等離子體風(fēng)洞中釋放二氧化碳降低電子密度*

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) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點實驗室,合肥 230026)

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

3) (中國科學(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) (北京遙測技術(shù)研究所,北京 100076)

航天器從近地空間進入大氣層過程中,由于激波加熱,會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線電通信中斷,即“黑障”效應(yīng).為了緩解“黑障”效應(yīng),國內(nèi)外學(xué)者進行了多方面的技術(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,主要針對鹵族元素和水開展理論和實飛研究.本文基于二氧化碳不易在高溫流場中發(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,主動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 個量級,為解決再入過程中黑障問題提供了一種可行方法.

1 引言

航天器從近地空間進入到大氣層時,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1013cm-3,對應(yīng)的等離子體頻率可高達(dá)30 GHz,遠(yuǎn)超出了當(dāng)前遙測S,C,X 等常見頻段的覆蓋范圍[2,3].常規(guī)遙測信號在穿透鞘套的過程中能量會被吸收、散射和反射,從而導(dǎo)致信號中斷,形成“黑障”效應(yīng)[4,5].神舟飛船返回過程中,黑障效應(yīng)造成地面遙測信號中斷數(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)用價值.

以美國RAM (Radio Attention Measurement)項目為代表,各國學(xué)者進行了大量主動干預(yù)等離子體鞘套研究[6].NASA (National Aeronautics and Space Administration) 成功執(zhí)行了多次飛行實驗,針對性開展鞘套等離子體電磁波衰減和地空無線電波通信效果的實驗驗證.在鞘套等離子體背景下,考慮不同天線設(shè)計的電離效應(yīng),設(shè)計等離子體在線診斷技術(shù)以及流場剖面參數(shù)(如電子密度)的診斷方法[7].同時,也提出了包括磁窗通信[3,7,8]、氣動外形修正[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干預(yù)技術(shù).其中,釋放親電子物質(zhì)在工程上較易實現(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 載人實驗通過釋放水有效降低等離子體鞘套的電子密度,人為產(chǎn)生了一個無線電傳輸窗口,對甚高頻和 C 波段信號的傳輸有一定的恢復(fù)[11].除了研究釋放水對等離子體鞘套通信的改善效果,也有實驗采用六氟化硫、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)進行測試.各類物質(zhì)通過降低流場溫度,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].

我們早期也在實驗室環(huán)境下進行了化學(xué)物質(zhì)釋放實驗,利用中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)空間等離子體實驗(KSPEX)裝置開展了二氧化碳等化學(xué)物質(zhì)釋放實驗,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程[15],利用多種診斷手段測量了電子密度、電子溫度、空間電勢的三維分布及演化[16?19].然而,相比于真實飛行環(huán)境,實驗室等離子體碰撞頻率較低、壓強較小,且沒有流速影響.因此,為了盡可能接近真實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驗研究,并定量分析二氧化碳和電子密度降低之間的關(guān)系.

2 實驗設(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)洞通過電弧放電或高頻放電產(chǎn)生等離子體.放電穩(wěn)定后,通過釋放系統(tǒng)將二氧化碳注入進本底等離子體.實驗的第一部分是在電弧風(fēng)洞中進行的,通過正負(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)過喇叭形噴管后急速膨脹,形成高焓的等離子體流場,等離子體流速約為1 Mach[20](1 Mach=340 m/s).試驗艙的尺寸為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)洞等離子體流場能夠穩(wěn)定維持300 s 以上,可以滿足釋放效果實驗.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).因此,僅靠電弧風(fēng)洞,無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 實驗設(shè)計示意圖Fig.1.Schematic of experimental setup.

基于上述原因,實驗的第二部分選擇在高頻風(fēng)洞中進行.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)生器通過噴管與實驗艙相連,經(jīng)過噴口加速形成熱流場.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.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.

整個實驗過程中,裝置本底真空約為100 Pa.之后,將壓力高達(dá)兆帕量級的壓縮空氣以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驗.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通過釋放裝置擴散進等離子體流場.

實驗中,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.為了解決該問題,我們設(shè)計了微通道釋放模塊.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

實驗使用朗繆爾掃描探針對高焓流場電子密度進行診斷.探針材料選用具有高熔點和抗氧化性能的金屬銥.實驗中,朗繆爾探針安裝在可上下移動支架上,置于流場下游.這樣既實現(xiàn)了朗繆爾探針在等離子體區(qū)域上下移動,又能夠盡可能探測到電子密度下降區(qū)域.流場穩(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.釋放完成后及時將探針移出流場,減小流場對探針的燒蝕.值得說明的是,上述連續(xù)采集釋放前后密度變化,需要較長時間.在高焓的高頻等離子體風(fēng)洞中易導(dǎo)致探針長度明顯變化,帶來診斷誤差.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等離子體一側(cè)區(qū),待到流場建立,移動探針至流場中心進行1 s 的等離子體密度采集.之后進行探針更換,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)洞實驗條件限制,實驗過程中難以安裝步進電機實現(xiàn)等離子體密度分布逐點掃描,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量.實驗中,探針采用200 Hz 的三角波信號源供電,信號采集頻率為200 kHz,每個數(shù)據(jù)點為1 s 內(nèi)200 個周期的數(shù)據(jù)平均值.

