第四章等离子体环境2(效应)

1、1 4.4 空间等离子体效应空间等离子体效应4.4.1 空间等离子体对电波传播的效应4.4.2 空间等离子体对大型空间系统的效应 与对策4.4.3 航天器表面充电效应与对策4.4.4 航天器内部充电效应与对策24.4.1 空间等离子体对电波传播的效应 无线电波在经过空间等离子体中传播时所遇到的传播问题，是由于等离子体对通过的电波产生的折射、散射、吸收、闪烁和法拉第旋转等效应，这些效应使得电波的传播的速度、方向、相位、振幅和偏振状态等发生改变，从而影响通讯质量、定位导航的精度。34.4.1.1电波在空间等离子体中传播的基本理论 由于空间等离子体处于磁场中（如太阳风等离子体与行星际磁场冻结在一起；

2、地球等离子体处在地磁场中），所以电波在空间等离子体中的传播理论是磁离子理论，利用粒子的质量守恒方程、电荷守恒方程、动量守恒方程，广义欧姆定律及麦克斯韦方程联立求解得出入射电波与等离子体参量相关连的磁离子介质结构关系式（441）和色散式（4 4 6）： 4) 144(1213230PzPyPxUYilYilYilUYilYilYilUEzEyExX) 244(22202PemeNX) 344(HmBeY) 544(1iZU) 444(Z) 644 ()1 (4)1)(1 ( 2)1 (2122422iZXYYYiZXiZiZXXnLTT54.4.1.2 4.4.1.2 空间等离子体对电波传播的效

3、应空间等离子体对电波传播的效应 空间等离子体对电波传播的主要效应有折射（包括角折射、双折射Faraday偏振旋转）、吸收、载波相位超前、Doppler频移及闪烁。可造成脉冲波形失真。1、折射（传播时延，角折射，法拉第效应折射（传播时延，角折射，法拉第效应）电波在空间等离子体中传播时，由于电子密度的变化使得进入空间等离子体中传播的电波发生折射变化；由于磁场的存在，使得进入其中传播的电波发生双折射，被分裂为左旋和右旋的两个偏振波，产生电波偏振面旋转的法拉第旋转效应。空间等离子体对电波的这些折射，从而使传播路径改变，电波到达角改变，传播出现时延。6 由于空间等离子体对电波的折射作用，使得通过空间等离

4、子体传播的电波路径偏离直线而发生传播路径的改变，同时电波到达角也有改变，由这些改变而造成传播时延。空间等离子体对电波的双折射作用造成通过它的电波的偏振面的旋转。所有这些在卫星通信、测控和导航系统的设计、运行中是必须考虑的。 1）传播时延 群路径延迟 空间至地面穿过空间等离子体的电波，由于折射作用使得传播时间较之自由空间的要长，波能传速低于光速而引起的传播时间延长，这一长出的时间叫做传播时延或时延迟。 7为了提高导航定位精度，减少距离误差，在足够大带宽的导航或测距系统中大都采用双频f1、f2工作，此时空间等离子体造成的时延减小为（t）， （t）= t1（f12/ f221） 这样的双频系统的典型

5、例子是全球导航系统GPS，直接测量电离层的群路径延迟并因此对等离子体造成的时延修正，对典型的高太阳活动的白天I1018elm-2，由GPS接收机测量的（t）为35ns，等效电离层误差10.5m。 82）角折射 空间等离子体的折射指数造成传播路径弯曲，使得视在高度角（又有人叫做视在仰角）a大于几何高度角b的现象叫做角折射，也即电波到达角改变。 93）Faraday效应一个线偏振波通过空间等离子体传播时，由于双折射作用使得电波被分裂为旋转方向相反的两个圆偏振波（O波和X波），从而造成偏振面发生旋转，这种现象叫做Faraday效应。102、吸收（非偏离吸收，偏离吸收） 由于等离子体的碰撞频率 的存在

6、，折射指数出现虚部i，表明电波在等离子体中传播的振幅衰减，这是因为等离子体的碰撞使得电波损失能量。 111）非偏离吸收 当1时，由于电波的传播速度不变，路径不再弯曲，此时的吸收叫做非偏离吸收。显然，非常波的吸收更大。2）偏离吸收偏离吸收是指碰撞频率是小的情况，也即通过电离层F层及以上空间等离子体区时发生的吸收。随着电波接近反射处，因为0，电波所遭遇的吸收增加。123、载波相位超前 通过空间等离子体的电波除有群延迟（或调制时延迟），外还有载波相位改变。这样的相位改变相对于自由空间的相位是超前的，故而将空间等离子体引起的载波相位改变效应叫做载波相位超前。该效应在测速系统决定空间目标速度中是非常重要

7、的。相位改变量为15441034. 12Ifcycles实际上，在单频下是不能进行这种相位改变量测量的，也就是说若要对它进行测量或在测速系统中减小其影响，必须使用两个相干的工作频率。如GPS，卫星发射两个相干的载频L1，L2；此时的载波相移差为4.3110-17I I。 13.4、Doppler频移 当观测者相对信号源之间有相对运动时，观测者所接收信号频率fr将不同于信号源发射的频率，这么一个频率移动叫做Doppler频移，它是由相对大的自由空间几何频移和相对小的环境介质参量变化引起的附加Doppler频移组成。等离子体密度或积分电子含量的改变引起传播频率的变化，即附加Doppler频移。14

