星载高层大气风场原位探测技术与测试分析

王馨悦，杜 丹，张爱兵，刘 超，孔令高，田 峥，郑香脂

(1. 中国科学院国家空间科学中心，北京100190；2. 天基空间环境探测北京市重点实验室，北京 100190；3. 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室，北京 100190；4. 中国科学院大学，北京 100190；5. 中国气象局空间天气重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心)，北京 100081)

0 引 言

高层大气是研究行星空间环境和行星演化的关键区域之一。高层大气风场是研究高层大气动力学、电离层动力学的重要大气参数,在行星磁层-电离层-行星大气耦合中发挥重要作用[1-3]。地球高层大气是低轨卫星的主要运行区域,当前关于影响轨道衰减的自然要素的相关研究主要集中于对大气密度的探测和模拟[4-9],而高层大气风产生的曳力也是影响精密轨道预报和卫星寿命的不可或缺的自然要素之一。空间环境扰动期间中性风速可能从几十米每秒上升到上千米每秒。当风速为100 m/s左右时,将给精密定轨预报引入约为5%的误差,而磁暴时风速如达到 1 000 m/s左右,将使得精密轨道预报的误差高达25%[7]。高精度的高层大气风场参量测量对于研究行星磁层-电离层-行星大气耦合,以及卫星精密轨道预报具有重要意义。

高层大气风场原位探测技术是开展地球中高层大气及地外行星如火星、金星等大气研究的有效探测手段。利用原位探测技术可获取全球、全时段、长时间覆盖、不同卫星轨道高度的高层大气风场参量。国际上已应用于天基探测任务的热层风场原位探测技术包括了CHAMP和GRACE等卫星利用加速度计的数据计算轨道风速的间接探测方法[10]和DE-2、C/NOFS等利用中性气体电离法获取轨道风速的直接探测方法[11-13]。中国星载高层大气风场探测目前仍属空白。

高层大气中性风场探测的根本目的是获得高精度的风场原位探测数据。由于高层大气中性气体稀薄,星载原位探测高层大气风速不能用传统动量交换的方式直接测量。如采用测量大气阻力摄动力加速度反演大气风速的动力学反演方法,其反演精度将受到引入的行星大气密度模型、重力场模型等的精度和卫星形态质量等的制约。中性气体电离法可通过直接测量中性气体分子电离后离子的分布反演其中心速度(风速)和温度等参量,不受外加模型或卫星自身条件的影响,有望实现高时空分辨率、高精度的风速测量。通常认为高层大气风速的范围约为±1 000 m/s,但200～400 km高度风速的平均值多分布于100 m/s以下[11-13],远低于低轨航天器运行速度7.8 km/s;热层温度变化在500～2 000 K之间,中性粒子的热速度可能大于或与风速相当;考虑到需将气体电离后测量离子的速度分布代替气体分子的分布,采用中性气体电离法时,不仅要确保电离前后离子与中性气体分子速度分布的一致性,还需要具备较高的速度分辨率及测量精度。

针对上述问题,本文创新性地采用平板型碳纳米管冷阴极作为电子发射体代替传统的星载原位大气探测时采用的热阴极[14],根据碳纳米管冷阴极的性能与几何特征,设计了以直流电子枪为结构基础的均匀场离子源,在其栅极和阳极间增加了聚焦极,并设计了双层屏蔽栅网,实现了离子和电子产生区有效的电场分离、出射电子束的能量单一且方向一致,结合基于阻滞势分析法获取离子参量的速度分析器,自主研发了星载高层大气风场原位探测仪(Satellite-borne in-situ thermospheric neutral wind ins-trument, SSTNWI),并开展了仿真计算和测试分析。

1 星载高层大气风场探测仪的原理与设计

1.1 探测指标需求

磁暴时,200～700 km地球大气风速最大值可达1 000 m/s,因此,风速探测范围应覆盖-1 000～1 000 m/s;地球低轨卫星通常运行于200～700 km高度之间,其速度约为7.5～7.8 km/s,据此,中性气体沿传感器轴线相对卫星速度的最小探测能力应为6.5～8.8 km/s,考虑到上述高度地球大气的中性成分主要包括氧、氮、氦等,其动能范围约为1～13 eV,再结合待测中性气体分子的温度在热层可达上千开尔文,以及可能存在的极端情况,探测粒子的能量范围可设置为0～22 eV。此外,200～700 km高度范围内的大气稀薄,大气压力范围约为10-9～10-4Pa[15],测量时中性气体分子的电离比例须超过检测下限。考虑到平静时热层风速约为0～150 m/s,测量时中性风速的误差应达到≤10 m/s。

