（空間物理學(xué)專業(yè)論文）空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究及工程樣機(jī)研制.pdf

他人已發(fā)表或撰寫過(guò)的材料，也不包含為獲得其它教育機(jī)構(gòu)的別種學(xué)位或證書而 大量使用過(guò)的材料。與我一同工作的人對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)已在論文中作了 明確的說(shuō)明并表示謝意。 簽名：日期：生! ! ! g ! 牛 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解培養(yǎng)單位有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：培養(yǎng)單位有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；培養(yǎng)單位可以公布論文的全部或 部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 簽名：見(jiàn)證人：杏日期：塑生：笪：生 常都是攜帶各種探測(cè)器來(lái)被動(dòng)探測(cè)空間環(huán)境的變化及擾動(dòng)。相比之下，空間等離 子體主動(dòng)試驗(yàn)，是用人工方法破壞空間物理環(huán)境的平衡狀態(tài)，然后觀測(cè)它恢復(fù)平 衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這種方法有利于從眾多的物理參數(shù)中突出某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)加 以研究，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。 本文通過(guò)調(diào)研國(guó)外已經(jīng)開展的空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的案例，結(jié)合我國(guó)為主 動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行的前期工作，在此基礎(chǔ)上開展了以鋇釋放為目標(biāo)的空間等離子體主動(dòng) 試驗(yàn)的地面實(shí)驗(yàn)，考察了加熱、氣化鋇的基本原理、過(guò)程，重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行 了研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)具有一定的電阻時(shí)比較容易點(diǎn)燃，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定點(diǎn)火能 量約為2 2 j 。對(duì)t i + c 的燃燒溫度進(jìn)行了測(cè)量，得到大氣中的燃燒溫度最高為2 6 0 0 k 。 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)內(nèi)的縮比釋放實(shí)驗(yàn)，擬定了在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量真空內(nèi)燃燒 的溫度與壓力的方案。 本文還針對(duì)鋇釋放裝置的工程樣機(jī)，進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)中，與運(yùn)載火箭 分離后的試驗(yàn)裝置在空間中繼續(xù)飛行一段時(shí)間后進(jìn)行工作，在這段飛行中無(wú)法對(duì) 其進(jìn)行姿態(tài)控制，為使得電控箱內(nèi)的電路能夠正常工作，需要對(duì)電控箱表面進(jìn)行 涂層處理，使其溫度可以始終控制在理想范圍內(nèi)。本文計(jì)算了這種情況下電控箱 的溫度，結(jié)果表明，太陽(yáng)輻射熱流與電控箱內(nèi)部發(fā)熱是溫度變化的主要原因。由 于電控箱姿態(tài)不定，電控箱接受太陽(yáng)輻射的情況會(huì)直接影響其溫度變化，所以涂 層需要滿足多種情況的要求。計(jì)算結(jié)果表明，選擇表面低吸收率( q = 0 1 5 ) 及相 應(yīng)的表面發(fā)射率( e = 0 1 6 ) 的全反射涂層，可以將電控箱溫度變化控制在很小的 范圍內(nèi)，保證電控箱內(nèi)電路正常工作。 關(guān)鍵詞：主動(dòng)試驗(yàn)，地面實(shí)驗(yàn)，熱控，涂層 a b s t r a c t s p a c ee x p l o r a t i o n i st h ed i r e c td e t e c t i o no f s p a c e e n v i r o n m e n t b y m a n m a d es p a c e c r a f ts u c ha sr o c k e t s 、s a t e l l i t e s 、p l a n e t sa n ds p a c e c r a f t s t h e s e a r eu s u a l l yp a s s i v ed e t e c t i o no fs p a c ee n v i r o n m e n t a lc h a n g e sa n dd i s t u r b a n c e s d i s t u r b a n c e so fn a t u r ea r eu s u a l l yu n p r e d i c t a b l e