8、5 、闪烁1）闪烁指数 闪烁强度用接收功率变化来表征，通常用S4闪烁指数表示。 152）频率关系 对由卫星发射138MHz2.9GHz之间10个频率的波进行观测，给出了S40.6时，S4与频率有着S4f-1.5的关系，在较强闪烁时对频率的关系陡度变小；当S40.6时，S4与随频率成指数减小。相位闪烁指数随频率变化是弱的。3）衰落谱电波经过空间等离子体不规则体期间，电波将遭遇空间相位起伏，当其到达地面时引起干扰以及强度和相位发展中的衍射图。在衍射图和观测者之间存在着相对运动时，导致强度和相位的时间变化，这些表现在频率域上为观测到的强度和相位起伏频谱。16（4）电离层闪烁的主要特征由电离层不规则体

9、出现的特征和规律决定着电波的电离层闪烁的主要特征如下： 闪烁是一个夜间显著现象。 闪烁的不同纬度差异很大，经度效应明明显。 闪烁随季节变化，在二分季闪烁出现最多、最大。 闪烁与地磁活动关系复杂，不同纬度关系不一样。 闪烁与太阳活动关系密切，高年远大于低年，且出现位置变化，例如在太阳活动高年，闪烁峰出现在双驼峰处，而不是磁赤道。175）脉冲波形失真 由于正常电离层等离子体的色散可以引起通过它传播的脉冲失真，脉冲还受到不规则体引起的电波散射影响而改变。184.4.1.3 空间等离子体对通讯系统的影响与对策通讯包括各种用途（军用，民用；）的电话、电报、广播、测控、导航、以及通信等，而狭义讲它是指用于

10、传递语音和图像的过程。此处所说的通讯是后者，对遥感、测控、定位导航方面的问题单独讨论。 19由于电离层会使经其传播的高频、甚高频直至超高频波受到折射、散射、吸收、法拉第效应和电离层闪烁的影响，使波发生时延、信号衰落，从而使通信质量下降。法拉第旋转可使天线偏振失调，电离层闪烁造成经电离层传播的电波幅度、相位、到达角和偏振特性发生不规则的起伏，甚至千兆赫频段的信号幅度起伏也可以达到10dB。表4-4-1 给出了对电波影响的各种效应情况。 20效应频率关系1GHz3GHz10GHz法拉第效应f210010 1 闪 烁f 3220dB10dB4dB吸 收f210dB10-3 dB 10-4 dB传播延

11、迟f20.3s0.03 s0.003 s到达角变化f210 1 0.1 表4-4-1 电离层等离子体的主要电波效应21随着人类空间活动的日益频繁，对电离层造成的污染和干扰，必将使电离层的不规则性及其扰动强度大大增加，实际电离层的影响比上述数值将更严重。224.4.3.2 对策11、传播预报在地地通讯中，由于电离层等离子体有着繁杂的时空变化，为了保证正常的通讯，必须依据电离层的变化调整传输频率。这就要求作电离层传播预报，传播品质等级分为09，10级，0级表示不可用，7表示好，9表示极好。还要给出电离层暴、太阳耀斑效应及PCA（极盖吸收）预报及警报。主要电离层扰动的传播效应如表4-4-2示。23扰

12、动高纬电离层效应传播效应典型持续时间SID白天D层N增加吸收增加；信号损失34小时电离层暴高纬D层N增加；F层减少，情况复杂。过极区链路信号损失；近MUF信号损失；有用频谱变窄。几天中，一次几小时；一天PCA极盖区高的D层N过极区通讯链路信号损失；几天表4-4-2 主要电离层扰动的传播效应242、电离层闪烁预测 星地间通讯所遭遇的最严重的传播效应是电离层闪烁。对典型的卫星通讯频率1.6GHz，在太阳活动高年的1979年，电离层闪烁产生的信号衰落使得通过赤道异常峰时间的30至少有20dB。因此在卫星通讯系统的设计中，必须利用电离层闪烁预测模式给出闪烁预测。 254.4.1.4 等离子体对导航定位

13、系统的影响与对策1、影响 无论是地面的甚低频导航，还是卫星导航，它们都受到电离层等离子体的影响。在太阳耀斑和PCA之类的扰动期间，可引起地面欧密伽导航定位误差几公里；太阳耀斑主要影响中、低纬过白天半球的传播路径；而PCA事件影响极区路径，尤其是夜间的极区路径；D区暴后效应也影响中、高纬路径，最严重在夜间；一些随机电离层变化也可造成几百米的误差。由于卫星导航所用频率远远高于电离层的最大临界频率，所以此时电离层所带来的误差大大减小，但是仍必须对电离层影响进行必要的修正。26 在用电波的多普勒效应测量来进行运动目标的导航定位时，必须根据实时的电离层信息来作修正。一个大的太阳地球物理事件，如 1989