1.2 工作原理与反演方法

星载高层大气风场原位探测仪通过测量来流方向中性气体分子的能量分布反演其中心速度(风速)、温度和数密度等物理量。自然大气中的中性气体分子(原子)以航天器在轨运行速度和中性风速的合成速度经过准直后进入电离区,被电子发射体发射的垂直于来流方向的能量电子束流电离,产生的离子保持中性气体入射分布状态射出后进入离子能量分析区。根据阻滞势分析方法[16]的原理,离子能量分析区的阻滞栅网扫描电压U随时间变化,只有能量大于阻滞栅网扫描电位电势能的离子才能够穿过阻滞栅网,穿过阻滞栅网的离子电流I被离子收集极收集,从而得到I随U变化的伏安特性曲线,如图1所示。

假设卫星遭遇的中性大气符合Maxwell分布,且中性气体被电子电离后依然保持初始的速度分布状态,则对于第i种中性气体电离后产生的离子,在传感器轴向方向相对卫星符合一维漂移Maxwell分布:

(1)

式中:Vi为中性气体速度;Vc为中性粒子沿传感器轴向整体相对卫星的速度;风速Vw等于Vc减去卫星速度Vs在风速方向的投影Vsθ,即Vw=Vc-Vsθ,Vsθ=Vscosθ,θ是Vs与传感器轴线的夹角,由于传感器的轴线通常指向卫星前进方向,因此θ也代表了航天器的攻角;Vm为热速度,Vm=(2kTi/mi)1/2;k为玻尔兹曼常数,k=1.38×10-23J·K-1;Ti为第i种中性气体分子的温度;mi为第i种中性气体的质量。则第i种中性气体电离产生离子的电流贡献为[16]：

(2)

(3)

1.3 传感器技术

星载高层大气风场原位探测仪主要包括传感器和电子学箱两部分。传感器主要用于将中性气体电离后分析其能量分布,电子学箱处理和分析输出信号。传感器主要由均匀场离子源和速度分析器两部分组成,其中,均匀场离子源发射电子,使得中性气体在电离区电离;速度分析器对从离子源出射的离子进行能量筛选、离子收集和分析,其收集采用了测量带电粒子入射电流的法拉第杯。图2为星载高层大气风场探测仪传感器原理样机。

图2 星载高层大气风场原位探测仪原理样机

1.3.1均匀场离子源设计

均匀场离子源用于产生方向一致、能量单一的电子束,并确保电离区电子束内的电势趋近于0,以获取与中性气体分子相同速度分布的离子。传统星载大气探测的电子发射材料多采用丝状热阴极[14],电子发射方向难以控制、电离区的渗透电场对后续能量分析的精度影响难以消除,不适合开展速度场的探测,而平面状的场发射冷阴极电子发射方向较为单一,电离区渗透电场的分布也较为均匀,特别是碳纳米管冷阴极发射稳定性好,有效发射面积的选择较为灵活,研制过程中,电子发射体选择了清华大学研制的平板型碳纳米管冷阴极[17]。

1.3.2均匀场离子源仿真分析

外界初始能量U0的中性气体分子从与电子发射垂直的方向进入传感器内部,并在横穿电离区的电子束内电离,如电离的位置距离出口为di,则电离后离子的能量

Ui=U0+dU

(4)

式中:dU等于电离区背景电势与冷阴极发射的电子束的空间电荷产生的电势、中性气体电离后离子的空间电荷产生的电势的叠加。当电离区背景电势为0时,电子束内的电势主要由电子流和离子产生,假设电离区内存在一束平行、轴对称且能量单一、均匀分布的电子,则电子束内的带电粒子产生的电势为[18]

(5)

