地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题,获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本,亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展,发现不同技术之间差异大,在航天应用过程中,需充分考虑地外环境限制因素,以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给,还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展,有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展,将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环,降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求,也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路,以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。     

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.      

日本"月女神"探测器的有效载荷(下)

6 月球磁强计(LMAG)和等离子体能量角与成分实验(PACE) 利用LMAG和PACE可以对目前和远古时期月球周围的磁场和等离子体环境及其演变进行研究.     

利用聚类算法区分小尺度电离层行扰事件与赤道等离子体泡事件

利用Swarm卫星2015年1月1日至2019年12月31日的50Hz高频磁场数据,根据阈值判断垂直于主磁场方向的扰动,对磁纬45°N-45°S之间的小尺度电离层行扰事件进行探测.为避免混淆而产生的干扰,可以根据阈值判断平行于主磁场方向是否发生扰动,从而排除典型的赤道等离子体泡事件.但对于较弱的赤道等离子体泡事件,扰动阈值判断无效.为避免弱赤道等离子体泡事件的污染,根据小尺度电离层行扰事件和赤道等离子体泡事件在不同参数空间中的密度分布差异,利用基于密度的聚类算法将赤道等离子体泡事件进一步甄别提取.结果表明,聚类算法能够有效地将赤道等离子体泡事件从小尺度电离层行扰事件中甄选出来,并使小尺度电离层行扰事件聚类与赤道等离子体泡事件聚类形成清晰的边界.由聚类算法导出的弱赤道等离子体泡事件主要分布在磁纬15°N-15°S,地理经度20°-60°W,月份10至3月之间,并且在20:00MLT-24:00MLT存在高发生率,同时依赖于太阳活动,这也验证了前人的相关研究结果.      

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

2006年4月5日中等强度磁暴期间观测到的大经度范围等离子体泡

利用分布在70°E～210°E和20°S～40°N之间的GPS台站的数据,分析了2006年4月5日夜间(中等强度磁暴期间)观测到的电离层等离子体泡的特性.结果表明,本次事件中,等离子体泡大约发生在当地日落后1～1.5 h;空间范围为经度90°E～160°E,纬度12°S～33°N.这是第一次利用地基设备观测到如此大经度范围内的等离子体泡.等离子体泡在南半球出现较早,并且存活时间较长.在其产生的过程中,在约1100 km高度上,映射到磁赤道向上的运动速度约为300m/s,并且等离子体泡在高度上有倾斜.东向电场的存在,对激发等离子体泡起到了一定的作用.      

低功率氮氢电弧加热发动机非平衡数值模拟

文章对低功率氮氢电弧加热发动机进行了双温度化学非平衡数值模拟研究,模型中包含总的能量方程和电子能量方程,等离子体组分包括分子、原子、离子和电子等7个组分,采用的化学动力学模型中包含了氮氢组分解离、电离等重要的动力学过程,气体的物性根据当地的组分和温度实时计算。通过计算获得了发动机内部气体温度及各组分数密度分布。结果表明,发动机轴线附近等离子体接近热力学平衡,而在发动机阳极壁面电弧贴附区域等离子体明显偏离热力学平衡;计算获得的组分分布表明电弧加热发动机内存在反混合过程,即发动机内各组分分布与入口浓度分布明显不同。氢组分由发动机中心到阳极壁面沿径向呈现先减小后增大的趋势;而氮组分的浓度分布趋势与氢组分相反;进一步的分析表明,发动机内各组分的扩散主要受到气体解离和电离过程引起的浓度梯度所驱动。     

冷而密的等离子体片及其对磁尾等离子体片分布特性的影响

地球磁尾等离子体片在太阳风-磁层耦合过程中起着重要的作用，其中冷而密的等离子体片是地磁活动平静期太阳风等离子体进入磁层的重要区域.以往的研究通常没有利用局地探测数据针对冷而密的等离子体片发生率在地心太阳磁层坐标系（GSM）中xy平面分布的统计分析.本文利用GEOTAIL卫星1996-2016年的局地测量数据，给出了等离子体片密度、温度及冷而密的等离子体片发生率的二维分布.与温度具有晨昏对称分布不同，等离子体片数密度呈现明显的晨昏不对称性，并且冷而密的等离子体片发生率在晨侧较高.      

均匀磁化暖电子等离子体中的射线方向

本文给出了暖电子等离子体中各种频率波的射线方向.揭示了射线方向矢量的一些重要特征.特别是当波在暖等离子体相应的冷等离子体谐振区附近,暖等离子体中有一个等离子体波在传播.电子等离子体波可以与寻常波或非常波相联接,并使波能比在一个相应冷等离子体中有更宽的传播角域.      

