劉祥群 劉宇2)3)? 凌藝銘 雷久侯2)3) 曹金祥 李瑾 鐘育民 諶明 李艷華

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,中國(guó)科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

2) (中國(guó)科學(xué)院,比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心,合肥 230026)

3) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),行星探索與前瞻性技術(shù)前沿科學(xué)中心,合肥 230026)

4) (北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

5) (北京遙測(cè)技術(shù)研究所,北京 100076)

航天器從近地空間進(jìn)入大氣層過(guò)程中,由于激波加熱,會(huì)在航天器外表面形成等離子體鞘套,導(dǎo)致航天器與地面之間的無(wú)線電通信中斷,即“黑障”效應(yīng).為了緩解“黑障”效應(yīng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的技術(shù)研究,其中化學(xué)物質(zhì)釋放被認(rèn)為是一種有效的方法.以往,主要針對(duì)鹵族元素和水開展理論和實(shí)飛研究.本文基于二氧化碳不易在高溫流場(chǎng)中發(fā)生裂解的特性,利用電弧和高頻風(fēng)洞產(chǎn)生等離子體流場(chǎng),主動(dòng)釋放二氧化碳降低等離子體電子密度.結(jié)果表明,在風(fēng)洞等離子體中,釋放不同流量的二氧化碳可使電子密度下降1—2 個(gè)量級(jí),為解決再入過(guò)程中黑障問(wèn)題提供了一種可行方法.

1 引言

航天器從近地空間進(jìn)入到大氣層時(shí),由于表面的激波壓縮和大氣粘著,導(dǎo)致飛行器表面溫度和壓強(qiáng)急速升高,從而離解、電離飛行器表面氣體,在飛行器表面包裹一層致密的等離子體,即等離子體鞘套[1].這種鞘套內(nèi)的等離子體電子密度通常能夠達(dá)到、甚至超過(guò)1013cm-3,對(duì)應(yīng)的等離子體頻率可高達(dá)30 GHz,遠(yuǎn)超出了當(dāng)前遙測(cè)S,C,X 等常見頻段的覆蓋范圍[2,3].常規(guī)遙測(cè)信號(hào)在穿透鞘套的過(guò)程中能量會(huì)被吸收、散射和反射,從而導(dǎo)致信號(hào)中斷,形成“黑障”效應(yīng)[4,5].神舟飛船返回過(guò)程中,黑障效應(yīng)造成地面遙測(cè)信號(hào)中斷數(shù)分鐘,極大威脅飛行器及航天員安全.因此開展降低鞘套等離子體電子密度,緩解黑障效應(yīng)的研究具有重要應(yīng)用價(jià)值.

以美國(guó)RAM (Radio Attention Measurement)項(xiàng)目為代表,各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量主動(dòng)干預(yù)等離子體鞘套研究[6].NASA (National Aeronautics and Space Administration) 成功執(zhí)行了多次飛行實(shí)驗(yàn),針對(duì)性開展鞘套等離子體電磁波衰減和地空無(wú)線電波通信效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.在鞘套等離子體背景下,考慮不同天線設(shè)計(jì)的電離效應(yīng),設(shè)計(jì)等離子體在線診斷技術(shù)以及流場(chǎng)剖面參數(shù)(如電子密度)的診斷方法[7].同時(shí),也提出了包括磁窗通信[3,7,8]、氣動(dòng)外形修正[9]、提高通信頻率[10]、釋放親電子物質(zhì)[7,11,12]等多種鞘套等離子體主動(dòng)干預(yù)技術(shù).其中,釋放親電子物質(zhì)在工程上較易實(shí)現(xiàn).釋放水及親電子物質(zhì)可以顯著降低等離子體密度,恢復(fù)正常測(cè)控通信.水除了可以降低等離子體溫度,還能使電子與離子結(jié)合生成中性原子或分子.Gemini 3 載人實(shí)驗(yàn)通過(guò)釋放水有效降低等離子體鞘套的電子密度,人為產(chǎn)生了一個(gè)無(wú)線電傳輸窗口,對(duì)甚高頻和 C 波段信號(hào)的傳輸有一定的恢復(fù)[11].除了研究釋放水對(duì)等離子體鞘套通信的改善效果,也有實(shí)驗(yàn)采用六氟化硫、四氯化碳、三氯乙烯、各類氟利昂、氟碳化合物等電負(fù)性物質(zhì)進(jìn)行測(cè)試.各類物質(zhì)通過(guò)降低流場(chǎng)溫度,提升等離子體復(fù)合效率,吸附電子形成穩(wěn)定負(fù)離子等途徑降低電子密度[13,14].