14、年3月事件期间，由于电离层扰动使得OSCAR系列导航卫星有近一个星期不能正常工作；军事系统跟踪的5000多个空间目标差不多失踪。又如， GPS传输模式仅能消除可能电离层延迟70ns 的一半，尚可余非模式部分延迟误差10m。多路径误差达0.5m，要想检测或避免多路径是困难的。2 、对策好的电离层模式可修正电离层影响的3/4。但是，受限于没有精确的环球电子含量及大的扰动效应的预测能力，还没有动态的电离层模式。274.4.2 空间等离子体对大型空间系统的效应与对策4.4.2.1 空间等离子体与大型空间系统的相互作用空间等离子体对大型空间系统产生一些重要效应，这主要有：较稠密的空间等离子体与航天器的相

15、互作用，产生等离子体鞘和尾流效应；高电压太阳阵的电流泄漏及弧光放电效应，造成电源功率无功损耗，影响电源效率；大型空间系统与环境离子的动量交换产生离子曳力而影响轨道运行。所谓大型空间系统是指其空间尺度远大于周围等离子体的德拜长度空间系统。而工作电压在100V以上的空间系统叫做空间高电压系统。主要有高电压太阳电池阵（HVSA）、大的空间开关系统。284.4.2.2 空间等离子体对大型空间系统的尾流效应 等离子体鞘和尾流是航天器与等离子体环境相互作用对环境的作用方面，表现为引起的环境扰动。它影响 有关测量系统，如等离子体探针、电流监测及天线阻抗等的测量。 影响通过它们的电波传播，从而影响有关的通信、

16、导航定位和测控系统。影响充电. 低轨道航天器在相对稠密的电离层等离子体中运行时，因航天器的速度远高于等离子体的离子热运动速度，使得航天器前边出现一个密度压缩的冲压区，后边出现一个密度放空的与减低的区，该区通称等离子体尾流。 291、等离子体尾流效应的计算机模拟由于载人航天的需要，二十世纪八十年代中期，空间科学界再一次出现对等离子体尾流现象重视。航天器后边的等离子体尾流不可能有一般的解析解。由于尾流是航天器与空间等离子体相互作用的结果，因此对等离子体尾流的研究原则上同航天器的充电研究，只是等离子体尾流的研究侧重于航天器周围环境等离子体的分布状态。计算机模拟总的来说可以用低地球轨道区的大型航天器充

17、电软件进行。302 、等离子体尾流效应的实验室模拟 地面等离子体模拟实验室模拟飞行器相对等离子体环境有运动时，测量研究飞行器周围的等离子体状态与分布，对之进行研究；低轨道飞行器在空间等离子体中运行时，对其周围的等离子体状态与分布进行测量研究。3 、等离子体尾流效应的空间飞行试验原则上，只要航天器上在各个主要方向都有等离子体探测器的话，都可以给出空间飞行的等离子体尾流效应试验结果，如Explorer 31卫星，Ariel 2卫星等。图4-5-1是Ariel 2卫星的实测结果的例子。 31 图 4-5-1 Ariel 2卫星测量所得归一化电子电流随等离子体探针位置的变化 324.4.2.3 空间等

18、离子体致高电压太阳阵（HVSA）的 电流泄漏效应 未来空间站约需75kW的电功率，为此要求太阳电池阵产生200kW功率才成。现今最好的太阳电池额定功率密度约为100W/M2，长电缆供电，若要 30-60伏工作电压供电，则需5000安培电流，这样大的一个电流能引起严重的电缆损耗和/或更不能接受的重量增加。另外大的电流流动能产生与环境地磁相作用的磁场，这必增加系统的阻力。因此采取提高工作电压减小供电电流的方式，未来空间站拟选用200-1000伏高电压工作。这么高的电压将引起太阳能阵与等离子体环境的相互作用带来新的问题。33 空间系统任何暴露于空间等离子环境的电压部分都能引起它与周围等离子体之间的电

19、流流动，这就是电流泄漏。因这回路是与工作系统并联着的，从而消耗电源的有功功率。象在太阳阵的各结点上有着相对于环境上百伏的电位差，这必与环境等离子体构成电流回路，这回路中的电流流动消耗太阳能阵的功率，从而降低并限制了电源的供电效率。34研究方法现状1 、电流泄漏效应的计算机模拟 我们利用固定表面导体盘的二维Poisson-Vlasov问题的混合叠代数值计算程序，对几组不同的表面电位、环境等离子体条件进行计算，利用所得结果，建立起一个统计逼近关系式。依此我们建立了HVSA 的电流泄漏（电流收集）模式。352 、电流泄漏效应的实验室模拟有关HVSA 的电流泄漏研究工作主要是由美国宇航局的几个研究中心