等离子体鞘套对C波段通信信号传输影响的试验

飞行器在稠密大气层超音速飞行时,由于其周围形成等离子体鞘套对通信信号的屏蔽或能量大幅度衰减效应,可使飞行器与地面间通信产生中断.以等离子体鞘套对通信信号透射相位改变和能量吸收为基本出发点,以高温激波管试验装置产生的、生存时间为几百微秒量级的等离子体鞘套为研究对象,利用四进制相移键控（QPSK,Quaternary Phase Shift Keying）调制、载波频率为7.5GHz的信号生成与测量系统获取有无等离子体鞘套时信号相位特征、眼图特征、图像传输等的对比试验结果,利用矢量网络分析系统E8362B获取了有无等离子体鞘套时透射能量衰减对比试验结果.试验结果不仅进一步证明了等离子体鞘套对通信信号能量大幅度衰减将不同程度影响飞行器与地面的正常通信;同时表明等离子体鞘套能够使QPSK信号相位特征产生改变,从而在信号解调解码后眼图特征产生严重畸变,通信系统误码率P_e 大大提高,最终导致接收端无法复现发送端发送的原始信息.     

Reevaluation of thermosphere heating by auroral electrons

This paper presents a new calculation of neutral gas heating by precipitating auroral electrons. It is found that the heating rate of the neutral gas is significantly lower than previous determinations below 200 km altitude. The neutral gas heating arises from the many exothermic chemical reactions that take place from the ions and excited species created by the energetic electrons. The calculations show that less than half the energy initially deposited ends up heating the neutral gases. The rest is radiated or lost in the dissociation of O₂ because the O atoms do not recombine in the thermosphere. This paper also presents a new way of calculating the heating rate per ionization that can be used for efficient determination of the overall neutral gas heating for global thermosphere models. The heating rates are relatively insensitive to the neutral atmosphere when plotted against pressure rather than altitude coordinates. At high altitudes, the heating rates are sensitive to the thermal electron density and long-lived species. The calculations were performed with the Field Line Interhemispheric Plasma (FLIP) model using a 2-stream auroral electron precipitation model. The heating rate calculations in this paper differ from previous heating rate calculations in the treatment of backscattered electrons to produce better agreement with observed flux spectra. This paper shows that more realistic model auroral electron spectra can be obtained by reflecting the up going flux back to the ionosphere at the upper boundary of the model. In this case, the neutral gas heating rates are 20%–25% higher than when the backscattered flux escapes from the ionosphere.     

L'interaction entre le flot d'helium neutre d'origine interstellaire et l'heliosphere

Elastic collisions between neutral helium atoms from interstellar origin and protons from both the interstellar plasma in the heliospheric interface and the solar wind inside the heliosphere modify parameters of the helium gas. Upstream the heliopause, the helium atoms release momentum to the plasma, which results in a decrease of their bulk velocity, and remove energy from the plasma, which results in an increase of their temperature. Inside the heliosphere, the major part of the energy communicated by solar wind protons to helium atoms is transferred through scarce frontal collisions, which results in the creation of a hot tenuous He component in the downstream (with respect to the sun) region. The modification of the spatial He distribution function near the sun due to slightly deflected atoms is negligible in first approximation. Lastly, we emphasize that the collisional effect is probably insufficient to explain the high temperature of helium derived from photometric measurements of the interplanetary medium at 58.4 nm (16 000 K). By taking into account two other effects which are the light transfer in the He resonance line inside the focusing cone and a possible latitudinal anisotropy of the solar ionizing EUV flux, leading both to a lowering of the contrast of the cone, we show that the temperature discrepancy between H (8 000 K : spectral measurements : line width, Doppler shift) and He (16 000 K : photometric measurements) can be reasonably explained by the combined actions of these three effects : elastic collisions, light transfer at 58.4 nm inside the focusing cone, solar EUV flux latitudinal anisotropy.     

中性气体释放人工产生气辉

电离层中分子性的离子与电子的复合要比氧离子与电子的辐射性复合快得多,因此火箭发动机产生的尾气和空间等离子体主动实验中主动释放的中性气体会对电离层有很大的影响,这么大的电离层扰动现象在过去的实验中经常可以观测到.根据中性气体在热层背景中的扩散方程,考虑电离层F区主要的离子化学反应,研究了H2,H2O和CO2气体在电离层高度上的扩散过程和电离层对所释放气体的响应,计算了气辉的体发射系数和发射强度.结果表明,中性气体在电离层高度上扩散非常迅速,在F区的一些高度上,主要正离子成分由O+转变为其他分子离子,且在释放过程中伴随气辉发射,发射气辉的波长和特征与释放物质的种类有关.      

Chemical composition measurements of the atmosphere of Jupiter with the Galileo Probe mass spectrometer.

The Galileo Probe entered the atmosphere of Jupiter on December 7, 1995. Measurements of the chemical and isotopic composition of the Jovian atmosphere were obtained by the mass spectrometer during the descent over the 0.5 to 21 bar pressure region over a time period of approximately 1 hour. The sampling was either of atmospheric gases directly introduced into the ion source of the mass spectrometer through capillary leaks or of gas, which had been chemically processed to enhance the sensitivity of the measurement to trace species or noble gases. The analysis of this data set continues to be refined based on supporting laboratory studies on an engineering unit. The mixing ratios of the major constituents of the atmosphere hydrogen and helium have been determined as well as mixing ratios or upper limits for several less abundant species including: methane, water, ammonia, ethane, ethylene, propane, hydrogen sulfide, neon, argon, krypton, and xenon. Analysis also suggests the presence of trace levels of other 3 and 4 carbon hydrocarbons, or carbon and nitrogen containing species, phosphine, hydrogen chloride, and of benzene. The data set also allows upper limits to be set for many species of interest which were not detected. Isotope ratios were measured for 3He/4He, D/H, 13C/12C, 20Ne/22Ne, 38Ar/36Ar and for isotopes of both Kr and Xe.     