我們?cè)缙谝苍趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了化學(xué)物質(zhì)釋放實(shí)驗(yàn),利用中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)空間等離子體實(shí)驗(yàn)(KSPEX)裝置開展了二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)釋放實(shí)驗(yàn),觀察到了釋放電負(fù)性化學(xué)物質(zhì)后電子密度的快速下降過(guò)程[15],利用多種診斷手段測(cè)量了電子密度、電子溫度、空間電勢(shì)的三維分布及演化[16?19].然而,相比于真實(shí)飛行環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室等離子體碰撞頻率較低、壓強(qiáng)較小,且沒(méi)有流速影響.因此,為了盡可能接近真實(shí)飛行等離子體鞘套環(huán)境,我們選擇在風(fēng)洞等離子體裝置開展二氧化碳釋放實(shí)驗(yàn)研究,并定量分析二氧化碳和電子密度降低之間的關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1 給出了風(fēng)洞裝置、二氧化碳釋放系統(tǒng)和診斷設(shè)備的安裝示意圖.風(fēng)洞通過(guò)電弧放電或高頻放電產(chǎn)生等離子體.放電穩(wěn)定后,通過(guò)釋放系統(tǒng)將二氧化碳注入進(jìn)本底等離子體.實(shí)驗(yàn)的第一部分是在電弧風(fēng)洞中進(jìn)行的,通過(guò)正負(fù)電極放電產(chǎn)生大功率電弧,工作物質(zhì)被加熱到高溫高壓狀態(tài),經(jīng)過(guò)喇叭形噴管后急速膨脹,形成高焓的等離子體流場(chǎng),等離子體流速約為1 Mach[20](1 Mach=340 m/s).試驗(yàn)艙的尺寸為0.6 m × 0.6 m × 0.6 m,并在一側(cè)的壁面安裝玻璃觀察窗,便于光學(xué)觀察.電弧風(fēng)洞等離子體流場(chǎng)能夠穩(wěn)定維持300 s 以上,可以滿足釋放效果實(shí)驗(yàn).其電子密度只能在1010—1012cm-3之間,低于等離子體鞘套的峰值密度(1013cm-3量級(jí)).因此,僅靠電弧風(fēng)洞,無(wú)法全面探究二氧化碳釋放干預(yù)鞘套等離子體電子密度的效果.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig.1.Schematic of experimental setup.

基于上述原因,實(shí)驗(yàn)的第二部分選擇在高頻風(fēng)洞中進(jìn)行.高頻風(fēng)洞采用高頻感應(yīng)耦合產(chǎn)生等離子體.等離子體發(fā)生器通過(guò)噴管與實(shí)驗(yàn)艙相連,經(jīng)過(guò)噴口加速形成熱流場(chǎng).高頻風(fēng)洞產(chǎn)生的等離子體流速約為1 Mach,電子密度可達(dá)1013cm-3量級(jí).因此,結(jié)合兩種類型的風(fēng)洞,可以基本覆蓋鞘套等離子體電子密度參數(shù)范圍.

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,裝置本底真空約為100 Pa.之后,將壓力高達(dá)兆帕量級(jí)的壓縮空氣以50 g/s 的質(zhì)量流量通入真空室,真空室氣壓升至2000 Pa,后續(xù)在此狀態(tài)下開始等離子體放電和釋放實(shí)驗(yàn).壓力為105Pa 的二氧化碳?xì)怏w以不同流量通入等離子體,內(nèi)外壓差有利于二氧化碳?xì)怏w通過(guò)釋放裝置擴(kuò)散進(jìn)等離子體流場(chǎng).

實(shí)驗(yàn)中,等離子體流速遠(yuǎn)高于二氧化碳?xì)怏w流速,導(dǎo)致二氧化碳難以和等離子體有效摻混.為了解決該問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了微通道釋放模塊.模塊表面刻傾斜小孔,小孔與表面夾角小于45°,確保噴灑出射的二氧化碳與流場(chǎng)方向有較大的分速度,能夠最大效果保證摻混均勻.