20、在地面模拟实验室中进行的，得到了一些有参考意义的结果。但是受限于模拟实验设备的尺度及边缘效应、等离子体源的不同和参量的不确定性等，所进行的模拟与真实的空间环境相差甚远，相互间结果不完全一致。3、电流泄漏效应的天基试验 364.4.2.4 空间等离子体引起的高电压系统的弧光 放电效应 在相对环境等离子体为负电位时，高电压太阳阵出现远大于环境电流收集的突发电流脉冲现象。典型稳定时间为几微秒。它是高度局域性的现象。有关弧光放电效应的研究同 HVSA 的电流泄漏的研究一样，是由地面模拟实验室中进行的，此外还有两次空间飞行实验PIX-1，PIX-2。得到了由地面实验给出弧光放电阈值是困难的结论，及一些有

21、参考意义的结果。日本在1994年进行了这方面的飞行实验 SFU 。 374.4.2.4.1 弧光放电理论和计算机模拟 关于弧光放电理论研究方面，以Park 等理论为代表，其基本点是：太阳电池的金属互连片上部都有绝缘杂质薄层存在，当负电压金属互连片吸引的离子聚集在这些绝缘杂质薄层内时，它们将会建立起层内电场，当其达到足以可引发向空间发射电子时，这些电子流使薄层受热并电离，这样一种过程就是弧光放电。Hastings等提出了弧光放电机制的另一假说，他们认为击穿电流引起太阳电池盖片玻璃边上吸附的中性气体分子被解吸出，并聚集在互连片上面，在这些中性气体层内发生弧光，好似火花放电。 382、HVSA弧光放

22、电的实验 实验发现，在LEO的典型空间等离子体条件下，相对空间等离子体为负电位时会出现太阳阵放电。PIX-2的空间测量表明在该飞行环境条件下可能出现放电的阈值约为-350伏。星蚀期间阵电压更负，易发生放电。 Viswanathan等的研究指出，如果放电特征有一个大于5安培的峰电流，则太阳阵将能被驱动到一个干扰的或噪声模的工作状态；如果脉冲辐度小于5安培，则负载电流将在一个减小的电流上振荡。每个模块击穿有2%的功率损耗,如果所有模块同时击穿，则将有约20%的损耗。394.4.2.5 空间等离子体对大型高电压空间系统的离子 曳力效应 大型高电压空间系统，如HVSA，与LEO等离子体之间的动量交换引

23、起的对航天器的作用力叫做离子曳力。这一问题的重要性是由日本的Kuninaka和Kuriki在进行高电压太阳电池阵与电离层等离子体相互作用的数值模拟研究后指出的。 Kuninaka和Kuriki 在下述假定下对HVSA与LEO等离子体之间的动量交换引起的航天器曳力进行了数值模拟研究。40对太阳阵翼长10米，弦长3米，厚度为0米。翼顶有最小电位翼根为0V，电位沿翼线性分布。用固定网尺寸，均匀分割计算区为592731个网点。为得出离子轨道用了约四万个粒子进行粒子模拟。 一个重要结果出现在攻角30附近，此时离子曳力为负号，这意味着因粒子反射产生牵引力。从固定在环境上的参考系看，具有初速度为0的离子为阵

24、电位加速，以远为大的反射速度反向离开HVSA，在与HVSA碰撞中损失掉电荷。换言之，HVSA好像一个以环境等离子体作推进的离子引擎。这离子为HVSA电位增加并相当大地影响HVSA的运动，用离子曳力来主动控制航天器姿态和高度是可能的。414.4.2.6 对策由运行在低轨道的大型航天器及高电压系统与该区域的相对稠密的空间等离子体相互作用产生的这些效应，它们是几个既可能同时存在又可以相互独立起作用的效应，因此对它们的对策也不甚相同。 对航天器尾流效应，尽可能准确的预测出尾流大小和范围，在航天器有关测量中尽可能对之进行修正；在航天员出舱活动时，尽可能避开尾流区。对高电压系统的电流泄漏和弧光放电的防护对

25、策，主要是在制造工艺上下功夫，减少毛刺和易裸露的部分出现，在设计中尽可能准确计入它们对电源的预期损耗，选取最佳接地位置。424.4.3 航天器表面充电效应与对策 航天器充电就是在航天器上的电荷建立或积累的过程，它是由于航天器与空间等离子体、辐射及粒子环境等相互作用的结果。航天器充电分为表面充电和内部充电。表面充电是当航天器在空间等离子体中运行时，空间等离子体中的电子和离子将以不同的速度或通量与航天器相遇，综合各个有关因素和过程，最终导致航天器表面电荷建立，使得航天器充电，有时可以充电到高电位，当充电致静电放电（ESD）发生时，可引起航天器发生故障。它是空间环境引起的航天器异常或故障的三大因素之

26、一，约占空间环境引起的航天器异常或故障总数的三分之一。图4-4-5给出了控制航天器不同充电的电流示意图8。43 图4-4-5 控制航天器充电过程的电流示意图444.4.3.1 表面充电原理 空间等离子体与运行其中的航天器相互作用，在航天器表面积累电荷的现象叫做表面充电。严格讲，空间磁场也参与充电过程；由于材料受太阳光辐射会发出光电子，故而太阳光辐射也是影响航天器充电的环境。表面充电又分为绝对充电和不等量充电。绝对充电是整个航天器的地电位相对与周围的等离子体的电位。不等量充电是因为航天器的表面上的电位差异而引起的充电现象，它能够改变卫星的绝对充电水平。应当指出，任何具有几eV能量的带电粒子都可以