4 實驗結(jié)果與討論

實驗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,主要組分濃度排序為 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,實現(xiàn)電子密度降低.相應(yīng)的離子化學(xué)反應(yīng)過程表示為

考慮到風(fēng)洞環(huán)境比較復(fù)雜,在實驗開始階段進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,本底電子密度可穩(wěn)定在1012cm-3的量級.之后再開展二氧化碳釋放實驗.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,此時等離子體達(dá)到相對穩(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,朗繆爾探針置于摻混區(qū)后方,盡量降低稀釋效應(yīng)對釋放效果的影響.

圖2 二氧化碳釋放前(3—10 s)和釋放后(12—18 s)電子密度隨時間的變化,展示了兩車次實驗(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車次結(jié)果,其中紅色曲線(EXP1)是第一車次的實驗結(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 的時間內(nèi),電子密度下降比例為72.7%.在隨后的釋放過程中,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.對應(yīng)等離子體頻率從9.4 GHz 下降到4.9 GHz,在遙測常用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%,此時對應(yīng)等離子體頻率從10.4 GHz 下降到5.68 GHz.圖2 中兩次實驗本底電子密度略有差異,EXP2 本底電子密度比實驗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)多次實驗都能看到該現(xiàn)象.釋放后EXP2 與EXP1 的電子密度同樣有約10%的差異.根據(jù)兩次實驗釋放前后的平均值計算,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.

為了充分驗證不同狀態(tài)下的二氧化碳釋放效果,進行了多次重復(fù)實驗.圖3 為多次實驗的測量結(jié)果,橫坐標(biāo)代表實驗車次,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,圖中每個數(shù)據(jù)點都是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 計算了每個車次實驗的下降比例,下降比例高達(dá)60%—80%,這意味著電子密度下降幾乎接近1 個量級.每一密度點的誤差棒是根據(jù)1 s 時間內(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%.誤差同時影響釋放前后的密度數(shù)據(jù),基本對實驗結(jié)果下降比例沒有影響.值得討論的是,釋放二氧化碳前電子密度的波動值(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)大功率放電過程中,電弧電源等設(shè)備的性能會發(fā)生一定溫漂;導(dǎo)致在設(shè)定功率一致的情況下,實際耦合效率會有一定差異,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)實驗密度下降比例均值為68.89%,與圖2 兩次實驗效果基本一致.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)洞中進行后續(xù)實驗.之后再根據(jù)高密度實驗狀態(tài)進行釋放實驗.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)).每個數(shù)據(jù)點從1000 個采樣周期中取平均值,本底電子密度約13.2×1012cm-3,對應(yīng)等離子體頻率為32.6 GHz.EXP1 和EXP2 釋放的流量均為8 g/s,兩次實驗密度曲線的波動同樣可歸結(jié)于不同實驗等離子體電子密度內(nèi)在漲落的影響.兩次實驗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,在8 g/s 的釋放條件下,二氧化碳比例過低,此時反應(yīng)速率已達(dá)平衡,不足以進一步降低電子密度,因此,猜測可以通過增加釋放二氧化碳量來進一步降低電子密度.

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)正常測控通信.在高密度流場環(huán)境,通過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.值得說明的是,實驗過程中先形成等離子體流場,然后進行二氧化碳釋放實驗.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,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 個量級,證明了流場環(huán)境下進行耗盡模擬鞘套電子密度的研究是可行的.實驗結(jié)果為緩解黑障效應(yīng),恢復(fù)可靠測控通信提供了實用依據(jù).這為進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復(fù)雜過程,除了高密度對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結(jié)構(gòu),當(dāng)這些密度不均勻結(jié)構(gòu)也會反射、散射電磁波,影響測控通信.后續(xù)實驗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,探究主動干預(yù)過程前后電子密度結(jié)構(gòu)的形成及對電磁波傳播的影響.在釋放效果穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,進一步研究流場流速、碰撞頻率等因素對釋放效果的影響,并擇機聯(lián)合開展航天器測控通信實驗,這也將為技術(shù)實用化奠定基礎(chǔ).