3 等離子體參數(shù)診斷

實(shí)驗(yàn)使用朗繆爾掃描探針對(duì)高焓流場(chǎng)電子密度進(jìn)行診斷.探針材料選用具有高熔點(diǎn)和抗氧化性能的金屬銥.實(shí)驗(yàn)中,朗繆爾探針安裝在可上下移動(dòng)支架上,置于流場(chǎng)下游.這樣既實(shí)現(xiàn)了朗繆爾探針在等離子體區(qū)域上下移動(dòng),又能夠盡可能探測(cè)到電子密度下降區(qū)域.流場(chǎng)穩(wěn)定后,上移朗繆爾探針至噴口的中心位置,再釋放二氧化碳.釋放過(guò)程中探針位置保持不變,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)持續(xù)工作,完整采集二氧化碳釋放前后等離子體密度的演化.釋放完成后及時(shí)將探針移出流場(chǎng),減小流場(chǎng)對(duì)探針的燒蝕.值得說(shuō)明的是,上述連續(xù)采集釋放前后密度變化,需要較長(zhǎng)時(shí)間.在高焓的高頻等離子體風(fēng)洞中易導(dǎo)致探針長(zhǎng)度明顯變化,帶來(lái)診斷誤差.因此高頻風(fēng)洞電子密度數(shù)據(jù)先采集了釋放前的本底電子密度.朗繆爾探針支架置于無(wú)等離子體一側(cè)區(qū),待到流場(chǎng)建立,移動(dòng)探針至流場(chǎng)中心進(jìn)行1 s 的等離子體密度采集.之后進(jìn)行探針更換,并恢復(fù)到原始位置.采取同樣步驟診斷釋放后的電子密度,最后得到圖4 所示的數(shù)據(jù).此外,受風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件限制,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難以安裝步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)等離子體密度分布逐點(diǎn)掃描,因此未開展朗繆爾探針在不同位置等離子體密度空間分布的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)中,探針采用200 Hz 的三角波信號(hào)源供電,信號(hào)采集頻率為200 kHz,每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為1 s 內(nèi)200 個(gè)周期的數(shù)據(jù)平均值.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)選用純空氣作為放電氣體,包含約78.08%的 N2和20.95%的 O2,以及一些其他微量成分.首先,將空氣注入電弧室中,在電弧的作用下使其達(dá)到高溫和高焓狀態(tài).氣體的能級(jí)被激發(fā),發(fā)生如下解離、電離反應(yīng).

根據(jù)近似理想高溫空氣模型,上述反應(yīng)生成混合物,主要組分濃度排序?yàn)?N2,O2,NO,N,O,e-,N+,O+,NO+.二氧化碳釋放后,先與空氣中的 O+反應(yīng)生成分子離子再與電子復(fù)合,實(shí)現(xiàn)電子密度降低.相應(yīng)的離子化學(xué)反應(yīng)過(guò)程表示為

考慮到風(fēng)洞環(huán)境比較復(fù)雜,在實(shí)驗(yàn)開始階段進(jìn)行了多次等離子體參數(shù)定標(biāo),獲得穩(wěn)定的本底等離子體.結(jié)果表明,當(dāng)電弧發(fā)生器輸入功率為500 kW,效率焓值在4.1 左右時(shí),本底電子密度可穩(wěn)定在1012cm-3的量級(jí).之后再開展二氧化碳釋放實(shí)驗(yàn).圖2 給出了二氧化碳釋放前后等離子體電子密度的變化,橫坐標(biāo)軸代表釋放時(shí)間,縱坐標(biāo)軸表示電子密度.數(shù)據(jù)采集從第3 s 開始,此時(shí)等離子體達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).二氧化碳以8 g/s的質(zhì)量流量持續(xù)釋放,釋放前后電子密度明顯降低.放電中,空氣的注入速度為50 g/s,遠(yuǎn)大于二氧化碳的質(zhì)量流量;同時(shí),朗繆爾探針置于摻混區(qū)后方,盡量降低稀釋效應(yīng)對(duì)釋放效果的影響.

圖2 二氧化碳釋放前(3—10 s)和釋放后(12—18 s)電子密度隨時(shí)間的變化,展示了兩車次實(shí)驗(yàn)(EXP1 和EXP2)Fig.2.Evolution of the electron density prior (3–10 s) and after the carbon dioxide injection (12–18 s).Two experiments are shown here (EXP1 and EXP2).

圖2 使用不同顏色展示了兩個(gè)車次結(jié)果,其中紅色曲線(EXP1)是第一車次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.為了描述電子密度降低的大小,定義下降比例的參數(shù):

其中,ne0為本底電子密度,ne為二氧化碳釋放后的電子密度.