27、穿透几何表面积累在极薄的面区，只是其能量低，不足以建立层间电荷。因此，通常说的航天器表面充电，实际上是在极薄的面区积累电荷的现象。45 航天器相对空间等离子体电位好似一个电容系统，航天器自身的不同介质表面构成许多电容器，它们的电位是相对空间等离子体电位浮动的，所以就会生成不稳定条件，就会有来自航天器电荷向空间的泄漏这样的最基本放电。当电荷积累生成的不同表面间电场（即不等量充电电场）超过表面材料的击穿阈值时，所发生的电荷释放现象，叫做表面（击穿）放电，又叫做静电放电，简记为ESD。46 建立电流平衡的时间，即充电时间，因材料的电属性不同而不同，例如对地球同步轨道（GEO）的金属表面，充电时间为毫

28、秒量级；而对介质表面，充电时间能够到分钟量级，因此对有介质表面、每分钟几转的自旋GEO卫星，它可能从没能达到过平衡。由于电子的质量远小于离子的，因此在电子和离子有着相同或相近的温度时，电子的热运动速度远高于离子的，在相同时间里，落到航天器表面的电子比离子多得多，从而表面会积累负电荷，所产生的电场将排斥电子，吸引离子，随着电位值的升高，这种作用也加强，再考虑到其它带电粒子流的联合作用，最终进出航天器表面的各种带电粒子流建立起动态平衡。显然，平衡电位和电子的能量有关，能量越高充电电位也越高。474.4.3.2 影响航天器表面充电的主要因素4.4.3.2.1 航天器的运行环境 不同的轨道区，对航天器

29、充电的环境因素作用也不完全相同。对地球同步轨道，显然有无光照，对地球同步轨道航天器充电来说影响重大。48 现今的观测表明，在地球同步轨道区和低极轨区，处于阴影中的航天器，当其遇到高通量的热等离子体时（几十A/m2），会发生高充电。 此外，由于不同轨道下的环境磁场的大小不同，背景等离子体密度不一样，航天器的尺度相对等离子体的德拜长度的比也大大不同，使得低轨航天器的充电问题要较地球同步轨道的复杂。这些在计算机模拟和地面实验室模拟中都必须考虑。 494.4.3.2.2航天器结构和表面材料光电发射、二次电子发射、背向发射电流参与了决定充电大小及不等量充电的充电电流平衡，而它们的大小是在空间环境一定的条

30、件下，是由航天器的结构和表面材料决定了的。航天器几何形状决定着充电的细节，表面材料的光电发射性能、二次电子发射性能及背向散射性能大大影响着航天器充电的水平。504.4.3.2.3 航天器运行轨道和方位由于不同的轨道区，航天器充电的环境不同，因此航天器的运行轨道决定着发生航天器充电的可能和大小，决定着对其进行计算机模拟的方程组和边界条件。航天器的运行方位，影响着参与电流平衡的电流因素和大小。514.4.3.3 表面充电对航天系统的影响 对航天器表面充电的认识就来自于它造成地球同步轨道卫星的异常及失效。 不同的充电效应的危害不同。不同的表面充电效应的危害也不同。空间观测到的最大表面电位达-1900

31、0V。我国SJ-4也观测到多次高充电 。 绝对充电表现为整个航天器的地电位相对周围空间等离子体的电位差，对航天器的影响主要是加重航天器的表面污染，改变表面的热的和光学的性能，并影响空间环境探测，产生影响轨道的离子曳力。52航天器不同部分间充电至不同电位的不等量充电，对航天器的影响除了加重航天器的表面污染，降低表面热性能，并影响空间环境探测外，不等量充电对航天器的主要影响来自静电放电。如1991年3月的太阳地球物理事件期间，一颗对地静止卫星的L 波段放大器因静电放电而损坏。尤其是在载人航天中，两个航天器之间的不等量充电能够导致它们之间有危害性电流流动，能够引起弧光放电，电子学的烧毁，及其它的安全

32、危害53特别是在航天员出舱时，严重的不等量充电能够危及航天员的安全。我们依据美国的航天器异常数据库的资料，在对1973年12月1989年4月期间地球同步轨道所发生的2802次异常事件分析中，发现由于航天器表面充电引起的静电放电（ESD）导致的异常事件共计964次，占总异常数的34.4，平均每5.8天就有一次ESD导致的异常事件发生，有此可以看出航天器表面充电效应对航天器的危害是十分严重的。544.4.3.4 航天器表面充电研究 航天器充电效应及对策研究是由三个相互独立又互相配合的方面组成：计算机模拟、地面实验室模拟和空间实飞的天基试验。但是应指出的是，由于航天器表面放电的物理是复杂的，严格的击

