微小空间碎片撞击发光信号监测及应用研究-物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 12 (2014) 129601 微小空间碎片撞击发光信号监测及应用研究 李宏伟 韩建伟 吴逢时 蔡明辉 张振龙 (中国科学院空间科学与应用研究中心, 北京 100190) ( 2013 年12 月31 日收到; 2014 年2 月10 日收到修改稿) 超高速撞击实验中, 通过对撞击发光信号的监测, 利用光谱分析法测量超高速微粒撞击形成等离子体的 温度和密度是最有效的方法, 也是深入研究微小空间碎片撞击诱发放电效应的基础. 国内外相关机构已利用 该方法对毫米以上微粒撞击等离子体的参数进行了监测, 但是毫米以下微粒撞击发光信号的监测难度更大, 相关研究还未见报道. 本文在等离子体驱动微小碎片加速器上对百微米级微粒超高速撞击的发光信号进行了 监测, 对该撞击发光信号以及撞击诱发放电过程中发光的基本特征进行了分析, 并提出了利用撞击发光信号 对微粒速度进行测量的方法. 关键词: 微小空间碎片, 撞击发光, 撞击诱发放电 PACS: 96.50.Pw, 94.05.Jq DOI: 10.7498/aps.63.129601 放电机理的存在1719 . 国内主要是中国科学院空 1 引 言 间科学与应用研究中心和沈阳理工大学分别开展 了相关的研究工作2024 . 微小空间碎片与航天器发生碰撞的平均速度 已有的研究结果进一步证实了撞击诱发放电 高达10 kms, 为超高速碰撞, 碰撞中碰撞颗粒的 的风险, 同时也使得碎片撞击诱发放电的研究需要 动能在极短时间内转化成碰撞点位置材料的内能, 对与航天器发生碰撞频率高、存在威胁大的百微米 材料温度急剧升高, 导致材料的气化和高密度的等 级碎片撞击诱发放电的规律进行深入研究. 为了深 离子体云的形成18 . 如果撞击发生在航天器充放 入研究撞击诱发放电的规律, 需要对撞击形成的等 电敏感的区域以及航天器太阳电池上, 撞击抛射的 离子体进行测量. 但是由于撞击等离子的存在时间 等离子体极有可能会触发其“异常” 放电, 导致航 短, 传统的方法难以对该类等离子体的参数进行测 天器放电阈值降低频次增加, 甚至引起航天器充放 电和太阳电池静电放电防护“失效”. 航天器充放电 量. 目前, 国内外相关研究机构利用光谱测量方法 效应是航天器故障的重要原因9 , 在充放电效应研 成功实现了对毫米级碎片撞击等离子体参数的测 究中, 研究人员很早就意识到碎片撞击是触发航天 量342223 . 该方法对百微米级碎片撞击等离子体 器放电的重要机制1016 , 但该研究一直处于空白 参数的测量有一定的借鉴意义, 但是毫米级碎片撞 状态. 直到近年来以欧空局(ESA) 的Olympus 卫 击实验是在轻气炮上开展的, 微粒的撞击位置和撞 星, 美国NASA 的Landsat 5 卫星和JASON-1 卫星 击时间可以在实验前进行设定且毫米级微粒撞击 以及日本的ADEOS 2 卫星和ALOS 卫星为代表的 发光的信号强度更大, 因此对该撞击发光信号的测 多颗卫星发生严