式中:Re是电子束的半径;Iel是电子束发射电子流或离子流;ke是电子或离子能量;me是电子或离子质量;Ra是电离区的半高;r是中性气体电离的位置与电离区中心线的距离。根据式(5)计算电子束与电离区宽度比Re/Ra变化时电子束内空间电荷产生的电势,结果表明,电子束产生电势的绝对值与发射电子流强度成正比,与其速度成反比;r越大,电势的绝对值越小;不同电离位置之间的电势差仅与r相关;当电子束的宽度接近电离区宽度时,空间电荷产生电势的绝对值最小,如图3(b),因此电子束的半径应与电离区的宽度相当。

图3 均匀场离子源及冷阴极发射电子的仿真结果

离子流的检测下限为10-14A。根据美国标准大气模型1976[15],卫星飞行时传感器内的动态压强变化范围约为10-7～10-3Pa,当电子能量单一时,离子的电离率是一个常数,此时,电离产生的离子流的强度与电子路径的长度和电子流的强度成正比。调整电离区的长度和电子电流的强度,当电子束内电子电流约为5.0×10-5A时,中性粒子电离后输出总电流的变化范围约为10-14～10-8A,电子束内总电势dU约为0。作为电子发射体的碳纳米管冷阴极与电子引出的栅极(钼栅网)形成了平板二极管,两者之间的距离为0.2 mm,根据稳定发射的电子流强度可确定其面积、电压,此外还应考虑路径中栅网的透过率。

碳纳米管冷阴极平板型的基底形成了凸起的等势线,使得电子束发散,为了使得注入电离区的电子束方向一致,均匀场离子源的电子发射和聚焦部分采用直流电子枪[19]的设计思路,在栅极和阳极之间增加了开圆孔的聚焦电极,形成单光阑的静电透镜,该透镜的焦距与聚焦电极两侧的电场强度差与电压比成正比,当它的焦点与电子从栅网出射延长线的交点重合时,出射后的电子可在电离区形成平行电子束,电子束流的宽度与电离区相当;阳极和电离区之间增加了使得离子产生区和电子产生区电场分离的接地的双层屏蔽栅网,避免了电子产生区的高压电场渗透到电离区,电离区的背景电势趋近于0。

有限元法多物理场耦合仿真分析软件COMSOL Multiphysics可开展静电场分析、场和粒子的相互作用分析,获得最佳参数。仿真模型的建立主要包括三部分:① 建立静电场模型;② 建立发射电子流模型;③ 建立离子分布模型。根据传感器尺寸建立其结构模型,并设置材料属性和边界条件,COMSOL根据电极电压、电子和离子参数计算传感器内部电场与粒子的属性参量。如图3(a),仿真建模时主要使用了COMSOL基于Maxwell方程的AC/DC模块与粒子追踪模块。使用AC/DC模块的静电接口建立静电场模型,求解电势因变量的电荷守恒方程,并结合材料定律,获得传感器内部电场分布。使用粒子追踪模块的带电粒子追踪接口建立发射电子流模型和离子分布模型,发射电子流模型假设初始速度约为0的N个电子随机分布于碳纳米管冷阴极表面,离子分布模型假设初始速度为6.5～8.8 km/s、方向垂直于电子束的N个离子随机分布于电离区,其影响力主要是电场力以及离子和电子与壁面的碰撞力。碰撞力用Monte Carlo法模拟计算;将粒子看作是电势方程中的点源实现电场和粒子的双向耦合计算,从而得到电离区内的电势分布、离子和电子的运动轨迹、离子与电子的属性参量(能量、位置、速度)等。

碳纳米管冷阴极发射电子的仿真结果如图3(c～f)所示。图3(c)和(e)给出了均匀场离子源的冷阴极、电子聚焦极、阳极、屏蔽栅网、电离区的电势分布,电离区的电势分布范围为-0.005～0 V,图中x方向垂直于图3(a)中电子运动和气体入射的平面;图3(d)和(f)给出了电离区内电子束流的分布和电子能量分布曲线,阴极设置为-200 V时,电离区发射电子平均能量为197.6 eV,能量分布为193.6～199.6 eV,变化幅度<5%,电子束流的主要部分较为均匀地分布于20 mm的范围内。仿真结果表明,电离区经过的电子能量分布具有较好的一致性;电子以近平行的方向进入电离区,实现了对电子束注形的控制,在电离区离子出口宽度范围内,电子流量从峰值下降到e-1时的电子束宽度内的电子总量,与电离区经过的总电子数比约为88%,单栅网的透过率约为85%,冷阴极发射电子经过栅极和双栅网后其透过率约为61%;电离区内的渗入电场分布均匀,且电势差趋于0 V。