3—11 s 表示釋放前本底等離子體狀態(tài),電子密度基本穩(wěn)定在11.0×1011cm-3,在11 s 時(shí)刻開始注入二氧化碳.可以發(fā)現(xiàn),電子密度從11.0×1011cm-3下降到3.0×1011cm-3.在低于1 s 的時(shí)間內(nèi),電子密度下降比例為72.7%.在隨后的釋放過(guò)程中,干預(yù)效果能夠保持穩(wěn)定,密度在3.0×1011cm-3上下小幅波動(dòng).對(duì)應(yīng)等離子體頻率從9.4 GHz 下降到4.9 GHz,在遙測(cè)常用C 波段(4—8 GHz)覆蓋范圍之內(nèi).圖2 藍(lán)色曲線顯示了相同條件下的第二次釋放效果(EXP2),電子密度從13.5×1011cm-3下降到4.0×1011cm-3,密度下降比例為70.4%,此時(shí)對(duì)應(yīng)等離子體頻率從10.4 GHz 下降到5.68 GHz.圖2 中兩次實(shí)驗(yàn)本底電子密度略有差異,EXP2 本底電子密度比實(shí)驗(yàn)1的峰值密度約高10%,這是由于風(fēng)洞等復(fù)雜等離子體環(huán)境,電子密度本身存在一定漲落,后續(xù)多次實(shí)驗(yàn)都能看到該現(xiàn)象.釋放后EXP2 與EXP1 的電子密度同樣有約10%的差異.根據(jù)兩次實(shí)驗(yàn)釋放前后的平均值計(jì)算,電子密度下降比例為71.55%,這表明二氧化碳具有良好的降低電子密度的能力.

為了充分驗(yàn)證不同狀態(tài)下的二氧化碳釋放效果,進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn).圖3 為多次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果,橫坐標(biāo)代表實(shí)驗(yàn)車次,左右縱坐標(biāo)分別表示等離子體密度和密度下降比例.如第3 部分所述,圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是1 s 內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值.曲線A表示釋放之前的本底電子密度,曲線B 表示釋放二氧化碳降低后的電子密度.隨著電弧能量的增加,本底電子密度在從7.13×1011cm-3增加到1.42 × 1012cm-3(曲線A).在釋放二氧化碳后,電子密度降低至3.0×1011cm-3附近(曲線B).曲線C 計(jì)算了每個(gè)車次實(shí)驗(yàn)的下降比例,下降比例高達(dá)60%—80%,這意味著電子密度下降幾乎接近1 個(gè)量級(jí).每一密度點(diǎn)的誤差棒是根據(jù)1 s 時(shí)間內(nèi)采集數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差繪制,平均誤差為34.04%.誤差同時(shí)影響釋放前后的密度數(shù)據(jù),基本對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果下降比例沒(méi)有影響.值得討論的是,釋放二氧化碳前電子密度的波動(dòng)值(A 線)明顯高于釋放二氧化碳之后(B 線),可能原因是裝置持續(xù)大功率放電過(guò)程中,電弧電源等設(shè)備的性能會(huì)發(fā)生一定溫漂;導(dǎo)致在設(shè)定功率一致的情況下,實(shí)際耦合效率會(huì)有一定差異,從而造成本底電子密度存在一定范圍內(nèi)的漲落.在釋放二氧化碳后密度波動(dòng)較小.這是由于二氧化碳和等離子體相互作用后生成產(chǎn)物附著閾值較低,進(jìn)一步吸附電子形成穩(wěn)定的負(fù)離子;從而等離子體密度整體漲落較小,這也有利于后續(xù)電磁波通信的開展.重復(fù)實(shí)驗(yàn)密度下降比例均值為68.89%,與圖2 兩次實(shí)驗(yàn)效果基本一致.因此,二氧化碳降低電子密度的結(jié)果是可信的.

圖3 不同狀態(tài)下電子密度降低效果Fig.3.Effect of electron density reduction in different states.

