天基朗缪尔探针传感器设计与仿真

朗缪尔探针是进行空间等离子体电子密度和温度就位测量的重要仪器, 在电离层卫星探测和火箭探测中应用十分广泛. 传感器设计的合理与否是影响朗缪尔探针探测结果的关键因素之一. 朗缪尔探针传感器的结构本身比较简单, 但传感器的设计要受到多种物理条件及工程条件的限制, 其中, 有些限制条件相互制约甚至相互矛盾, 必须综合进行考虑. 从传感器形状、大小和表面材料的选取三个方面分析了朗缪尔探针的各种限制条件, 给出了一种原型朗缪尔探针的设计, 并通过仿真计算验证了该设计.      

利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试研究

研究讨论了一种利用半导体二极管伏安特性进行朗缪尔探针性能测试的方法. 设计的朗缪尔探针性能测试方法对外界因素要求较低,在常温常压的通常实 验室环境下即可进行,其测试结果可作为利用地面等离子体环境进行定标测试 前的初步性能验证. 通过实验室环境下的测试试验, 验证了该方法的有效性和 可行性.      

电离层综合探测器数据采集处理单元设计研究

电离层综合探测器(CDI)是一种面向快速响应航天器平台、用于原位综合探测电离层等离子体及未完全电离中性气体的新概念空间环境探测仪器, 实现了对常规平板朗缪尔探针、阻滞势分析器和离子阱质量分析器的小型化、一体化设计与集成. 本文基于USB2.0接口和FPGA (Field-Programmable Gate Array)技术, 选用高集成度的COTS (Commercial-Off-The-Shelf)器件, 对CDI多通道数据采集处理单元的系统方案和硬件设计进行研究, 并对FPGA的逻辑资源利用情况和Fusion器件内部ADC采样以及FIFO (First Input First Output)读写时序进行了仿真和分析.      

探针特性曲线的初级电子修正及用离子声波速度测电子温度的研究

在Te》Ti,且存在两种电子能量的等离子体中,讨论了正确进行朗缪尔探针特性曲线修正——初级电子修正方法;用朗缪尔探针方法得到的等离子体电子温度与离子声波速度测量得到的电子温度分布实验结果比较证明,提出的初级电子修正方法是正确的．实验结果还表明,用离子声波速度测量得到的电子温度误差较小,平均测量误差△Te大约只有0．1eV,有望成为一种可行的电子温度测量方法．     

张衡-1卫星的先进有效载荷

正1引言2018年2月2日成功发射的张衡-1卫星是我国地震立体观测体系第一个天基平台,它的主要科学目标是为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。该卫星由中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司抓总研制。根据地震电磁辐射及其传播特征,张衡-1卫星配置了3类8种有效载荷:一是探测电磁场的有效载荷,包括高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪;二是探测等离子体的有效载荷,包括等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机(GNSS掩星接收机)和三频信标机;三是探测高能     

等离子体鞘层效应对磁层探测电场仪设计的影响

在空间环境探测中,卫星与等离子体的相互作用会改变背景环境的粒子和电位的分布,从而影响探测器对空间电场的测量.为了给磁层卫星电场探测仪器的研制和设计提供参考,本文以中国未来的磁层电离层探测为背景,针对不同轨道高度的等离子体环境,利用SPIS（Spacecraft Plasma Interaction Software）模拟了卫星平台和探针与等离子体的相互作用,从而得到了不同环境下卫星周围等离子体鞘层的厚度,以及探针电位与电流的对应关系.模拟结果表明:由于光电子和二次电子的影响,卫星鞘层的厚度小于等离子体的德拜半径,且温度越高其偏差越大;模拟得到的探针表面电流与电位的关系表明,施加偏置电流的探针可明显提高对电流扰动的抗干扰能力.此外,估计了不同轨道高度上探针处于最佳工作点时应施加偏置电流的大小.      

表面等离子体共振生物传感器在微生物检测中的应用

在地球环境及航天空间环境中存在有多种多样的微生物,快速、准确地检测这些微生物成为亟待解决的问题.在众多微生物检测方法中,表面等离子体共振生物传感器凭借其快速、灵敏的检测特点,近年来发展迅速.本文综述了表面等离子体共振生物传感器在微生物检测领域中的应用,以期为地面及航天环境的微生物检测工作提供技术参考.      