33、穿机制并不完全清楚，因此现在的充电计算机模拟中对放电情况的模拟还很不足。554.4.3.4.1 计算机模拟进出航天器表面的各种带电粒子流都是航天器电位的函数，要想给出表面充电电位的严格解析解是不可能的。为了航天器充电效应的评估及对策选取提供参考依据，因此，建立表面充电的计算机模拟是必须的。 计算机模拟是一种最经济、最简便、最基本的航天器表面充电研究的有效手段，它可以较真实地实现环境模拟，它的可信程度取决于基本方程的真实程度以及所采取数值算法的精确性。事实上，对这么繁杂的物理问题，受限于剖分网格的尺度，目前还不可能给出各种各样繁杂形状和结构的各个细节部分的准确结果，只能为航天器充电效应的评估及对

34、策选取提供一种参考依据。561、表面充电的基本方程 充电的基本方程是电流平衡方程，净电流为零时的解是模拟航天器充电的关键。特在假定等离子体是稳态的，不计地磁场的影响下，求解净电流为零时的解的基本问题是受Poisson方程和稳态的无碰撞的Boltzmann方程（即Vlasov方程）所决定的。也就是说绕运动飞行器的扰动等离子体及其电位（场）结构的理论计算问题是求解耦合着的泊松Poisson和伏拉索夫Vlasov方程的问题。572、有限元方法求解泊松和伏拉索夫问题 利用有限元方法求解泊松和伏拉索夫（Poisson-Vlasov）问题，可以建立适用于不同轨道条件下的大型表面充电的计算机模拟程序。目前国

35、际上通用的有： 适用于地球同步轨道飞行器表面充电计算的NASCAP/GEO大型软件。 适用于低地球轨道飞行器表面充电计算的NASCAP/LEO大型软件；由于背景等离子体密度远比地球同步轨道区的高，因此在计算等离子体密度时不能象NASCAP/GEO软件，而对不同电位范围采取半解析式，小电位时电荷密度1+e /kTe，大电位时电荷密度1/ e /kTe。 适用于极轨道飞行器表面充电计算的POLAR大型软件。583、表面充电计算的等效集中参数电路模式 航天器相对空间等离子体电位好似一个电容系统，航天器自身的不同介质表面构成许多电容和电阻，因此航天器的表面充电可以通过它们相对空间等离子体构成等效集中参

36、数电路来计算。该模式的计算机模拟程序简单，结果清晰，但是难点是要准确知道航天器表面各部分的电容和电阻。 594.4.3.4.2 实验室模拟 给出航天器主要表面材料的特征，给出有关对表面充电防护的参考依据； 给出进行表面充电空间实飞实验设计的参考依据； 给出可能出现的新现象；以及 对有关空间等离子体探测设备和表面充电/放电测量设备的标定等。60美国NASA的各大空间飞行中心，都有着同时模拟空间电子、离子及紫外辐射环境的能力，130keV的电子枪，但地面模拟实验设备不太相同。实验室模拟，为航天器充电效应的评估及对策选取，提供了一方面的参考依据。我国一些研究机构，也开展了程度不同的有关航天器充电等的

37、地面实验室模拟。地面实验模拟的限制是由于实验设备尺度有限，使 得环境模拟难以真实，有强的边缘效应，对高温热等离子体更难以作到空间真实谱的模拟。因此不能给出真正可信的结果，只能给出航天器充电效应的评估及对策选取的一种参考依据。 61 表 4-4-5 表面材料对充电电位的影响624.4.3.4.3 天基试验和测量空间实飞天基试验是任何空间环境对航天器影响研究的最可靠途径，但也是代价最高的途径。因此，它的采用一定要在理论研究、地面计算机模拟和地面实验室模拟相互配合的基础上才能进行。SCATHA作为美国高高度航天器充电计划，由三部分构成：地面实验室模拟实验；研制开发进行高高度航天器表面充电计算机模拟的

38、专用程序NASCAP；研制并发射一颗研究航天器充电的专门实验卫星。在1979年1月30日成功发射了研究航天器充电的专门实验卫星SCATHA（P-78），它原有两个目的测量充电及其对材料的效应。验证了表面充电机制，确定了表面充电和内部充电的区别以及它们对航天器的危害等。 634.4.3.5 抗航天器表面充电的对策 对表面充电效应的防护，已列入航天器充电效应的控制和评估设计指南中。不同任务的航天器，抗航天器表面充电的对策并不完全一样，如对典型的非科学卫星，不需要控制绝对充电电位，仅需要防范可能出现放电的不等量充电；但对科学卫星，应该控制绝对充电电位。1、减缓航天器表面充电的措施 如何减少引起迅速放

39、电的电量是至关重要的 2、禁用和选用的表面材料 3、航天器表面充电评估及设计准则 644.5 空间等离子体的探测4.5.1 冷等离子体探测 空间环境中的冷等离子体主要是指电离层和等离子体层区的等离子体，它们是相对温度低而密度高的等离子体。因此在冷等离子体的探测中使用最广泛、获取数据量最大的探测方法是间接手段的电波法，直接探针（捕获器，分析器）法次之。显然直接探测法是属于依赖于火箭、卫星之类飞行器的天基探测；而间接手段的电波法既有纯地基探测，也有纯天基探测，还有天-地基联合探测。654.5.1.1 电波法 电波法是指那些利用空间等离子体对通过它传播的电波的效应进行相关测量，给出空间等离子体的有关

