王馨悅，杜 丹，張愛兵，劉 超，孔令高，田 崢，鄭香脂

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190；2. 天基空間環(huán)境探測北京市重點實驗室，北京 100190；3. 中國科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室，北京 100190；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；5. 中國氣象局空間天氣重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心)，北京 100081)

0 引 言

高層大氣是研究行星空間環(huán)境和行星演化的關(guān)鍵區(qū)域之一。高層大氣風(fēng)場是研究高層大氣動力學(xué)、電離層動力學(xué)的重要大氣參數(shù),在行星磁層-電離層-行星大氣耦合中發(fā)揮重要作用[1-3]。地球高層大氣是低軌衛(wèi)星的主要運行區(qū)域,當(dāng)前關(guān)于影響軌道衰減的自然要素的相關(guān)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(fēng)產(chǎn)生的曳力也是影響精密軌道預(yù)報和衛(wèi)星壽命的不可或缺的自然要素之一?？臻g環(huán)境擾動期間中性風(fēng)速可能從幾十米每秒上升到上千米每秒。當(dāng)風(fēng)速為100 m/s左右時,將給精密定軌預(yù)報引入約為5%的誤差,而磁暴時風(fēng)速如達(dá)到 1 000 m/s左右,將使得精密軌道預(yù)報的誤差高達(dá)25%[7]。高精度的高層大氣風(fēng)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(wèi)星精密軌道預(yù)報具有重要意義。

高層大氣風(fēng)場原位探測技術(shù)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(shù)可獲取全球、全時段、長時間覆蓋、不同衛(wèi)星軌道高度的高層大氣風(fēng)場參量。國際上已應(yīng)用于天基探測任務(wù)的熱層風(fēng)場原位探測技術(shù)包括了CHAMP和GRACE等衛(wèi)星利用加速度計的數(shù)據(jù)計算軌道風(fēng)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(fēng)速的直接探測方法[11-13]。中國星載高層大氣風(fēng)場探測目前仍屬空白。

高層大氣中性風(fēng)場探測的根本目的是獲得高精度的風(fēng)場原位探測數(shù)據(jù)。由于高層大氣中性氣體稀薄,星載原位探測高層大氣風(fēng)速不能用傳統(tǒng)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(fēng)速的動力學(xué)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(wèi)星形態(tài)質(zhì)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(fēng)速)和溫度等參量,不受外加模型或衛(wèi)星自身條件的影響,有望實現(xiàn)高時空分辨率、高精度的風(fēng)速測量。通常認(rèn)為高層大氣風(fēng)速的范圍約為±1 000 m/s,但200～400 km高度風(fēng)速的平均值多分布于100 m/s以下[11-13],遠(yuǎn)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(fēng)速相當(dāng);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(chuàng)新性地采用平板型碳納米管冷陰極作為電子發(fā)射體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的星載原位大氣探測時采用的熱陰極[14],根據(jù)碳納米管冷陰極的性能與幾何特征,設(shè)計了以直流電子槍為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的均勻場離子源,在其柵極和陽極間增加了聚焦極,并設(shè)計了雙層屏蔽柵網(wǎng),實現(xiàn)了離子和電子產(chǎn)生區(qū)有效的電場分離、出射電子束的能量單一且方向一致,結(jié)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(fā)了星載高層大氣風(fēng)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(fēng)場探測儀的原理與設(shè)計

1.1 探測指標(biāo)需求

磁暴時,200～700 km地球大氣風(fēng)速最大值可達(dá)1 000 m/s,因此,風(fēng)速探測范圍應(yīng)覆蓋-1 000～1 000 m/s;地球低軌衛(wèi)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(jù)此,中性氣體沿傳感器軸線相對衛(wèi)星速度的最小探測能力應(yīng)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(jié)合待測中性氣體分子的溫度在熱層可達(dá)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(shè)置為0～22 eV。此外,200～700 km高度范圍內(nèi)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(fēng)速約為0～150 m/s,測量時中性風(fēng)速的誤差應(yīng)達(dá)到≤10 m/s。

