星載高層大氣風場原位探測技術與測試分析

王馨悅，杜 丹，張愛兵，劉 超，孔令高，田 崢，鄭香脂

(1. 中國科學院國家空間科學中心，北京100190；2. 天基空間環境探測北京市重點實驗室，北京 100190；3. 中國科學院空間環境態勢感知技術重點實驗室，北京 100190；4. 中國科學院大學，北京 100190；5. 中國氣象局空間天氣重點開放實驗室/國家衛星氣象中心(國家空間天氣監測預警中心)，北京 100081)

0 引 言

高層大氣是研究行星空間環境和行星演化的關鍵區域之一。高層大氣風場是研究高層大氣動力學、電離層動力學的重要大氣參數,在行星磁層-電離層-行星大氣耦合中發揮重要作用[1-3]。地球高層大氣是低軌衛星的主要運行區域,當前關于影響軌道衰減的自然要素的相關研究主要集中于對大氣密度的探測和模擬[4-9],而高層大氣風產生的曳力也是影響精密軌道預報和衛星壽命的不可或缺的自然要素之一。空間環境擾動期間中性風速可能從幾十米每秒上升到上千米每秒。當風速為100 m/s左右時,將給精密定軌預報引入約為5%的誤差,而磁暴時風速如達到 1 000 m/s左右,將使得精密軌道預報的誤差高達25%[7]。高精度的高層大氣風場參量測量對于研究行星磁層-電離層-行星大氣耦合,以及衛星精密軌道預報具有重要意義。

高層大氣風場原位探測技術是開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手段。利用原位探測技術可獲取全球、全時段、長時間覆蓋、不同衛星軌道高度的高層大氣風場參量。國際上已應用于天基探測任務的熱層風場原位探測技術包括了CHAMP和GRACE等衛星利用加速度計的數據計算軌道風速的間接探測方法[10]和DE-2、C/NOFS等利用中性氣體電離法獲取軌道風速的直接探測方法[11-13]。中國星載高層大氣風場探測目前仍屬空白。

高層大氣中性風場探測的根本目的是獲得高精度的風場原位探測數據。由于高層大氣中性氣體稀薄,星載原位探測高層大氣風速不能用傳統動量交換的方式直接測量。如采用測量大氣阻力攝動力加速度反演大氣風速的動力學反演方法,其反演精度將受到引入的行星大氣密度模型、重力場模型等的精度和衛星形態質量等的制約。中性氣體電離法可通過直接測量中性氣體分子電離后離子的分布反演其中心速度(風速)和溫度等參量,不受外加模型或衛星自身條件的影響,有望實現高時空分辨率、高精度的風速測量。通常認為高層大氣風速的范圍約為±1 000 m/s,但200～400 km高度風速的平均值多分布于100 m/s以下[11-13],遠低于低軌航天器運行速度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速相當;考慮到需將氣體電離后測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,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量精度。

針對上述問題,本文創新性地采用平板型碳納米管冷陰極作為電子發射體代替傳統的星載原位大氣探測時采用的熱陰極[14],根據碳納米管冷陰極的性能與幾何特征,設計了以直流電子槍為結構基礎的均勻場離子源,在其柵極和陽極間增加了聚焦極,并設計了雙層屏蔽柵網,實現了離子和電子產生區有效的電場分離、出射電子束的能量單一且方向一致,結合基于阻滯勢分析法獲取離子參量的速度分析器,自主研發了星載高層大氣風場原位探測儀(Satellite-borne in-situ thermospheric neutral wind ins-trument, SSTNWI),并開展了仿真計算和測試分析。

1 星載高層大氣風場探測儀的原理與設計

1.1 探測指標需求

磁暴時,200～700 km地球大氣風速最大值可達1 000 m/s,因此,風速探測范圍應覆蓋-1 000～1 000 m/s;地球低軌衛星通常運行于200～700 km高度之間,其速度約為7.5～7.8 km/s,據此,中性氣體沿傳感器軸線相對衛星速度的最小探測能力應為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,其動能范圍約為1～13 eV,再結合待測中性氣體分子的溫度在熱層可達上千開爾文,以及可能存在的極端情況,探測粒子的能量范圍可設置為0～22 eV。此外,200～700 km高度范圍內的大氣稀薄,大氣壓力范圍約為10-9～10-4Pa[15],測量時中性氣體分子的電離比例須超過檢測下限。考慮到平靜時熱層風速約為0～150 m/s,測量時中性風速的誤差應達到≤10 m/s。