c o m p a r e dt ot h ep a s s i v ew a y , s p a c ep l a s m a a c t i v e e x p e r i m e n t i sa r t i f i c i a ld e s t r u c t i o no ft h e p h y s i c a l e q u i l i b r i u mo ft h es p a c ee n v i r o n m e n t ，a n do b s e r v a t i o no fi t sd y n a m i cp r o c e s so f r e s t o r i n gb a l a n c e t h i sm e t h o di sb e n e f i c i a lt oh i g h l i g h to n eo raf e wp a r a m e t e r s a m o n gm a n yp h y s i c a lp a r a m e t e r st od i s c o v e rt h e i rr u l e s t h i sp a p e rd e s c r i b e sg r o u n de x p e r i m e n t so fb a r i u mr e l e a s es y s t e mi n s p a c ep l a s m aa c t i v ee x p e r i m e n to nt h eb a s i so fp r i o rr e s e a r c ho ns p a c ep l a s m a a c t i v ee x p e r i m e n ta b r o a da n dt h ep r e l i m i n a r yw o r kf o ra c t i v ee x p e r i m e n tb e f o r e i no u rc o u n t r y i nt h el a b o r a t o r y , w ei n v e s t i g a t e dt h eh e a t i n ga n dr e l e a s em e t h o d o fb a r i u m ，a n dc o n d u c t e das t u d yo nt h ei g n i t i o ns y s t e ma n dw ef o u n dt h a tm o r e e a s i l yi g n i t e dw h e nt h ec h e m i c a l sh a v ec e r t a i nr e s i s t a n c e ，a n di g n i t i o ne n e r g y o b t a i n e db ye x p e r i m e n ti sa b o u t 2 2j o u l e w em e a s u r e dt h et i t a n i u ma n dc a r b o n c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，t h em a x i m u mc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ew a su pt o2 6 0 0 k e l v i ni nt h ea t m o s p h e r e o nt h i sb a s i s ，w ed e s i g n e dt h es c a l e dr e l e a s e e x p e r i m e n t i nv a c u u m ，m e a n w h i l e ，s c h e m e sf o r m e a s u r i n g c o m b u s t i o n t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ei nv a c u u mw e r ed e t e r m i n e dt o o t h i sp a p e ra l s og i v e st h et h e r m a ld e s i g nf o rt h eb a r i u mr e l e a s em o d u l e i n s p a c ep h y s i c sa c t i v ee x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c ec o n t i n u e st of l y i n s p a c eu n t i lt h et i m et or e l e a s ea f t e rs e p a r a t i o nw i t ht h el a u n c hv e h i c l e d u r i n g f l i g h tt h ed e v i c e sa t t i t u d ec a n tb ec o n t r o l l e d i no r d e rt om a k et h ec i r c u i ti nt h e e l e c t r o n i cc o n t r o lb o xt ow o r kp r o p e r l y ，s u r f a c ec o a t i n gm u s tb ea p p l i e dt ot h e e l e c t r o n i cc o n t r o lb o xt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ei na ni d e a lr a n g e t h i sp a p e r c a l c u l a t e dt h et e m p e r a t u r eo