1.2 工作原理與反演方法

星載高層大氣風(fēng)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(fēng)速)、溫度和數(shù)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(fēng)速的合成速度經(jīng)過準(zhǔn)直后進(jìn)入電離區(qū),被電子發(fā)射體發(fā)射的垂直于來流方向的能量電子束流電離,產(chǎn)生的離子保持中性氣體入射分布狀態(tài)射出后進(jìn)入離子能量分析區(qū)。根據(jù)阻滯勢分析方法[16]的原理,離子能量分析區(qū)的阻滯柵網(wǎng)掃描電壓U隨時間變化,只有能量大于阻滯柵網(wǎng)掃描電位電勢能的離子才能夠穿過阻滯柵網(wǎng),穿過阻滯柵網(wǎng)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(shè)衛(wèi)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(tài),則對于第i種中性氣體電離后產(chǎn)生的離子,在傳感器軸向方向相對衛(wèi)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(wèi)星的速度;風(fēng)速Vw等于Vc減去衛(wèi)星速度Vs在風(fēng)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(wèi)星前進(jìn)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(shù),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(zhì)量。則第i種中性氣體電離產(chǎn)生離子的電流貢獻(xiàn)為[16]：

(2)

(3)

1.3 傳感器技術(shù)

星載高層大氣風(fēng)場原位探測儀主要包括傳感器和電子學(xué)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(xué)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(fā)射電子,使得中性氣體在電離區(qū)電離;速度分析器對從離子源出射的離子進(jìn)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(fēng)場探測儀傳感器原理樣機(jī)。

圖2 星載高層大氣風(fēng)場原位探測儀原理樣機(jī)

1.3.1均勻場離子源設(shè)計

均勻場離子源用于產(chǎn)生方向一致、能量單一的電子束,并確保電離區(qū)電子束內(nèi)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(tǒng)星載大氣探測的電子發(fā)射材料多采用絲狀熱陰極[14],電子發(fā)射方向難以控制、電離區(qū)的滲透電場對后續(xù)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(fā)射冷陰極電子發(fā)射方向較為單一,電離區(qū)滲透電場的分布也較為均勻,特別是碳納米管冷陰極發(fā)射穩(wěn)定性好,有效發(fā)射面積的選擇較為靈活,研制過程中,電子發(fā)射體選擇了清華大學(xué)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(fā)射垂直的方向進(jìn)入傳感器內(nèi)部,并在橫穿電離區(qū)的電子束內(nèi)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(qū)背景電勢與冷陰極發(fā)射的電子束的空間電荷產(chǎn)生的電勢、中性氣體電離后離子的空間電荷產(chǎn)生的電勢的疊加。當(dāng)電離區(qū)背景電勢為0時,電子束內(nèi)的電勢主要由電子流和離子產(chǎn)生,假設(shè)電離區(qū)內(nèi)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(nèi)的帶電粒子產(chǎn)生的電勢為[18]

(5)

式中:Re是電子束的半徑;Iel是電子束發(fā)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(zhì)量;Ra是電離區(qū)的半高;r是中性氣體電離的位置與電離區(qū)中心線的距離。根據(jù)式(5)計算電子束與電離區(qū)寬度比Re/Ra變化時電子束內(nèi)空間電荷產(chǎn)生的電勢,結(jié)果表明,電子束產(chǎn)生電勢的絕對值與發(fā)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(guān);當(dāng)電子束的寬度接近電離區(qū)寬度時,空間電荷產(chǎn)生電勢的絕對值最小,如圖3(b),因此電子束的半徑應(yīng)與電離區(qū)的寬度相當(dāng)。

