上游太阳风中高能电子向同步轨道区的传输

通常认为，同步轨道区的电子通量增加是由于磁暴或者上游太阳风高速流的扰动所引起．近来的观测表明，起源于太阳活动的行星际高能电子也是引起同步轨道电子通量增加的重要原因之一．Zhao等在研究2000年7月14日太阳剧烈活动时发现，同步轨道区相对论电子通量巨幅增加时没有观察到上游太阳风高速流的扰动，并且磁暴发生在电子通量事件之后．采用解析磁场模型和实际磁场模型(T96模型)模拟来自太阳的相对论电子在磁尾中的运动特性．计算结果表明，当行星际磁场南向时，进入到磁尾的行星际相对论电子可以从较远的磁尾区域运动到同步轨道区域．这一研究结果从理论上论证了起源于太阳活动的高能电子可以对同步轨道区相对论电子通量的增加产生重要的作用．     

近月空间带电粒子环境——“嫦娥1号”“嫦娥2号”观测结果

“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors,HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors,SWIDs）,进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测,获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时,近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间,发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件,这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域,其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生;能量电子总流量大于10¹¹ cm^-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外,月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现,揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。     

关于磁尾高能粒子脉冲的一些特性

利用行星际监察卫星IMP-J取得的高能粒子探测数据(质子能档P4:230keV>E>160keV)与极光电激流指数AE作相关分析,在地心太阳磁层坐标下,按照Fairfield关于中性片对地心太阳磁层"赤道面"的偏离模式,把磁尾分成三个区域:中性片区域、低纬区域和高纬区域。结果表明:(1)高能粒子脉冲的平均强度在中性片区域最强,低纬次之,高纬最弱,表明高能粒子脉冲源区在中性片区域;(2)中性片附近,粒子脉冲和AE指数相关最好,达0.59,低纬次之,高纬几乎无相关,表明粒子脉冲与亚暴事件有关,它是磁尾中性片附近磁力线重联产生的感应电场加速的结果;(3)粒子加速区局限于中性片附近的薄层内,与国外结果完全一致。      

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。      

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

远磁尾磁层顶位形的偏转

利用WIND和ARTEMIS卫星观测数据，分析远磁尾磁层顶对行星际和太阳风变化的响应，尤其是偏离日地连线的太阳风速度改变对远磁尾磁层顶的影响.研究发现在2011年9月13日的事件中，P2卫星观测到高速且高密度的磁鞘流.利用最小变量法进行分析发现，磁层顶沿着偏离日地连线的太阳风速度方向发生偏转.根据相似三角形定理，推断出本次事件中磁层顶在y方向和z方向上的偏转幅度分别达到10R_e和6R_e.P1和P2卫星的相对位置也证实了这一观点.因此，偏离日地连线的太阳风速度对远磁尾磁层顶的位形影响很大.研究结果可为建立包含太阳风速度v_y和v_z效应的磁层顶模型提供观测证据.      

行星际激波对地球磁层的压缩效应分析

2004 年11月9日WIND飞船探测到一个典型的行星际激波. 激波前行星际磁场为持续约50 min的弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生北向偏转且太阳风动压脉冲增强. 在此强动压脉冲增强结构作用下, 磁层被压缩至一个很小的区域. 激波作用于磁层时引起地球同步轨道 各区域高能粒子通量的响应, 但是不同磁地方时的高能粒子通量的响应不同, 表现出双模式扰动, 即在晨昏两侧各能段的电子和质子通量显著增强, 在子夜侧发生类似于亚暴的无色散粒子注入现象. 扰动从向阳面传输到背阳面, 向阳面粒子通量最先增强, 随后背阳面靠近晨昏两侧, 粒子通量开始增强, 最后子夜侧粒子通量表现出无色散高能粒子注入的特点. 另外, 在靠近正午侧, 质子通量先于电子通量发生响应, 在子夜侧电子通量则先于质子通量发生响应. 利用位于向阳面正午两侧的GOES-10 和 GOES-12卫星观测数据发现, 激波作用于磁层时靠近晨侧的磁场变化表现出简单压缩效应, 而靠近昏侧的磁场变化则显然不同, Bx分量减弱, Bz分量几乎减为零, 而By分量则显著增强. 此外, 位于近地磁尾低纬尾瓣区的TC-1卫星观测到激波触发的尾瓣SI现象.      