1.2 工作原理與反演方法

星載高層大氣風場原位探測儀通過測量來流方向中性氣體分子的能量分布反演其中心速度(風速)、溫度和數密度等物理量。自然大氣中的中性氣體分子(原子)以航天器在軌運行速度和中性風速的合成速度經過準直后進入電離區,被電子發射體發射的垂直于來流方向的能量電子束流電離,產生的離子保持中性氣體入射分布狀態射出后進入離子能量分析區。根據阻滯勢分析方法[16]的原理,離子能量分析區的阻滯柵網掃描電壓U隨時間變化,只有能量大于阻滯柵網掃描電位電勢能的離子才能夠穿過阻滯柵網,穿過阻滯柵網的離子電流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。

假設衛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,則對于第i種中性氣體電離后產生的離子,在傳感器軸向方向相對衛星符合一維漂移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衛星的速度;風速Vw等于Vc減去衛星速度Vs在風速方向的投影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星前進方向,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,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種中性氣體的質量。則第i種中性氣體電離產生離子的電流貢獻為[16]：

(2)

(3)

1.3 傳感器技術

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

圖2 星載高層大氣風場原位探測儀原理樣機

1.3.1均勻場離子源設計

均勻場離子源用于產生方向一致、能量單一的電子束,并確保電離區電子束內的電勢趨近于0,以獲取與中性氣體分子相同速度分布的離子。傳統星載大氣探測的電子發射材料多采用絲狀熱陰極[14],電子發射方向難以控制、電離區的滲透電場對后續能量分析的精度影響難以消除,不適合開展速度場的探測,而平面狀的場發射冷陰極電子發射方向較為單一,電離區滲透電場的分布也較為均勻,特別是碳納米管冷陰極發射穩定性好,有效發射面積的選擇較為靈活,研制過程中,電子發射體選擇了清華大學研制的平板型碳納米管冷陰極[17]。

1.3.2均勻場離子源仿真分析

外界初始能量U0的中性氣體分子從與電子發射垂直的方向進入傳感器內部,并在橫穿電離區的電子束內電離,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等于電離區背景電勢與冷陰極發射的電子束的空間電荷產生的電勢、中性氣體電離后離子的空間電荷產生的電勢的疊加。當電離區背景電勢為0時,電子束內的電勢主要由電子流和離子產生,假設電離區內存在一束平行、軸對稱且能量單一、均勻分布的電子,則電子束內的帶電粒子產生的電勢為[18]

(5)

式中:Re是電子束的半徑;Iel是電子束發射電子流或離子流;ke是電子或離子能量;me是電子或離子質量;Ra是電離區的半高;r是中性氣體電離的位置與電離區中心線的距離。根據式(5)計算電子束與電離區寬度比Re/Ra變化時電子束內空間電荷產生的電勢,結果表明,電子束產生電勢的絕對值與發射電子流強度成正比,與其速度成反比;r越大,電勢的絕對值越小;不同電離位置之間的電勢差僅與r相關;當電子束的寬度接近電離區寬度時,空間電荷產生電勢的絕對值最小,如圖3(b),因此電子束的半徑應與電離區的寬度相當。

圖3 均勻場離子源及冷陰極發射電子的仿真結果

離子流的檢測下限為10-14A。根據美國標準大氣模型1976[15],衛星飛行時傳感器內的動態壓強變化范圍約為10-7～10-3Pa,當電子能量單一時,離子的電離率是一個常數,此時,電離產生的離子流的強度與電子路徑的長度和電子流的強度成正比。調整電離區的長度和電子電流的強度,當電子束內電子電流約為5.0×10-5A時,中性粒子電離后輸出總電流的變化范圍約為10-14～10-8A,電子束內總電勢dU約為0。作為電子發射體的碳納米管冷陰極與電子引出的柵極(鉬柵網)形成了平板二極管,兩者之間的距離為0.2 mm,根據穩定發射的電子流強度可確定其面積、電壓,此外還應考慮路徑中柵網的透過率。

碳納米管冷陰極平板型的基底形成了凸起的等勢線,使得電子束發散,為了使得注入電離區的電子束方向一致,均勻場離子源的電子發射和聚焦部分采用直流電子槍[19]的設計思路,在柵極和陽極之間增加了開圓孔的聚焦電極,形成單光闌的靜電透鏡,該透鏡的焦距與聚焦電極兩側的電場強度差與電壓比成正比,當它的焦點與電子從柵網出射延長線的交點重合時,出射后的電子可在電離區形成平行電子束,電子束流的寬度與電離區相當;陽極和電離區之間增加了使得離子產生區和電子產生區電場分離的接地的雙層屏蔽柵網,避免了電子產生區的高壓電場滲透到電離區,電離區的背景電勢趨近于0。

