我們又進(jìn)一步在相同等離子體實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對(duì)微波截止探針進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中微波截止探針向外發(fā)射寬頻帶的微波信號(hào)，當(dāng)微波信號(hào)頻率小于或等于等離子體電子密度對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生截止抬升。理論和實(shí)驗(yàn)上來(lái)看截止信號(hào)會(huì)上升到與原始信號(hào)相同的高度。探針后端采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀S11通道來(lái)進(jìn)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(hào)的頻率小于等離子體電子密度頻率時(shí)，信號(hào)發(fā)生了明顯的“截止”。通過(guò)截止點(diǎn)的頻率，可以很容易得出等離子體的電子密度。為了進(jìn)一步確定截止點(diǎn)距離微波截止探針?biāo)诘奈恢?，我們又進(jìn)一步采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)間門技術(shù)，通過(guò)微波信號(hào)到達(dá)截止點(diǎn)的時(shí)間反演出被測(cè)點(diǎn)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。可以認(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(hào)截止。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明復(fù)合探針不僅可以有效探測(cè)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(diǎn)”到“線”的全面探測(cè)。

圖5 固定放電功率下時(shí)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(shí)驗(yàn)

化學(xué)物質(zhì)釋放所得實(shí)驗(yàn)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(cè)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(huì)經(jīng)歷一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，即在距離中心50 mm的位置等離子體電子密度達(dá)到最高而后降低。通過(guò)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(shì)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(duì)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(huì)含有高密度的電子和離子，SF6釋放后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(guò)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(duì)高溫流場(chǎng)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(cè)技術(shù)和親電子物質(zhì)釋放主動(dòng)干預(yù)研究。首先針對(duì)高溫?zé)g難點(diǎn)，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(shì)充分結(jié)合起來(lái)，形成由“點(diǎn)”到“線”的全面探測(cè)；其次，針對(duì)強(qiáng)碰撞等離子體實(shí)驗(yàn)環(huán)境發(fā)展探針理論修正模型，所得結(jié)果與其他探測(cè)設(shè)備比對(duì)具有很好的一致性；最后，通過(guò)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(shí)時(shí)診斷難點(diǎn)和通信恢復(fù)提供了有效的技術(shù)手段，最終服務(wù)于國(guó)家航天航空部門。