地球同步轨道高能电子增强事件预报方法

分析了地球同步轨道高能电子通量增强事件的发生规律及其与太阳风和行星际磁场参数的关系，并在此基础上建立了基于人工神经网络的高能电子增强事件模式，经实测数据检验，预报模式可以对未来1天的高能电子通量进行预报，误差为8．2％，达到了较高水平．     

高速太阳风中α粒子分布的形成

以多级波粒相互作用模型和1维电磁混合模拟方法研究了高速太阳风中α粒子分布的形成机制．认为α粒子从其产生区到1AU,经历4个特征区域：在冕洞下方的小尺度磁重联区,α粒子产生并得到加速：在约十几个太阳半径日冕区,α粒子形成球壳分布函数：在几十个太阳半径处,在Alfven波和温度各向异性不稳定性的作用下,α粒子分布函数演化为漂移Maxwell分布：当α粒子进入0．3－1AU时,Alfven波的作用使α粒子速度超过太阳风速度约1个局域Alfven速度．     

太阳高能粒子事件上升时间统计研究

选取1997-2006年共66个较大的缓变型太阳高能粒子(SEP)事件, 分析了不同条件下太阳高能粒子通量廓线上升时间与源区日面经向分布之间的相关关系, 研究了日冕物质抛射(CME)和耀斑在SEP上升阶段的作用特点.统计结果表明,大SEP事件的源区主要分布在太阳西半球, 特别是磁足点东西两侧45°范围内; 在高速太阳风条件下, 低能通道的通量上升时间与日面相对经度有较好的相关性,即离磁足点越远, 上升时间越长,而高能通道相关性则不明显; 全晕状CME产生的SEP事件对应的上升时间与源区位置没有明显的相关性, 而部分晕状CME伴随的SEP事件则与二次拟合曲线符合很好.分析表明,在缓变型SEP事件的通量上升阶段, 耀斑加速过程起着重要作用,这在部分晕状CME伴随的SEP事件中尤为显著.      

高中低能电子联合辐照电介质薄膜充放电效应

高能(350KeV)-中能(18—30KeV可调)-低能(4—5KeV可调)电子联合辐照聚酯薄膜和特氟隆薄膜,得到与中能电子辐照、高-中能电子联合辐照以及中-低能电子联合辐照不同的结果。实验结果表明,高能电子能诱发电介质薄膜充放电。特氟隆薄膜的三能电子联合辐照实验结果与Coakley和Treadaway的1-100keVdN/dE∝E~(-2)谱电子辐照实验结果以及NASCAP计算机模拟结果符合。得出结论,三能电子联合辐照可较为完善地模拟静止卫星电介质的充放电效应。论证了选用三种能量电子的充分性和必要性。推断出,如果在星食期遇到象1979年4月24日磁层亚暴事件,则静止卫星表面某些电介质局部电位有可能超过SCATHA卫星近期数据给出的和NASCAP计算的-2—-4KV,而且会出现大的放电。     

航天器表面充电状态被动控制用的导电膜

本文说明了航天器表面充电状态被动控制的概念及其优点。用反应磁控溅射技术制备了适用于充电状态被动控制的氧化铟/锡膜、氧化铟膜及氧化锡膜。给出了这些膜的透过率、发射率、表面电阻率。在模拟空间(含亚暴)的环境条件下,对这些膜的充电特性作了评估。实验和测试表明这些薄膜性能完全符合NASA提出的规范要求。     

低轨道航天器的表面充电模拟

为研究航天器表面材料在空间环境中的充电现象, 利用SPIS (Spacecraft Plasma Interaction System)模拟了航天器在低轨道等离子体环境中的表面充电情况, 通过对模拟结果进行分析并与实际观测进行比较, 可以看出模拟结果基本能够反映出不同性质材料之间的充电差别, 特别是导电材料与非导电材料之间的充电差别. 模拟得到的充电电位及充电时间与充电的一般理论计算结果符合较好, 且能够清晰反映出航天器运动中产生的冲击流及尾流的结构特征. 根据SPIS低轨道航天器表面充电模拟的特点, 认为SPIS的模拟结果是合理的.      