為了評(píng)估更高等離子體密度下的釋放效果,選擇在高頻風(fēng)洞中進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).之后再根據(jù)高密度實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn).因此高狀態(tài)與釋放后的低密度數(shù)據(jù)不在同一組數(shù)據(jù)內(nèi).圖4 給出了高頻風(fēng)洞開展的釋放效果.圖4 中左側(cè)紅線為本底電子密度(左側(cè)坐標(biāo)),右側(cè)藍(lán)色線表示釋放后的電子密度(右側(cè)坐標(biāo)).每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)從1000 個(gè)采樣周期中取平均值,本底電子密度約13.2×1012cm-3,對(duì)應(yīng)等離子體頻率為32.6 GHz.EXP1 和EXP2 釋放的流量均為8 g/s,兩次實(shí)驗(yàn)密度曲線的波動(dòng)同樣可歸結(jié)于不同實(shí)驗(yàn)等離子體電子密度內(nèi)在漲落的影響.兩次實(shí)驗(yàn)電子密度均值分別下降到5.80×1012和5.50×1012cm-3,相應(yīng)下降比例分別為56.1%和57.9%,均值為57.0%,弱于電弧環(huán)境下70%左右的下降比例.這可能是由于高頻風(fēng)洞電子密度達(dá)到1013cm-3量級(jí),在8 g/s 的釋放條件下,二氧化碳比例過(guò)低,此時(shí)反應(yīng)速率已達(dá)平衡,不足以進(jìn)一步降低電子密度,因此,猜測(cè)可以通過(guò)增加釋放二氧化碳量來(lái)進(jìn)一步降低電子密度.

圖4 二氧化碳釋放前后電子密度下降Fig.4.Reduction of the electron density in the HF discharge wind tunnel through releasing carbon dioxide.

為驗(yàn)證該判斷,二氧化碳質(zhì)量流量被增加至24 g/s.結(jié)果顯示,電子密度下降到0.17×1012cm-3(EXP3),對(duì)應(yīng)等離子體頻率為3 GHz.在此狀態(tài)下,常規(guī)S 波段則可能恢復(fù)正常測(cè)控通信.在高密度流場(chǎng)環(huán)境,通過(guò)增加二氧化碳的釋放量可以降低環(huán)境電子密度,這表明二氧化碳具有良好的降低電子密度的能力.值得說(shuō)明的是,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中先形成等離子體流場(chǎng),然后進(jìn)行二氧化碳釋放實(shí)驗(yàn).因此24 g/s 的釋放量不影響本底等離子體的產(chǎn)生.然而,與放電空氣流量為50 g/s 相比,以24 g/s 速率釋放二氧化碳時(shí),其成分占比不能忽視.導(dǎo)致下游降低電子密度的方式可能不同,不能確定探針周圍各物質(zhì)成分所占的比例,這需要后續(xù)結(jié)合光譜等其他手段開展進(jìn)一步研究.

5 結(jié)論

本文采用電弧風(fēng)洞和高頻風(fēng)洞裝置模擬等離子體鞘套環(huán)境,并通過(guò)釋放二氧化碳?xì)怏w,降低模擬鞘套環(huán)境內(nèi)的等離子體密度.結(jié)果表明,在相同背景等離子體流場(chǎng)環(huán)境下,釋放不同流量的二氧化碳可使電子密度下降1—2 個(gè)量級(jí),證明了流場(chǎng)環(huán)境下進(jìn)行耗盡模擬鞘套電子密度的研究是可行的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為緩解黑障效應(yīng),恢復(fù)可靠測(cè)控通信提供了實(shí)用依據(jù).這為進(jìn)一步研究釋放量和鞘套密度降低之間的關(guān)系,以及多種類化學(xué)物質(zhì)降低密度效果比較打下基礎(chǔ).需要指出的是,等離子體和電磁波相互作用是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程,除了高密度對(duì)電磁波傳播引起的截止效應(yīng),還有諸多因素需要考慮.例如,鞘套中等離子體鞘套電子密度存在多種尺度的湍動(dòng)結(jié)構(gòu),當(dāng)這些密度不均勻結(jié)構(gòu)也會(huì)反射、散射電磁波,影響測(cè)控通信.后續(xù)實(shí)驗(yàn)我們將嘗試使用光譜以及微波成像細(xì)節(jié)開展深入的研究,探究主動(dòng)干預(yù)過(guò)程前后電子密度結(jié)構(gòu)的形成及對(duì)電磁波傳播的影響.在釋放效果穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究流場(chǎng)流速、碰撞頻率等因素對(duì)釋放效果的影響,并擇機(jī)聯(lián)合開展航天器測(cè)控通信實(shí)驗(yàn),這也將為技術(shù)實(shí)用化奠定基礎(chǔ).