等离子体对燃气在补燃室中燃烧特性的影响

为研究等离子体对多组分燃气在发动机补燃室中的助燃特性,建立了多组分燃气供给系统以及扩散燃烧实验模型。测量了等离子体炬的发射光谱,得到了等离子体炬的主要激发态粒子;拍摄了多组分燃气在补燃室的扩散火焰照片,得到了等离子体对多组分燃气的扩散火焰形貌的影响;测量了补燃室4个不同截面上的静压和总压,分析了等离子体对多组分燃气在发动机中燃烧效率的影响。实验结果表明:等离子体炬主要产生氮气和氧气的激发态粒子;加入等离子体后,喷出冲压尾喷管的火焰长度得到进一步缩短,说明等离子体可以在更短的燃烧室长度内使得多组分燃气得到更加充分的燃烧;加入等离子体时,补燃室不同截面的静压和总压都会出现突升台阶,说明等离子体可以加快燃气的化学反应速率,提高多组分燃气在发动机中的燃烧效率,且等离子体功率越高,燃气燃烧效率的增长率越高。     

利用热力学与统计物理方法研究电离层E层的形成

将太阳光子作为反应物引入电离层化学反应中, 运用化学热力学方法, 获得低电离层光化学反应的反应度及其化学平衡常数, 进而得到低电离层的电子密度, 并通过统计物理方法推导出相应的化学平衡常数. 结果显示, 运用热力学方法得到的低电离层电子密度与Chapman理论几乎完全一致, 表明利用热力学方法研究电离层的形成是可行的. 分别用热力学方法和统计物理方法得到的平衡常数之间存在一定的差异, 分析表明, 这是因为光化学过程中并非所有光子能量都转化成了电离能, 其中有一部分能量转化为热能或使粒子处于激发态, 这种差异的存在使利用统计物理方法推导电离层等离子体温度成为可能.      

Origin and energetics of the Io plasma torus

The ionization of the gas ejections from the Io satellite into the Jovian magnetosphere by the corotating magnetospheric plasma flow is considered. It is shown that the plasma flow velocity at the Io orbit exceeds the critical velocity at which the anomalous electron ionization of the heavy gas components takes place due to collisionless energy transfer from ionized gas atoms to plasma electrons. The energy, number density and spatial distribution of suprathermal electrons is calculated using the quasilinear theory of newly ionized atoms instability in a moving plasma. Saturation of the plasma density build up in a plasma is considered in terms of the instability quenching by Coulomb collisions.     

霍尔推力器分割高偏压电极等离子体放电特性

霍尔推力器通道等离子体与壁面有很强的相互作用,为了降低壁面腐蚀,提高在轨寿命, 针对推力器全通道放电过程建立二维物理模型,采用粒子模拟方法（Particle In Cell）,数值研究了电离区壁面分割高于阳极偏压的低发射石墨电极对推力器放电特性的影响,讨论了放电通道电势、离子数密度、电子温度、电离速率及比冲的变化规律。结果表明：在电离区不同位置分割高偏压电极对等离子体放电特性影响明显,电极位置在电离区前端时,电极偏压高于阳极电压60V时通道内放电等离子体参数几乎不变。而电极位置在电离区末端,电极偏压高于阳极电压18V时就会导致加速区轴向扩张,离子聚焦效果强,电子温度显著升高,电子与壁面相互作用减弱,羽流发散角减小。由此推力器比冲提升约12%,寿命延长,性能提高。     

地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径,是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器,采用流动反应器设计,用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用,实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器,理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响,尚需进行微重力试验进行验证。同时,微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件,获得优化的反应条件。通过地面试验,验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料,3V电压条件下,O２产率可达11.74mL/h。此外,基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置,形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统,并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。     

Study of fast atoms in molecular gas plasma via emission spectroscopy

Fast atoms are generated in reactions of ions with the molecular gas in laboratory and astrophysical plasma. In hydrogen they are observed in the emission spectra via Excessive line broadening. Energetic atoms also occur in astrophysical plasma in hydrogen, nitrogen and oxygen. The proposal here is that low pressure discharges can be used to simulate the phenomena in certain space plasma. In this study, we have used a special configuration of the electrode system, to obtain energetic atoms in plasma of three types of diatomic gases (H₂, O₂, N₂). Emission spectroscopy was used to detect the atoms and measure their velocity. Energy analysis was performed to obtain atoms’ distributions and evaluate the mean energy of atoms. This was compared to the potential energy available from the electric field. The field acceleration model, previously established for hydrogen, was extended to nitrogen and oxygen. We suggest, that the same method of analysis can be applied for astrophysical plasma spectrum.