圖3 均勻場離子源及冷陰極發(fā)射電子的仿真結(jié)果

離子流的檢測下限為10-14A。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型1976[15],衛(wèi)星飛行時傳感器內(nèi)的動態(tài)壓強變化范圍約為10-7～10-3Pa,當(dāng)電子能量單一時,離子的電離率是一個常數(shù),此時,電離產(chǎn)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(diào)整電離區(qū)的長度和電子電流的強度,當(dāng)電子束內(nèi)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(nèi)總電勢dU約為0。作為電子發(fā)射體的碳納米管冷陰極與電子引出的柵極(鉬柵網(wǎng))形成了平板二極管,兩者之間的距離為0.2 mm,根據(jù)穩(wěn)定發(fā)射的電子流強度可確定其面積、電壓,此外還應(yīng)考慮路徑中柵網(wǎng)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(fā)散,為了使得注入電離區(qū)的電子束方向一致,均勻場離子源的電子發(fā)射和聚焦部分采用直流電子槍[19]的設(shè)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(cè)的電場強度差與電壓比成正比,當(dāng)它的焦點與電子從柵網(wǎng)出射延長線的交點重合時,出射后的電子可在電離區(qū)形成平行電子束,電子束流的寬度與電離區(qū)相當(dāng);陽極和電離區(qū)之間增加了使得離子產(chǎn)生區(qū)和電子產(chǎn)生區(qū)電場分離的接地的雙層屏蔽柵網(wǎng),避免了電子產(chǎn)生區(qū)的高壓電場滲透到電離區(qū),電離區(qū)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(shù)。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(fā)射電子流模型;③ 建立離子分布模型。根據(jù)傳感器尺寸建立其結(jié)構(gòu)模型,并設(shè)置材料屬性和邊界條件,COMSOL根據(jù)電極電壓、電子和離子參數(shù)計算傳感器內(nèi)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(jié)合材料定律,獲得傳感器內(nèi)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(fā)射電子流模型和離子分布模型,發(fā)射電子流模型假設(shè)初始速度約為0的N個電子隨機(jī)分布于碳納米管冷陰極表面,離子分布模型假設(shè)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(jī)分布于電離區(qū),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(xiàn)電場和粒子的雙向耦合計算,從而得到電離區(qū)內(nèi)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(fā)射電子的仿真結(jié)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(wǎng)、電離區(qū)的電勢分布,電離區(qū)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(qū)內(nèi)電子束流的分布和電子能量分布曲線,陰極設(shè)置為-200 V時,電離區(qū)發(fā)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(nèi)。仿真結(jié)果表明,電離區(qū)經(jīng)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(jìn)入電離區(qū),實現(xiàn)了對電子束注形的控制,在電離區(qū)離子出口寬度范圍內(nèi),電子流量從峰值下降到e-1時的電子束寬度內(nèi)的電子總量,與電離區(qū)經(jīng)過的總電子數(shù)比約為88%,單柵網(wǎng)的透過率約為85%,冷陰極發(fā)射電子經(jīng)過柵極和雙柵網(wǎng)后其透過率約為61%;電離區(qū)內(nèi)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(shè)計

速度分析器采用多層?xùn)啪W(wǎng)加收集極的設(shè)計,如圖4(a),多層?xùn)啪W(wǎng)包括了防止內(nèi)部電場外泄的接地屏蔽柵網(wǎng),電位在0～22 V之間變化的阻滯柵網(wǎng),以及防止收集極次級電子逸出的電子屏蔽柵網(wǎng)。阻滯柵網(wǎng)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(jù)1.2節(jié),I′的峰值對應(yīng)的掃描電壓值等于中性粒子沿傳感器軸向相對衛(wèi)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(jié)果

(6)

根據(jù)1.1節(jié)的最小探測能力需求,Vc0可取為6.5～8.8 km/s,用1.3.2節(jié)中的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型計算m, 其最小值約為8.0 kg·kmol-1。按照1.1節(jié)探測指標(biāo)需求的能量范圍設(shè)置U的探測范圍。如將電壓步長設(shè)置為0.003 V,當(dāng)電壓步長的誤差遠(yuǎn)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(yīng)的速度變化范圍。將上述參數(shù)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(tài)范圍107以及電壓步長的精確控制要求,可通過電子學(xué)設(shè)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(jù)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(shè)置材料屬性和邊界條件,離子分布模型假設(shè)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(jī)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(nèi)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(guān)系曲線。結(jié)果表明仿真模擬與1.2.1節(jié)的理論公式計算結(jié)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(fēng)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(nèi)模擬航天器遭遇的軌道中性風(fēng)環(huán)境的地面定標(biāo)實驗室正在籌建中,本文研制的星載高層大氣風(fēng)場探測儀原理樣機(jī)的性能和指標(biāo)的初步驗證主要通過對傳感器的兩個關(guān)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(jié)果進(jìn)行比較完成。據(jù)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(fēng)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(fā)射電子的穩(wěn)定度和電子流強度、電離區(qū)電位差,標(biāo)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(fā)射電子的穩(wěn)定度和電子流強度測試試驗在地面真空系統(tǒng)中開展,如圖5(a)。圖5(b～c)的測試結(jié)果表明,電子收集極收集的陰極發(fā)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(qū)間內(nèi)發(fā)射電子流可以實現(xiàn)較為穩(wěn)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(dāng)陰極電壓穩(wěn)定于-200.5 V±0.5V時,電子收集極接收到的發(fā)射電子流的不穩(wěn)定性約為10%。