fe l e c t r o n i cc o n t r o ib o xu n d e rt h i sc o n d i t i o n ，a n d r e s u l t ss h o wt h a ts o l a rr a d i a t i o nh e a tf l u xa n de l e c t r i ch e a ti n s i d et h ec o n t r o ib o x a r em a i nr e a s o n sf o rt h et e m p e r a t u r ec h a n g e a st h ea t t i t u d eo ft h ee l e c t r o n i c c o n t r o lb o xi su n c e r t a i n ，s o l a rr a d i a t i o nw i l ld i r e c t l ya f f e c ti t st e m p e r a t u r e ，s o c o a t i n gn e e d st om e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h er e s u l t ss h o w t h a tt o t a lr e f l e c t i o nc o a t i n gw i t hl o ws u r f a c ea b s o r p t i o nr a t e ( a = 0 1 5 ) a n d c o r r e s p o n d i n gs u r f a c ee m i s s i v i t y ( e = 0 16 ) c a nc o n t r o lt h eb o xt e m p e r a t u r e c h a n g ew i t h i nav e r ys m a l lr a n g e ，e n s u r i n gt h ec i r c u i ti n s i d ei nt h en o r m a ls c o p e o fw o r k i n gt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：a c t i v ee x p e r i m e n t ，g r o u n de x p e r i m e n t ，t h e r m a lc o n t r o l ，c o a t i n g 0 2 選題的意義1 o 3 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的研究進(jìn)展2 0 4 研究?jī)?nèi)容及方法5 0 5 本文的結(jié)構(gòu)5 1 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)理論6 1 1 自蔓延高溫合成方法6 1 2 自蔓延高溫合成引燃技術(shù)1 0 2 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)地面試驗(yàn)1 5 2 1 點(diǎn)火方式研究1 5 2 2 燃燒溫度測(cè)量2 2 2 3 釋放物的選擇2 5 2 4 在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)2 7 2 5 真空中的溫度壓力測(cè)量2 8 2 6 結(jié)j 滄2 9 3 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備輔助設(shè)計(jì)電控箱熱設(shè)計(jì)3 1 3 1 理論與計(jì)算方法3 1 3 2 實(shí)驗(yàn)概述3 3 3 3 儀器熱設(shè)計(jì)與計(jì)算優(yōu)化3 5 3 4 外熱流計(jì)算及結(jié)果3 6 3 5 結(jié)論3 9 4 結(jié)論與展望4 0 參考文獻(xiàn)4 2 表格目錄 1 1s h s 反應(yīng)的幾個(gè)典型參數(shù)比較8 2 1 脈沖點(diǎn)火器規(guī)格參數(shù)表1 6 2 2g 4 p c 5 0 u d 參數(shù)表2 0 2 3 幾種金屬的熱力學(xué)數(shù)據(jù)2 6 插圖目錄 0 1 主動(dòng)試驗(yàn)中釋放產(chǎn)生的人造彗星3 0 2a m p t e 項(xiàng)目中拍攝的鋇云照片4 1 1 自蔓延燃燒合成反應(yīng)過(guò)程7 1 2s h s 反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)化率和熱釋放率分布圖9 1 3s h s 過(guò)程典型的熱分布示意圖9 1 4 具有后燒反應(yīng)的s h s 過(guò)程的溫度一轉(zhuǎn)化率和熱釋放速率分布示意圖1 0 1 5 電火花點(diǎn)火裝置電路原理圖1 3 2 1 壓模工具示意圖1 5 2 2 點(diǎn)火電路原理圖1 6 2 3 藥粉柱點(diǎn)火照片1 7 2 4 測(cè)量電路原理圖1 8 2 5 點(diǎn)火電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)圖1 8 2 6 含有稀釋劑時(shí)電壓電流曲線1 9 2 7 晶閘管點(diǎn)火電路原理圖2 0 2 8 晶閘管工作等效電路2 1 2 9 晶閘管保護(hù)點(diǎn)火電路2 2 2 1 0 熱電偶溫度一電勢(shì)曲線2 3 2 1 1 熱電偶采集的數(shù)據(jù)圖像2 4 2 1 2 燃燒溫度曲線2 5 2 1 3 實(shí)驗(yàn)釋放罐示意圖2 9 3 1 釋放罐結(jié)構(gòu)示意圖3 1 3 2 