实验室研究等离子体鞘套测量方法和干预技术

余鹏程 刘宇，2，3* 雷久侯，2，3 曹金祥

（1.中国科学技术大学地球和空间科学学院 深空探测实验室, 合肥 230026；2.比较行星学卓越创新中心 中科院近地空间环境重点实验室 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站, 合肥 230026；3.中国科学技术大学 宇航科学与技术协同创新中心, 合肥 230026）

0 引 言

航天飞行器再入空间大气层时，由于激波加热和热化学防护材料的烧蚀等原因会在飞行器表面形成致密的等离子体鞘套。鞘套的形成会导致无线电通信信号中断，使得载人风险成倍增加，因此，减轻和消除黑障对航天测控至关重要[1-2]。想要减轻和消除黑障，首先要了解黑障中等离子体的电子密度等参数信息，即等离子体诊断。目前，常用的空间等离子体诊断主要可以分为主动式和被动式两大类。主动式诊断是通过人为地对等离子体施加某种信号引起响应，从而根据响应信号来推算等离子体的相关参数信息；而被动式诊断主要通过等离子体自身发出的电磁波、光谱等信号等进行参数诊断[3-4]。主动式朗缪尔探针由于体积小、空间分辨率高且诊断参数范围广等优势被广泛用于各类空间等离子体探测实验，例如：热灯丝等离子体放电、电感耦合等离子体放电、热核聚变和空间探测等[5-7]。在20世纪60年代末，美国针对等离子体鞘套开展过一系列大型实验。其中比较著名的有：美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)实验室的Fire项目和美国空军(United States Air Force，USAF)实验室的ASSET项目，实验主要针对再入飞行器热辐射和传导率的测量，进行再入空气动力学、热动力学和黑障的相关研究。其中规模最大的为RAM飞行计划，该计划一共成功进行了7次飞行实验[8-10]。在第二次和第三次的飞行实验中，传统朗缪尔柱探针阵列被安装在航天器侧翼鳍状的金属板上进行等离子体鞘套的相关参数诊断。但在距离地表60 km 处，传统朗缪尔探针由于电极裸露，极易因高温流场烧蚀引起飞行器的气动不稳定。因此，对于早期可见文献的传统朗缪尔探针再入等离子体鞘套诊断，仍然无法获得 60 km以下的鞘套物理信息。

受限于鞘套等离子体高密度、热烧蚀和强碰撞等特性，传统朗缪尔探针极易被高温流场烧蚀绝缘而损坏，且伸出的探针电极会对飞行器的气动安全造成严重干扰。为了解决这一问题，本文提出一种新型复合式静电-微波探针，该探针的电极表面与飞行器表面相齐平，可以很好地解决传统朗缪尔探针电极裸露的问题，实现高温流场的长时间有效探测。复合探针主要包括平装探针和微波截止探针两大部分，平装探针可以有效探测所在位置的等离子体电子密度信息[11-12]，微波截止探针则可以有效探测距离探针表面一定区域的等离子体电子密度。两种探针既可以相互独立工作、互不干扰，又相互验证。同时进一步在地面模拟空间等离子体装置中完成复合探针的数据采集、理论修正和实验验证。结果表明，复合探针所得结果与其他设备相比具有很好的一致性。这些结果都可充分说明复合探针的可靠性和有效性，为鞘套等离子体提供了一种有效的探测技术手段。其次，通过探究化学物质释放主动干预等离子体电子密度，研究发现亲电子物质释放可以有效地降低等离子体中的电子密度，并且释放物质的不同、释放量的不同都会造成电子密度变化的不同[13]。20世纪，化学物质释放主要集中于航天器尾焰对空间电离层空洞的影响[14]，后期研究者们通过尺度化缩放原则，在地面模拟空间等离子体实验装置中进一步深入研究化学物质释放对空间电离层的影响[15]。过去几十年里，我国也逐步开展了对化学物质释放的相关实验研究，并取得了一定的成果[16-18]，赵海生等人研究了基于化学物质释放的电离层闪烁抑制方法[16]；胡耀垓等人研究了不同释放高度的化学物质对电离层的扰动特性[18]，较为系统全面地研究了化学物质释放对空间电离层等子体电子密度的影响。经过研究者们的不断深入研究，目前化学物质释放在静态和流场等离子体中技术均已趋向于成熟[19]。通过地面模拟空间等离子体装置，可以探究不同组分、不同释放量对电子密度的影响，从而达到恢复通信的目的。