有限元法多物理場耦合仿真分析軟件COMSOL Multiphysics可開展靜電場分析、場和粒子的相互作用分析,獲得最佳參數。仿真模型的建立主要包括三部分:① 建立靜電場模型;② 建立發射電子流模型;③ 建立離子分布模型。根據傳感器尺寸建立其結構模型,并設置材料屬性和邊界條件,COMSOL根據電極電壓、電子和離子參數計算傳感器內部電場與粒子的屬性參量。如圖3(a),仿真建模時主要使用了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模型,求解電勢因變量的電荷守恒方程,并結合材料定律,獲得傳感器內部電場分布。使用粒子追蹤模塊的帶電粒子追蹤接口建立發射電子流模型和離子分布模型,發射電子流模型假設初始速度約為0的N個電子隨機分布于碳納米管冷陰極表面,離子分布模型假設初始速度為6.5～8.8 km/s、方向垂直于電子束的N個離子隨機分布于電離區,其影響力主要是電場力以及離子和電子與壁面的碰撞力。碰撞力用Monte Carlo法模擬計算;將粒子看作是電勢方程中的點源實現電場和粒子的雙向耦合計算,從而得到電離區內的電勢分布、離子和電子的運動軌跡、離子與電子的屬性參量(能量、位置、速度)等。

碳納米管冷陰極發射電子的仿真結果如圖3(c～f)所示。圖3(c)和(e)給出了均勻場離子源的冷陰極、電子聚焦極、陽極、屏蔽柵網、電離區的電勢分布,電離區的電勢分布范圍為-0.005～0 V,圖中x方向垂直于圖3(a)中電子運動和氣體入射的平面;圖3(d)和(f)給出了電離區內電子束流的分布和電子能量分布曲線,陰極設置為-200 V時,電離區發射電子平均能量為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。仿真結果表明,電離區經過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入電離區,實現了對電子束注形的控制,在電離區離子出口寬度范圍內,電子流量從峰值下降到e-1時的電子束寬度內的電子總量,與電離區經過的總電子數比約為88%,單柵網的透過率約為85%,冷陰極發射電子經過柵極和雙柵網后其透過率約為61%;電離區內的滲入電場分布均勻,且電勢差趨于0 V。

1.3.3速度分析器設計

速度分析器采用多層柵網加收集極的設計,如圖4(a),多層柵網包括了防止內部電場外泄的接地屏蔽柵網,電位在0～22 V之間變化的阻滯柵網,以及防止收集極次級電子逸出的電子屏蔽柵網。阻滯柵網變化的掃描電壓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1.2節,I′的峰值對應的掃描電壓值等于中性粒子沿傳感器軸向相對衛星的整體速度Vc0,其誤差δVc0為

圖4 速度分析器及其收集離子的仿真結果

(6)

根據1.1節的最小探測能力需求,Vc0可取為6.5～8.8 km/s,用1.3.2節中的標準大氣模型計算m, 其最小值約為8.0 kg·kmol-1。按照1.1節探測指標需求的能量范圍設置U的探測范圍。如將電壓步長設置為0.003 V,當電壓步長的誤差遠小于電壓步長,掃描電壓測量值為U0時,Vc0的變化范圍等于U0±0.003 V對應的速度變化范圍。將上述參數代入式(6),分析器在能量篩選時給速度測量引入的誤差δVc0≤5.5 m/s。收集極離子流的電流強度測量范圍為10-14～10-8A、動態范圍107以及電壓步長的精確控制要求,可通過電子學設計,采用微弱電流測量法與高精度掃描放大電路來滿足。

與均勻場離子源的建模方法類似,根據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,即靜電場模型和離子分布模型,并設置材料屬性和邊界條件,離子分布模型假設初始速度為6.5～8.8 km/s、方向平行于分析器主軸的N個氧離子以不同入射方向隨機分布于分析器入口處,其影響力主要是電場力以及離子與壁面的碰撞力,計算速度分析器內部掃描電場、離子的屬性參量與收集極收集的離子總量。如圖4(b)是仿真模擬計算獲得的中心能量為5 eV時,收集極接收到的歸一化的離子總量與掃描電壓的關系曲線。結果表明仿真模擬與1.2.1節的理論公式計算結果一致,利用速度分析器測量的離子流隨掃描電壓的變化值可反演風速和溫度等參量。

2 SSTNWI儀器性能測試與分析

2.1 地面性能測試試驗

目前國內模擬航天器遭遇的軌道中性風環境的地面定標實驗室正在籌建中,本文研制的星載高層大氣風場探測儀原理樣機的性能和指標的初步驗證主要通過對傳感器的兩個關鍵部件,即均勻場離子源和速度分析器分別開展地面測試試驗檢驗其性能,并與仿真計算結果進行比較完成。據此開展誤差分析,綜合考慮影響速度測量精度的誤差項,可獲得整臺儀器的風速測量誤差。