离子发动机羽流空间电位诊断

离子发动机羽流空间电位分布不合理可能会造成一系列问题,以至于影响航天器的正常工作。试验使用发射探针对20 cm氙离子发动机束流区等离子体空间电位进行诊断,测点选取轴向距离发动机出口平面250～900 mm,径向0～450 mm,探针钨丝直径0.1 mm,加热电流1.5～2.5 A。发射探针诊断建立在电子热发射基础上,因其I-V曲线拐点较朗缪尔探针更为明显,所以测量得到的空间电位分布更为准确。国外已经广泛使用发射探针测量等离子体空间电位,发射探针的试验数据处理方法仍存在较大分歧。从发射探针工作时的物理过程着手,分析热电子发射多少对空间电位诊断结果的影响,采用不同的探针I-V曲线处理方法并对各种方法利弊进行讨论,分析偏离真实空间电位的原因,比较得到较为合理的结果,对发射探针的结构改造和加热电流的选取提供依据,为发动机性能的改善和羽流仿真模型提供参考。     

磁云边界层内朗缪尔波活动现象的初步研究

对35例磁云边界层内朗缪尔波活动现象进行了初步分析, 发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象. 一类是相对于邻近鞘区和磁云本体, 整个边界层内朗缪尔波活动增强; 另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象, 同时伴随着宽频带的多普勒频移离子声波活动. 考察了其中一例朗缪尔波爆发事件对应的高分辨率电子分布函数数据, 发现速度约为7×103 km/s的电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发.      

磁层电场仪前端信号处理电路研究

针对磁层稀薄等离子体环境中的电场测量,设计了一种电场仪前端信号处理电路方案.双探针电场仪通过向等离子体输出驱动电流,测量两探针间的电位差,从而测量空间电场的探测仪器.在磁层稀薄等离子体环境下,等离子体阻抗较高,电场仪探针将工作在较高的工作电压上.若探针电压接近或超过电路耐压值,则可能会影响探测结果,甚至损坏电场仪.本文结合低偏置电流的电压跟随方案和反馈悬浮电源控制方案,解决了稀薄等离子体环境中电场测量的弱电流采样和高动态电位处理问题,并采用低噪声元件和特殊电路设计,控制电路噪声.测试结果显示,本方案可使探针适应±100V的悬浮电位,实现150kHz带宽的电场信号测量,且噪声小于14nV·mHz-1/2,满足目前空间电场仪测量精度需求.      

Current Status and Main Scientific Results of In-flight CSES Mission

The CSES (China Seismo-Electromagnetic Satellite) is the electromagnetism satellite of China's Zhangheng mission which is planned to launch a series of microsatellites within next 10 years in order to monitor the electromagnetic environment, gravitational field. The CSES 01 probe (also called ZH-1) was launched successfully on 2 February 2018, from the Jiuquan Satellite Launch Centre (China) and is expected to operate for 5 years in orbit. The second probe CSES 02 is going to be launched in 2022. The scientific objectives of CSES are to detect the electromagnetic field and waves, plasma and particles, for studying the seismic-associated disturbances. To meet the requirements of scientific objective, the satellite is designed to be in a sun-synchronous orbit with a high inclination of 97.4° at an altitude around 507 km. CSES carries nine scientific payloads including Search-coil magnetometer, Electric Field Detector, High precision Magnetometer, GNSS occultation Receiver, Plasma Analyzer, Langmuir Probe, two Energetic Particle Detectors (including an Italian one), and Tri-Band Transmitter. Up to now, CSES has been operating in orbit for 2 years with stable and reliable performance. By using all kinds of data acquired by CSES, we have undertaken a series of scientific researches in the field of global geomagnetic field re-building, the ionospheric variation environment, waves, and particle precipitations under disturbed space weather and earthquake activities, the Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere coupling mechanism research and so on.      