1 探针理论模型

由于真实的空间飞行环境气体压强较大，因此，还需要进一步考虑气压环境对探针数据采集的影响。基于此，首先针对10～100 Pa进行探针测试采集实验。通过计算发现在该等离子体环境下，离子和中性粒子碰撞的平均自由程为0.029～0.23 mm，远小于鞘层厚度0.35～1.5 mm。因此，等离子体极易在鞘层内部发生碰撞，损失能量，无法到达探针电极端部而被收集，使得电子密度数据偏小。故而需要发展理论解算模型，对探针采集数据进行相关修正。首先从无碰撞等离子体双探针公式出发[20-21]：

式中：Ii为探针的离子饱和流；As为探针的电极表面积；e为电子电荷量；ns为等离子体密度；cs为玻姆速度。在麦氏分布下，ns/n0=exp(-1/2)=0.6，其中n0为未扰动的等离子体电子密度。

在碰撞环境下通过流体模型、离子连续流方程、泊松方程和运动方程：

以及等离子体方程、边界条件和鞘层参数，进一步解算出玻姆速度修正公式为

式(2)～(5)中：x为鞘层边界区域和探针之间的距离；ni为离子密度；νi为离子速度；ϕ为等离子体电势；ne为电子密度；mi为离子重量；Fc为离子在鞘层中的拖曳力；ν0为修正后的离子玻姆速度；α=λD/λi，其中λD为德拜长度，λi为离子平均自由程。

最终可以得出双平装探针修正离子流表达式为

式中：c和b为碰撞环境下的修正因子；VD为两探针之间的电压差；Te为等离子体有效电子温度。

朗缪尔柱探针的理论由于发展较早，目前已经趋于成熟，本文采用经典朗缪尔柱探针饱和电子流公式进行计算，即

式中：Ap为探针的表面积；me为电子质量。

微波截止探针是一种用于测量等离子体电子密度的仪器[22-23]。当宽频微波信号传播到等离子体中时，如果传播频率高于等离子体的截止频率，信号将被吸收和反射，而低于截止频率的信号将透过等离子体。因此，通过测量微波信号的功率变化，可以确定等离子体的电子密度。

图1为微波截止探针的工作原理图。探针使用特制的微带天线向等离子体中发射宽频电磁波，电磁波进入等离子体后被反射，再回到微带天线被接收。通过分析射频信号经过等离子体后的振幅变化，来判断等离子体的截止频率。对于不均匀等离子体，可以通过发射不同频率的微波信号进而得出“微波天线”正前方不同区域(1，2，3，4，5)的各“点”电子密度参数，各“点”参数连成一起就成了“线”。在等离子体中，我们使用聚四氟覆盖微带天线防止等离子体轰击天线表面而损坏天线。

图1 微波截止探针工作原理图Fig.1 Work principle of the microwave probe

微波截止探针的理论计算公式为

实验中的矢量网络仪可以测量和接收到不同频率电磁波的强度，当我们在频率振幅图像上看到在某个频率下等离子体的反射波振幅和在真空条件下相同时，此频率即为截止频率。

2 实验装置

本次实验在我们自主建设的中科大空间等离子体实验装置(KSPEX)中进行[24-25]，如图2所示。

图2 KSPEX实验装置图Fig.2 KSPEX experimental device setup

装置的直径为0.5 m，整体长度7.5 m。左侧设有等离子体源，主要用于源区等离子体的产生。实验中采用热阴极等离子体，主要原理是对20根直径0.2 mm、长度10 cm的钨丝供给能量产生种子电子，然后进一步被70 V栅网偏压加速撞击中性气体，产生雪崩效应，形成大面积、较高密度的等离子体实验环境。本实验中放电本底气压为10-4Pa 量级，放电气体为纯氩气，气压为0.4～100 Pa，放电电流为3～8 A。诊断系统采用直径0.2 mm、长度10 mm朗缪尔柱探针进行数据比对，双平装探针直径为4 mm。探针电路置于屏蔽盒中，不仅精确度较高，而且可以很好地屏蔽电场和磁场的干扰。

化学物质释放源区采用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)，由嵌入腔内的铜线圈、13.56 MHz的射频功率源和自动匹配网络三大部分组成。实验中采用朗缪尔单探针(直径0.2 mm，长度8.9 mm)进行数据采集。探针系统放置在二维可移动探针支架上，该支架由步进电机驱动。通过步进电机，单探针可以在z轴的50 mm到150 mm之间变化(150 mm为真空室的中心)，在真空室R轴的0 ～ 180 mm范围内变化(0 mm为真空室中心)。实验中的放电气体为氩气，采用质量流量计控制气体通入量为100 ml/min，产生的气体压强为0.41 Pa，六氟化硫(SF6)气体用另一个流量计控制通入量为10 ml/min，10%的比例是相对于氩气通入量。