40、参量的探测空间等离子体的方法。依据所测效应原理，电波法主要可以划分为三类：雷达类（短波雷达类和散射雷达类）；信标类；其它类。1、雷达类1）短波雷达类2）散射雷达类2、信标类 Doppler；Faraday；掩星法；三频 信标。3、其它类 吸收测量；哨声测量；部分反射测量。664.5.1.2 探针法4.5.1.3 小型电离层光度计4.5.2 热等离子体探测4.5.2.1 静电分析器4.5.2.2 驱动激波辐射电波测量仪4.5.3 两种新的星载遥感方法4.5.3.1 无线电等离子体成像仪4.5.3.2 顶部Doppler自动探测仪（TOPAADS）671. 雷达类 所谓雷达是由位于一起的发射机、接

41、收机和天线构成的无线电设备。依其测量回波原理的不同它又分为短波雷达类和散射雷达类。1）短波雷达类它是指工作频率处于短波段（f30MHz）的雷达类型的冷等离子体探测设备。A、原理依据空间环境冷等离子体对短波电波的折射和反射效应及电波在等离子体中的传播理论，通过对接收信号相对于发射信号的频率和时延特征分析处理换算，即可得出有关区域的等离子体信息。象：地面测高仪、顶部测高仪和色散干涉仪等探测设备。68由于这类探测仪都是位于一起的发射机、接收机和天线构成的，故此我们称之为短波雷达类。测高仪是使用最久而又最重要的短波雷达类电离层冷等离子体探测方法。 测高仪是由地面上的短波脉冲发射机，垂直（或斜）向上发射

42、一个频率连续变化的脉冲信号，由于不同空间高度的等离子体参量的不同，因而它们的信号将在不同的高度上被反射回地面，不同高度上的回波表现为信号时延。由频同步扫描接收机接收这些返回信号，测量出信号的时延，依据短波在等离子体中的传播的近似理论，当信号频率f =等离子体频率fp时，电波的寻常波被反射，则由f和相应的信号时延经过反演换算，即可得出测高仪所在地上空相应时刻的电子密度高度分布（剖面）69 测高仪的回波信号记录叫做电离图或频高图（如下图示）。由于空间冷等离子体的分布及其变化规律非常复杂，表现在测高仪的频高图也是复杂而又多样的，因此对它的分析、判断和换算非常重要。 此类方法的优点是技术成熟，已商品化

43、，便宜设站，可以获得空间冷等离子体的主要参量（电子密度等）的分布及其变化规律 。不足是可获取的参量非常有限；分析、判断和换算还不完全可靠、完善；数字化的分析、判断和换算还必须进一步完善。 70712） 散射雷达类 散射雷达是一种用来检测来自存在着空间变化或不规则体介质体内电波散射能量的雷达。它的工作原理基本上是属于折射指数不连续部分反射构成的体散射，在任何边界上都有小部分入射能被在所有方向上散射。来自半个波长间隔不规则体的散射信号被加强返回雷达，尽管每个散射是弱的，但它们能够合起来使一个信号足够强到被检测。对散射结构不必是规则间隔，只要选取间隔是/2周期即可；具体间隔周期的选择是由发射机和接收

44、机的相对位置所决定。72主要分为相干和非相干散射雷达两大类；在相干和非相干散射的术语使用上并不很严格。它是由相干时间来界定的，实际上，所有流体都是部分相干的，对每个情况有一个相干时间, 当雷达检测的介质的热起伏相干时间相对短时，则称它为“非相干的”；而那些倾向更慢变化的介质结构被称为“相干的”。因此相干时间的测量是非常重要的。734.5.1.1.2 信标类 所谓信标是指由处于空间等离子体中的空间飞行器（火箭，卫星等）发射的有特定用途的无线电波，如遥测信号，导航定位信号等，或来自银河的天然无线电发射。利用信标进行空间冷等离子体测量是属于天-地联合的测量方法，它主要分为Doppler法和Farad

45、y法。这类方法最早运用短波，后使用超短波，或更短波长的波，如GPS发射两个L段的频率的信标等。1）Doppler方法 基本原理是声学的Doppler效应。只要选取的Doppler频移测量方法（如测量两个相干信标频率，f2=m f1的相位差）恰当，即可由此推出信标处的电子密度，或电子含量。74由环球分布着的GPS地面站在1小时内的观测给出近实时的环球电离层TEC的图。这些图能用于环球电离层监测和预报，尤其能够用于对电离层暴的现报（nowcast）。收集环球分布着的GPS地面站的观测，在JPL生成电离层不规则体的环球图。如上这些图提供通信和导航系统可能受电离层等离子体影响的决定性的资料。 方法的优