地面實驗室性能測試試驗主要包括測量均勻場離子源冷陰極發射電子的穩定度和電子流強度、電離區電位差,標定速度分析器的能量探測范圍和能量分辨率測試等。

均勻場離子源的冷陰極發射電子的穩定度和電子流強度測試試驗在地面真空系統中開展,如圖5(a)。圖5(b～c)的測試結果表明,電子收集極收集的陰極發射的電子流隨陰極電壓的增大而增加,陰極電壓在-500～-100 V的區間內發射電子流可以實現較為穩定的輸出,電子收集極接收到的電子流的變化范圍為1～110 μA,當陰極電壓穩定于-200.5 V±0.5V時,電子收集極接收到的發射電子流的不穩定性約為10%。

圖5 冷陰極發射電子的性能測試試驗

電離區電場梯度測試的第三方測試在中析研究所完成,其驗證方法為利用靜電場測試儀測試電離區不同位置的電位差,結果表明,電離區靜電場電位差絕對值|δU|<0.005 V,與1.3.2節的仿真結果一致。200～700 km地球大氣平均分子質量范圍為8.0～22 kg·kmol-1,中性粒子沿傳感器軸向相對衛星的整體速度范圍為6.5～8.8 km/s,將δU代入式(6),電子束內電離區電場的不均勻性對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量誤差為2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s。

速度分析器的能量探測范圍、能量分辨率測試主要采用實驗室電子學定標的方法開展。電子學定標的基本方法是給電子學加載標準電流輸入信號,測定儀器的輸出。由于掃描電壓對應了可阻滯離子能量的最大值,通過標定掃描電壓范圍、掃描電壓步長等可計算得到能量探測范圍、能量分辨率,分別對應了風速測量范圍和風速分辨率。掃描電壓范圍標定為0～22 V,則探測粒子的能量覆蓋范圍為0～22 eV,可滿足速度探測的需求;掃描電壓變化步長標定為0.003±0.000 3 V,則對應的能量分辨率為0.003 eV,且滿足電壓步長的誤差遠小于電壓步長的設計需求。速度分析器的掃描電壓范圍和掃描電壓步長的第三方測試在中析研究所完成。在此能量分辨率下,根據200～700 km地球大氣平均分子質量、中性氣體沿傳感器軸向相對衛星整體速度的范圍,參照1.3.3節的計算方法,將上述參數與|δU|=0.003 V代入式(6),可算得速度測量的誤差范圍為2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s。

圖6 速度分析器實驗室電子學測試

2.2 誤差分析

利用式(3)反演風速時,探測誤差的主要影響因素包括:衛星運行速度的測量誤差(ΔV)、衛星姿態測量精度引入的誤差(ΔVθ)、探測器電離源電位差引入的誤差(ΔVn)和高精度速度分析器進行能量篩選時引入的誤差(ΔVg)等。根據誤差的傳遞,風速的綜合標準誤差δ可表達如下:

(7)

式中:衛星運行速度引入的誤差|ΔV|<0.5 m/s;衛星姿態測量精度|Δθ|<0.05°,引入的誤差|ΔVθ|<0.003 m/s。將電離區電場的不均勻性對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量誤差2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s,和速度分析器開展能量篩選時引入速度測量誤差2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s代入式(7),計算得到風速測量綜合誤差的范圍為3.0～11.0 m/s,風速測量的平均綜合誤差1δ(1個標準差)約為7.0 m/s。

3 結 論

針對地球高層稀薄大氣中性風場的精密探測需求,提出了一種基于碳納米管冷陰極電子發射體的新構型的儀器設計方案,提高了衛星軌道中性風速測量的精度,并自主研發了星載高層大氣風場原位探測儀。

仿真分析和地面試驗檢測了電子束能量和分布的均一性、電子產生和離子產生區電場分離的有效性及出射離子的能量分析能力。結果表明,電離區的電子束流方向基本一致、能量變化幅度<5%,電離區離子產生區電子束流內的電勢差<0.005 V,離子和電子產生區的電場分離有效,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,實現了來流方向中性氣體分子能量分布的高精度測量。

利用反演算法,可獲取航天器軌道的風速和溫度等參數,計算結果顯示,風速測量的平均綜合誤差1δ約為7.0 m/s。當平均風速為100 m/s時,風速測量誤差小于10%,中性風速測不準引起的軌道預報誤差可下降到優于1.0%,載荷具備了開展高層大氣中性風精密測量的能力。

星載高層大氣風場原位探測儀原理樣機是中國首個具備較高精度測量高層大氣風速功能的儀器,風速探測精度高于C/NOFS搭載的軌道風傳感器(Ram wind sensor)的60 m/s[11];此外,探測儀采用了小型化緊湊型的設計,傳感器質量僅為500 g,未來可作為低軌微小衛星的主載荷之一,獲取地球高層大氣與電離層動力學研究的大氣參數,并用于低軌航天器精密軌道預報。星載高層大氣風場原位探測技術的發展也為開展行星磁層-電離層-大氣層耦合等科學研究提供了重要的技術儲備,有望應用于火星等地外行星及地球衛星的大氣探測任務。