Identification of seismic activity sources on the subsatellite track by ionospheric plasma disturbances detected with the Sich-2 onboard probes

Using a cylindrical Langmuir probe and the authors’ proprietary two-channel pressure transducer, ionospheric plasma parameter distributions along the orbit of the Sich-2 satellite (Ukraine, 2011–2012) were measured. This paper is concerned with identifying the space–time location of ionospheric plasma disturbance sources, including the epicenters of actual earthquakes (before or during the satellite flyover) and incipient earthquakes on the subsatellite track, from the measured distributions of the electron density and temperature and the neutral particle temperature along the satellite orbit. To do this, the measured ionospheric plasma parameter distributions are connected to the coordinates on the subsatellite track.It is shown that local disturbances in the electron density and temperature and neutral particle temperature distributions in the satellite orbit in the ionosphere may serve as indicators of seismic activity on the subsatellite track. The epicenters of incipient earthquakes may be set off from other plasma parameter disturbance sources associated with seismic activity using information provided by special monitoring and survey centers that monitor the current seismic situation.     

利用孤立导体建立等离子体探测载荷参考电位方法

研究讨论了一种利用孤立导体在空间等离子体环境中建立探测器参考电位的技术.将一个金属导体与航天器进行电隔离，利用电路将孤立导体电位引入探测器电源模块，为探测器建立参考电位.该技术可安全方便地应用于卫星等航天器，使探测器的地电位与空间等离子体电位基本一致，避免航天器本体电位对探测器的影响.该技术将应用于中国空间站等离子体原位探测器，通过测试验证了该技术方法可以建立-210～+210V的参考电位，满足空间站等离子体原位探测器-200～+200V的参考电位技术需求.      

太阳电池阵极月轨道在轨热分析

以极月轨道上太阳电池阵作为研究对象,详细分析了该轨道上电池阵所得各外热流的确定方法.以此为基础,对太阳电池阵进行在轨温度数值模拟,得到月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布.计算结果与地球卫星的相应数据进行比较,明确了月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布特点,为月球卫星上太阳电池阵以及整个卫星的设计提供了有利的数据参考.      

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

Large-size space laboratory for biological orbit experiments.

The study of space factors on living systems has great interest and long-term experiments during orbital flight will be important tool for increasing our knowledge. Realization of such experiments is limited by constraints of modern space stations. A new technology of large-size space laboratory for biological experiments has been developed on the basis of polymerization techniques. Using this technique there are no limits of form and size of laboratory for a space station that will permit long term experiments on Earth orbit with plants and animals in sufficient volume for creation of closed self-regulating ecological systems. The technology is based on experiments of the behavior of polymer materials in simulated free space conditions during the reaction of polymerization. The influences of space vacuum, sharp temperature changes and space plasma generated by galactic rays and Sun irradiation on chemical reaction were evaluated in their impact on liquid organic materials in laboratory conditions. The results of our study shows, that the chemical reaction is sensitive to such space factors. But we believe that the technology of polymerization could be used for the creation of space biological laboratories in Earth orbit in the near future.     

利用小波分析在轨识别空间目标轨道机动

空间目标的轨道机动往往隐藏在测量噪声中, 不容易被识别出来. 轨道机动可以引起机械能的突变, 用空间目标与航天器的单位质量机械能差作为机动识别的特征信号, 不会引入航天器本身的定轨误差. 用小波多尺度分解处理含噪声的特征信号, 对分解后的数据利用算法识别是否存在机动. 仿真结果表明, 本文提供的方法能有效识别空间目标的轨道机动.      

基于相控阵雷达波束篱笆的空间碎片数量与分布估计方法

随着载人航天与空间站等航天活动的增多,不能有效防护、也无法定期跟踪和编目的小尺寸(尤其是1～10 cm)碎片的危害越来越受到关注,这些碎片信息的获取依赖于统计采样技术.针对简化的相控阵雷达波束篱笆空间碎片探测模式,提出了一种采用统计技术估计空间碎片总数量以及高度和倾角分布的方法.将碎片穿越波束篱笆的过程用Poisson分布来建模,根据观测时段内穿越波束篱笆目标的平均到达率及测量的轨道高度和倾角数据来估计给定轨道高度范围或倾角范围内碎片的数量,进而得到碎片的总数量以及碎片数量随轨道高度或倾角的分布.在获取雷达散射截面信息时,该方法还可用于估计碎片数量随尺寸的分布.通过仿真实验验证了该方法的有效性.