圖5 冷陰極發(fā)射電子的性能測試試驗

電離區(qū)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(qū)不同位置的電位差,結(jié)果表明,電離區(qū)靜電場電位差絕對值|δU|<0.005 V,與1.3.2節(jié)的仿真結(jié)果一致。200～700 km地球大氣平均分子質(zhì)量范圍為8.0～22 kg·kmol-1,中性粒子沿傳感器軸向相對衛(wèi)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(nèi)電離區(qū)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(xué)定標(biāo)的方法開展。電子學(xué)定標(biāo)的基本方法是給電子學(xué)加載標(biāo)準(zhǔn)電流輸入信號,測定儀器的輸出。由于掃描電壓對應(yīng)了可阻滯離子能量的最大值,通過標(biāo)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(yīng)了風(fēng)速測量范圍和風(fēng)速分辨率。掃描電壓范圍標(biāo)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(biāo)定為0.003±0.000 3 V,則對應(yīng)的能量分辨率為0.003 eV,且滿足電壓步長的誤差遠(yuǎn)小于電壓步長的設(shè)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(jù)200～700 km地球大氣平均分子質(zhì)量、中性氣體沿傳感器軸向相對衛(wèi)星整體速度的范圍,參照1.3.3節(jié)的計算方法,將上述參數(shù)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(xué)測試

2.2 誤差分析

利用式(3)反演風(fēng)速時,探測誤差的主要影響因素包括:衛(wèi)星運行速度的測量誤差(ΔV)、衛(wèi)星姿態(tài)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(jìn)行能量篩選時引入的誤差(ΔVg)等。根據(jù)誤差的傳遞,風(fēng)速的綜合標(biāo)準(zhǔn)誤差δ可表達(dá)如下:

(7)

式中:衛(wèi)星運行速度引入的誤差|ΔV|<0.5 m/s;衛(wèi)星姿態(tài)測量精度|Δθ|<0.05°,引入的誤差|ΔVθ|<0.003 m/s。將電離區(qū)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(fēng)速測量綜合誤差的范圍為3.0～11.0 m/s,風(fēng)速測量的平均綜合誤差1δ(1個標(biāo)準(zhǔn)差)約為7.0 m/s。

3 結(jié) 論

針對地球高層稀薄大氣中性風(fēng)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(fā)射體的新構(gòu)型的儀器設(shè)計方案,提高了衛(wèi)星軌道中性風(fēng)速測量的精度,并自主研發(fā)了星載高層大氣風(fēng)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(chǎn)生和離子產(chǎn)生區(qū)電場分離的有效性及出射離子的能量分析能力。結(jié)果表明,電離區(qū)的電子束流方向基本一致、能量變化幅度<5%,電離區(qū)離子產(chǎn)生區(qū)電子束流內(nèi)的電勢差<0.005 V,離子和電子產(chǎn)生區(qū)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(xiàn)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(fēng)速和溫度等參數(shù),計算結(jié)果顯示,風(fēng)速測量的平均綜合誤差1δ約為7.0 m/s。當(dāng)平均風(fēng)速為100 m/s時,風(fēng)速測量誤差小于10%,中性風(fēng)速測不準(zhǔn)引起的軌道預(yù)報誤差可下降到優(yōu)于1.0%,載荷具備了開展高層大氣中性風(fēng)精密測量的能力。

星載高層大氣風(fēng)場原位探測儀原理樣機(jī)是中國首個具備較高精度測量高層大氣風(fēng)速功能的儀器,風(fēng)速探測精度高于C/NOFS搭載的軌道風(fēng)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(shè)計,傳感器質(zhì)量僅為500 g,未來可作為低軌微小衛(wèi)星的主載荷之一,獲取地球高層大氣與電離層動力學(xué)研究的大氣參數(shù),并用于低軌航天器精密軌道預(yù)報。星載高層大氣風(fēng)場原位探測技術(shù)的發(fā)展也為開展行星磁層-電離層-大氣層耦合等科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)儲備,有望應(yīng)用于火星等地外行星及地球衛(wèi)星的大氣探測任務(wù)。