航天器介质材料深层充放电实验与数值模拟

空间辐射环境中高能电子诱发的介质材料深层充放电效应是威胁航天器安全的重要因素之一. 本文采用不同束流强度的电子枪电子, 研究了不同厚度的聚酰亚胺薄膜的深层充电过程; 利用Sr90放射源电子模拟GEO轨道高能电子环境, 研究了在其辐照下聚甲醛树脂和聚四氟乙烯材料的表面电位变化; 实验观测了深层放电产生的电流脉冲和电场脉冲. 提出了深层充电模型, 较好地模拟了实验测量结果, 并且分析了深层充电平衡电位和平衡时间随电子束流强度和介质电阻率的变化规律. 实验和数值模拟结果初步揭示了深层充放电效应的特征及规律, 表明深层充电现象随着电子束流强度和介质电阻率的增加而趋于明显, 介质电阻率是影响深层充电平衡电位和平衡时间的主要因素.      

航天器表面材料充电性能研究—关于RTV-Ⅱ和13-17涂层的评价

本文报道了RTV-Ⅱ黑漆和13-17白色涂层二种航天器温控材料的电导在综合空间环境条件下的实验结果。实验表明RTV-Ⅱ涂层材料的电导从1984年到1986年,几乎每年下降一个量级,因而充电状态明显改变。13-17涂层材料的电导对空间真空环境响应不明显,但对电子辐照和光辐照响应显著,尤其对光辐照存在强烈的记忆效应。预测该涂层在轨道上由光照区进入星蚀区也不会出现明显充电现象。     

卫星磁层亚暴环境模拟试验设备的设计

卫星表面充电是七十年代初发现的严重危害同步轨道卫星的新问题。为了寻求解决卫星表面充电问题的方法,许多国家进行了广泛的研究。我们于82年开展卫星表面充电模拟试验技术研究。本文仅就我们在磁层亚暴环境模拟设备设计中考虑的一些问题作简要介绍。阐述了对模拟系统的要求,模拟系统的组成和用途,介绍了真空系统,电子枪,光源和测量系统设计中应考虑的问题。     

卫星表面材料物性与电荷积累

卫星表面在地磁亚暴环境下积累电荷的现象是必然的。由于表面间物性的差别,这种积累将是不均衡的,然而一旦建立了电势差,那末表面与表面,表面与构架间就会存在电荷交换,使电势差逐渐趋于减小。文章试图通过物理模型的建立,由此推导出面间电势差变化与表面电势值及表面的电导、电容的关系,从而建立一种明确的数学模型,以利卫星表面充电状态的分析。     

航天器材料KAPTON和F4.6薄膜充电性能研究

Kapton和F4.6是两种航天器上最常用的重要热控材料,但它们都是高绝缘的有机高分子聚合物,故在充分利用它们的优良物化性质时,不能不关心它们在空间亚暴环境下表面充电的性能。为此本文在简述了新增环境温度变化的条件后,详细讨论了这两种材料在模拟空间真空、空间亚暴时电子辐照、太阳辐照及其所处环境温度变化时,它们表面电阻率随环境变化响应规律,并由此预测其充电的状态。     

控制航天器充电水平的计算机模拟研究

运用等效电路模式理论推导出随时间变化充电问题的微分方程组及其相应的计算机模拟程序，并针对强亚暴的情况分析了航天器充电水平，模拟并讨论了采用电子枪向外发射电子束作为控制航天器充电水平手段的作用效果。     

基于BP神经网络的GEO等离子体环境参数反演分析

空间等离子体环境诱发的表面充电效应会对航天器运行产生干扰,严重时将导致太阳电池等部件失效。通过神经网络反演方法,以GEO环境中介质表面充电电位曲线作为输入,在双峰麦克斯韦分布假设下,可以逆向得到高能峰的等离子体参数。分析了GEO等离子体环境参数对表面充电电位曲线的影响,表明高能峰在充电过程中起决定性作用;其次通过MATLAB搭建BP神经网络,采用COMSOL计算得到多组充电曲线进行网络训练和反演计算,得到等离子体密度反演的平均相对误差为0.42%,温度反演的平均相对误差为0.03%,整体误差在0.1%～5.6%。结果表明,采用神经网络对等离子体环境进行反演具有可行性,该方法可以作为空间等离子体环境探测结果的对比参考和航天器非探测点表面电位计算的输入条件。