1.3.3速度分析器设计

速度分析器采用多层栅网加收集极的设计,如图4(a),多层栅网包括了防止内部电场外泄的接地屏蔽栅网,电位在0～22 V之间变化的阻滞栅网,以及防止收集极次级电子逸出的电子屏蔽栅网。阻滞栅网变化的扫描电压U和收集极收集到的电流I即为I随U变化的伏安特性曲线。根据1.2节,I′的峰值对应的扫描电压值等于中性粒子沿传感器轴向相对卫星的整体速度Vc0,其误差δVc0为

图4 速度分析器及其收集离子的仿真结果

(6)

根据1.1节的最小探测能力需求,Vc0可取为6.5～8.8 km/s,用1.3.2节中的标准大气模型计算m, 其最小值约为8.0 kg·kmol-1。按照1.1节探测指标需求的能量范围设置U的探测范围。如将电压步长设置为0.003 V,当电压步长的误差远小于电压步长,扫描电压测量值为U0时,Vc0的变化范围等于U0±0.003 V对应的速度变化范围。将上述参数代入式(6),分析器在能量筛选时给速度测量引入的误差δVc0≤5.5 m/s。收集极离子流的电流强度测量范围为10-14～10-8A、动态范围107以及电压步长的精确控制要求,可通过电子学设计,采用微弱电流测量法与高精度扫描放大电路来满足。

与均匀场离子源的建模方法类似,根据速度分析器的尺寸和电极电压,利用COMSOL软件AC/DC模块的静电场接口与粒子追踪模块的带电粒子追踪接口,建立速度分析器的仿真模型,即静电场模型和离子分布模型,并设置材料属性和边界条件,离子分布模型假设初始速度为6.5～8.8 km/s、方向平行于分析器主轴的N个氧离子以不同入射方向随机分布于分析器入口处,其影响力主要是电场力以及离子与壁面的碰撞力,计算速度分析器内部扫描电场、离子的属性参量与收集极收集的离子总量。如图4(b)是仿真模拟计算获得的中心能量为5 eV时,收集极接收到的归一化的离子总量与扫描电压的关系曲线。结果表明仿真模拟与1.2.1节的理论公式计算结果一致,利用速度分析器测量的离子流随扫描电压的变化值可反演风速和温度等参量。

2 SSTNWI仪器性能测试与分析

2.1 地面性能测试试验

目前国内模拟航天器遭遇的轨道中性风环境的地面定标实验室正在筹建中,本文研制的星载高层大气风场探测仪原理样机的性能和指标的初步验证主要通过对传感器的两个关键部件,即均匀场离子源和速度分析器分别开展地面测试试验检验其性能,并与仿真计算结果进行比较完成。据此开展误差分析,综合考虑影响速度测量精度的误差项,可获得整台仪器的风速测量误差。

地面实验室性能测试试验主要包括测量均匀场离子源冷阴极发射电子的稳定度和电子流强度、电离区电位差,标定速度分析器的能量探测范围和能量分辨率测试等。

均匀场离子源的冷阴极发射电子的稳定度和电子流强度测试试验在地面真空系统中开展,如图5(a)。图5(b～c)的测试结果表明,电子收集极收集的阴极发射的电子流随阴极电压的增大而增加,阴极电压在-500～-100 V的区间内发射电子流可以实现较为稳定的输出,电子收集极接收到的电子流的变化范围为1～110 μA,当阴极电压稳定于-200.5 V±0.5V时,电子收集极接收到的发射电子流的不稳定性约为10%。

图5 冷阴极发射电子的性能测试试验

电离区电场梯度测试的第三方测试在中析研究所完成,其验证方法为利用静电场测试仪测试电离区不同位置的电位差,结果表明,电离区静电场电位差绝对值|δU|<0.005 V,与1.3.2节的仿真结果一致。200～700 km地球大气平均分子质量范围为8.0～22 kg·kmol-1,中性粒子沿传感器轴向相对卫星的整体速度范围为6.5～8.8 km/s,将δU代入式(6),电子束内电离区电场的不均匀性对电离后中性气体能量分布改变引入的中性大气粒子的速度测量误差为2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s。