46、点是测量精度相对较高，可以连续进行小扰动观测及总电子含量的获取；采取合适的观测和数据处理方法还可以得到电子密度。该方法的不足点是频率测量要求观测设备比Faraday 方法的要复杂。75 2）Faraday 方法 基本原理是光学的Faraday效应，也就是说当波通过双折射介质传播时，波被分裂为旋转方向相反的两个圆偏振波，造成波偏振面旋转的现象。处于磁场中的空间等离子体是双折射介质，电离层等的冷等离子体就是双折射介质 ，因此波通过电离层等的冷等离子体传播时，波被分裂为旋转方向相反的两个圆偏振波波偏振面发生旋转，偏振面旋转的大小取决于传播路径上的积分电子含量I和路径上的地磁场强度，这是电离层Fara

47、day效应。 76 该方法的优点是观测设备相对简单，使用方便、经济，仅仅需要一个有着旋转天线的接收机，因此它被广泛应用于电离层等离子体的测量。它即可以广泛用做电离层等离子体的突然扰动、似波起伏、电离层暴的监测，也可以作为规则日变化和季节变化的监测。Faraday 方法的不足是不够精确，误差可达10%20%。 为了克服这些不足使用远距离的信标（如地球同步轨道卫星）联合Doppler方法和Faraday 方法一起测量。774.5.1.2 探针法1、原理 探针是等离子体诊断（即直接探测）的基本手段，它是处于要探测环境中的较为简单的装置，它从环境中得到电子或离子，由于电子质量远小于离子的，并且粒子能量

48、相当低，故其电流取决于探针所处环境及所加电位（符号和幅值）。它可用来测量等离子体的电子密度、电子温度及离子参量。捕获器收集周围介质中的离子，故又叫做离子捕获器。78 朗谬探针不能给出离子温度；为了克服朗谬探针的某些不足，出现了一些改进型探针，如用卫星进行空间等离子体探测的射频等离子体探针，离子捕获器（即阻滞电位分析器）；有的利用测量等离子体介质的某些电性质来得出电子密度，如阻抗探针，谐振探针。 探针法的优点是可以进行空间等离子体的直接测量，空间分辨率比电波法的要高，因此可以进行精细结构测量，该方法可以对不同区域的电离层进行测量，因此可以探测测高仪难以测量的区域，如D层区域、E层和F层间的谷区域

49、。探针法的缺点是测量误差较大。 794.5.2 热等离子体探测 空间环境中除电离层等离子体层以外的广大区域中的等离子体都是热等离子体，它们的温度相对高而密度相对低，通常需要用某种带电粒子的能谱来描述它的空间分布。热等离子体的探测载体是火箭和卫星。基本探测仪叫做静电分析器和一种射电波测量仪。4.5.2.1 静电分析器 静电分析器是由探头、通道电子倍增器，正比计数器与有关的电子线路构成。它的探头是由具有一定曲率半径（球形，圆柱形）的两块相距一定距离的金属板构成，金属板间加有一定的电压，通过改变金属板间所加电压，来实现对不同能量带电粒子的探测；80为了实现对不同能量带电粒子的测量，在探头的后面接有不

50、同的通道电子倍增器，正比计数器与有关的电子线路。通道电子倍增器是由内表面为高的二次发射系数的材料构成，使入射的带电粒子经过与加电压的内表面多次碰撞，产生远为多的二次电子，最后在高压输出端形成电子束。再经过计数器等给出接收面的计数率s。粒子分布在各向同性假定下，接收面的粒子计数率s（秒-1）除以探测器的几何因子（厘米2球面度），即可得出微分方向强度j(,)，有人又称j(,)为微分通量。几何因子是探测器的特性常数，它在探测结果的处理中非常重要。81到目前为止，空间热等离子体的测量结果都是来自卫星上的静电分析器。得出了几十电子伏到几十千电子伏的太阳风等离子体、磁层等离子体、沉降等离子体以及各个边界层

51、等离子体的基本特征，为建立它们的模式提供了一些数据，也为航天器的故障分析判断提供了必要的资料。在监测太阳风的各个卫星上都配备有静电分析器；在监测磁层的不同轨道卫星上也都有它；如WIND、ACE、ATS系列、TAIL、CLUSTER、DMSP系列卫星。优点是可以用在各种卫星上。静电分析器的不足是系统需要加的高压使用上受限，不能影响其它星上设备；准确的几何因子的计算或实验室的测定困难。824.5.2.2 CME驱动激波射电波测量仪 通过本地的和远处的对行星际的型和型射电暴测量，给出日冕物质抛射（CMEs）的发生、发展及与其磁层的相互作用的一个图像。原理 一个日冕物质抛射驱动激波局地激发电子在近激波产生射电辐射，随着激波向外运动到较低密度区，因为fpNe0.5，产生的辐射频率变低；通过两个覆盖宽带（20kHz14MHz）的接收机测量射电频谱，再依据观测的频谱即可由（4-5-23）式推出相关等离子体密度等信息。不过应注意，辐射频率可以是fp的谐波。83 用于日冕物质抛射在行星际传播位置的监测及其对地球空间环境影响的预报。因为粒子的运动速度远比射电波传播的慢，一个CMEs传播到1AU的地球空间区需要长达4天左右， II型射电爆是与CMEs在日冕