3 实验结果和讨论

3.1 双平装探针诊断比对实验

实验中装置的本底真空压强为10-4Pa，放电气压为0.4～100 Pa，对应碰撞频率为440 kHz～3.96 MHz。实验中腔体放电电流为3～8 A，对应的等离子体电子密度为1.01×1010～1.12×1011cm-3，双平装探针和朗缪尔柱探针的三角波扫描偏压范围为-35

图3为固定等离子体放电气压50 Pa不变，通过改变等离子体电子密度进行探针数据采集比对实验结果。图中黑色实心正方形为双平装探针离子流公式(6)修正后的数据(ni1DFP)，红色实心圆形为朗缪尔柱探针电子流公式(7)所测结果(neSP)，蓝色实心三角形为双平装探针采用经典理论离子流公式(1)计算所得数据(niDFP)。首先，每组数据 6个周期，每个周期276个数据点进行平均计算电子密度，然后得到相对平方差。从图3可以清晰地看出双平装探针采用经典理论公式处理结果与其他探针相差甚大，这是由于随着放电气体压强的升高，等离子体很容易在鞘层中发生碰撞导致能量损失，无法到达探针电极而被采集得到，从而过低地估计了等离子体中的电子密度。通过理论修正后的双平装探针与朗缪尔柱探针所得结果不仅趋势一致，并且误差(<17%)也在可以接受的范围内。这些结果都充分证明了双平装探针和理论计算模型的可靠性和有效性。

图3 不同压强环境下的数据比对实验Fig.3 Data comparison experiments under different pressure environments

3.2 微波探针测试实验

在完成平装探针的数据采集和比对实验后，我们又进一步在相同等离子体实验环境下对微波截止探针进行数据采集实验。实验中微波截止探针向外发射宽频带的微波信号，当微波信号频率小于或等于等离子体电子密度对应的频率时，信号会发生截止抬升。理论和实验上来看截止信号会上升到与原始信号相同的高度。探针后端采用矢量网络分析仪S11通道来进行数据的采集和接收。

从图4可以清晰地看出，当入射微波信号的频率小于等离子体电子密度频率时，信号发生了明显的“截止”。通过截止点的频率，可以很容易得出等离子体的电子密度。为了进一步确定截止点距离微波截止探针所在的位置，我们又进一步采用矢量网络分析仪的时间门技术，通过微波信号到达截止点的时间反演出被测点距离探针表面的距离。

图4 固定放电功率下微波天线数据图Fig.4 Microwave antenna data diagram with fixed discharge frequency

图5矢量网络分析仪得到的峰值距参考峰值为2.25 cm。可以认为，在天线表面2.25 cm处有足够高密度的等离子体把天线的信号截止。这些数据说明复合探针不仅可以有效探测探针所在位置的等离子体电子密度参数信息，还可以得出距离天线表面“线”上密度的参数信息，从而形成由“点”到“线”的全面探测。

图5 固定放电功率下时间门数据图Fig.5 Time gate data diagram with fixed discharge frequency

3.3 化学物质释放实验

化学物质释放所得实验结果如图6所示，固定等离子体放电气压为0.4 Pa，整体ICP放电功率为300 W不变，改变不同z轴位置的情况下，探针测得等离子体电子饱和流的二维分布结果[26]。从图6可以清晰地看出，化学物质释放前，等离子体的电子密度范围为6×109～9.7×1010cm-3；在径向位置会经历一个先增大后减小的过程，即在距离中心50 mm的位置等离子体电子密度达到最高而后降低。通过10%的SF6释放后，腔体内不同区域的等离子体电子密度虽然趋势与之前相同但总体均有明显下降，从6.6×1010cm-3下降到3×109cm-3，相对于化学物质释放前下降了约32%。这是由于在等离子体放电成功后，腔体中会含有高密度的电子和离子，SF6释放后会发生化学反应进而吸附等离子体中的电子，如下所示：

图6 释放前后电子密度演化图[26]Fig.6 Evolution of electron density before and after release[26]

通过以上的反应方程式和反应速率可以看出，亲电子物质释放可以有效地降低等离子体区域的电子密度。

4 结 论

本文针对高温流场等离子体环境发展了新型静电-微波复合式探针就位探测技术和亲电子物质释放主动干预研究。首先针对高温烧蚀难点，发展新型探针技术，有效地将平装探针和微波截止探针优势充分结合起来，形成由“点”到“线”的全面探测；其次，针对强碰撞等离子体实验环境发展探针理论修正模型，所得结果与其他探测设备比对具有很好的一致性；最后，通过释放亲电子物质有效地降低了电子密度。本文为黑障鞘套区域的实时诊断难点和通信恢复提供了有效的技术手段，最终服务于国家航天航空部门。