速度分析器的能量探测范围、能量分辨率测试主要采用实验室电子学定标的方法开展。电子学定标的基本方法是给电子学加载标准电流输入信号,测定仪器的输出。由于扫描电压对应了可阻滞离子能量的最大值,通过标定扫描电压范围、扫描电压步长等可计算得到能量探测范围、能量分辨率,分别对应了风速测量范围和风速分辨率。扫描电压范围标定为0～22 V,则探测粒子的能量覆盖范围为0～22 eV,可满足速度探测的需求;扫描电压变化步长标定为0.003±0.000 3 V,则对应的能量分辨率为0.003 eV,且满足电压步长的误差远小于电压步长的设计需求。速度分析器的扫描电压范围和扫描电压步长的第三方测试在中析研究所完成。在此能量分辨率下,根据200～700 km地球大气平均分子质量、中性气体沿传感器轴向相对卫星整体速度的范围,参照1.3.3节的计算方法,将上述参数与|δU|=0.003 V代入式(6),可算得速度测量的误差范围为2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s。

图6 速度分析器实验室电子学测试

2.2 误差分析

利用式(3)反演风速时,探测误差的主要影响因素包括:卫星运行速度的测量误差(ΔV)、卫星姿态测量精度引入的误差(ΔVθ)、探测器电离源电位差引入的误差(ΔVn)和高精度速度分析器进行能量筛选时引入的误差(ΔVg)等。根据误差的传递,风速的综合标准误差δ可表达如下:

(7)

式中:卫星运行速度引入的误差|ΔV|<0.5 m/s;卫星姿态测量精度|Δθ|<0.05°,引入的误差|ΔVθ|<0.003 m/s。将电离区电场的不均匀性对电离后中性气体能量分布改变引入的中性大气粒子的速度测量误差2.5 m/s<|ΔVn|<8.8 m/s,和速度分析器开展能量筛选时引入速度测量误差2 m/s<|ΔVg|<5.5 m/s代入式(7),计算得到风速测量综合误差的范围为3.0～11.0 m/s,风速测量的平均综合误差1δ(1个标准差)约为7.0 m/s。

3 结 论

针对地球高层稀薄大气中性风场的精密探测需求,提出了一种基于碳纳米管冷阴极电子发射体的新构型的仪器设计方案,提高了卫星轨道中性风速测量的精度,并自主研发了星载高层大气风场原位探测仪。

仿真分析和地面试验检测了电子束能量和分布的均一性、电子产生和离子产生区电场分离的有效性及出射离子的能量分析能力。结果表明,电离区的电子束流方向基本一致、能量变化幅度<5%,电离区离子产生区电子束流内的电势差<0.005 V,离子和电子产生区的电场分离有效,确保了中性气体电离前后速度分布的一致性;可测离子的能量分布覆盖范围为0～22 eV,能量分辨率为0.003 eV,实现了来流方向中性气体分子能量分布的高精度测量。

利用反演算法,可获取航天器轨道的风速和温度等参数,计算结果显示,风速测量的平均综合误差1δ约为7.0 m/s。当平均风速为100 m/s时,风速测量误差小于10%,中性风速测不准引起的轨道预报误差可下降到优于1.0%,载荷具备了开展高层大气中性风精密测量的能力。

星载高层大气风场原位探测仪原理样机是中国首个具备较高精度测量高层大气风速功能的仪器,风速探测精度高于C/NOFS搭载的轨道风传感器(Ram wind sensor)的60 m/s[11];此外,探测仪采用了小型化紧凑型的设计,传感器质量仅为500 g,未来可作为低轨微小卫星的主载荷之一,获取地球高层大气与电离层动力学研究的大气参数,并用于低轨航天器精密轨道预报。星载高层大气风场原位探测技术的发展也为开展行星磁层-电离层-大气层耦合等科学研究提供了重要的技术储备,有望应用于火星等地外行星及地球卫星的大气探测任务。