電控箱結(jié)構(gòu)示意圖3 1 3 3 電控箱外熱流概況3 2 3 4 電控箱裝配圖3 4 3 5 地球軌道坐標(biāo)系示意圖3 4 3 6 溫度變化隨吸收率、發(fā)射率變化圖3 7 3 7 最優(yōu)化吸收一輻射比3 7 3 8 溫度變化曲線3 8 3 9 熱流組成圖3 8 0 緒言 o 緒言 0 1 選題背景 空間環(huán)境是指除了陸地、海洋、大氣以外人類生存的第四個(gè)環(huán)境，通常指地 面上幾十公里高度以上的廣大宇宙區(qū)域，其中充滿著各種各樣形態(tài)的物質(zhì)，有各 種粒子和場(chǎng)，它們既可以是天然的，也可以是人為的：粒子有中性氣體，電離氣 體，等離子體，各種能量的帶電粒子，各種尺度的流星體及空間碎片；場(chǎng)有引力 場(chǎng)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)和各種波長(zhǎng)的電磁輻射；深空中還有小行星，行星及彗星等大尺 度“粒子”；這些各種各樣形態(tài)的物質(zhì)就構(gòu)成了空間環(huán)境【1 1 。 空間探測(cè)是指通過(guò)探空火箭、人造衛(wèi)星、人造行星和宇宙飛船等航天器，對(duì) 空間環(huán)境進(jìn)行的直接探測(cè)。這些探測(cè)通常都是發(fā)射各種探測(cè)器來(lái)被動(dòng)探測(cè)空間環(huán) 境的變化及擾動(dòng)，自然界產(chǎn)生的空間擾動(dòng)有一定的偶然性，相比之下，如果能夠 認(rèn)為制造擾動(dòng)源并進(jìn)行觀測(cè)研究，就有很大的優(yōu)越性【2 1 。 0 2 選題的意義 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)，即用人工方法破壞空間物理環(huán)境的平衡狀態(tài)，然后 觀測(cè)它恢復(fù)平衡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這種方法有利于從眾多的物理參數(shù)中突出某一個(gè) 或少數(shù)幾個(gè)加以研究，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律 3 】。該實(shí)驗(yàn)以釋放粒子束、電磁波或化學(xué)物質(zhì)的 方式，將一種已知并可控制的能量或物質(zhì)注入到空間環(huán)境中，通過(guò)星載觀測(cè)設(shè)備 或地面觀測(cè)儀器對(duì)釋放效果進(jìn)行觀測(cè)，并分析研究，得到預(yù)期的結(jié)果【4 i 。 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)( 以下簡(jiǎn)稱主動(dòng)試驗(yàn)) 是通過(guò)火箭或航天飛機(jī)將釋放 裝置帶入到空間中，在預(yù)定高度進(jìn)行釋放試驗(yàn)。其釋放物通常為金屬蒸汽，綜合 考慮實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和便于觀測(cè)等因素，選擇鋇、銫、鈣等。通過(guò)使用自蔓燃 s e l f - p r o p a g a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ( s h s ) 反應(yīng)產(chǎn)生熱量來(lái)加熱至蒸發(fā)待釋 放的物質(zhì)【5 1 。 以鋇作為釋放物為例，通過(guò)s h s 反應(yīng)釋放鋇的反應(yīng)式如下： 乃+ b = t i b + o 乃+ c = 1 7 c - t - o ( 釋放熱量) 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與t 程樣機(jī)研制 q + 肋( 固態(tài)) = b a ( 氣態(tài)) 1 2 1 使用s h s 反應(yīng)來(lái)加熱待釋放物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是：s h s 反應(yīng)不需要持續(xù)對(duì)反應(yīng)提供 能量，只要提供了觸發(fā)反應(yīng)的條件，反應(yīng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，直到反應(yīng)條件不能被 滿足。待釋放物質(zhì)金屬鋇被汽化后，在釋放罐中形成高壓環(huán)境，壓力壓迫罐體前 端法蘭口中的爆破片，達(dá)到爆破片額定壓力后，爆破片破裂，罐中鋇金屬蒸汽以 高速噴射出。 通過(guò)s h s 反應(yīng)產(chǎn)生的熱量蒸發(fā)鋇，鋇作為釋放物迅速受熱生成蒸汽，以相對(duì) 釋放罐l k m s 的速度注入空間中，在罐尾形成一個(gè)薄的半球形云霧。鋇迅速通過(guò) 太陽(yáng)紫外輻射電離，電離的鋇離子相當(dāng)于一種光學(xué)示蹤劑，可以通過(guò)地面儀器光 學(xué)觀測(cè)到，觀測(cè)結(jié)果將有助于確定等離子體與空間背景相互作用的機(jī)制，如電場(chǎng) 加速機(jī)制等 3 1 。 主動(dòng)試驗(yàn)的進(jìn)行可以為包括以上所述的許多項(xiàng)科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支持，其中 主要有i ) 小范圍的臨界電離速度c r i t i c a li o n i z a t i o nv e l o c i t y ( c i v ) 的證明；i i ) 釋放 產(chǎn)生的抗磁腔與大量參數(shù)的關(guān)系；i i i ) 磁層一電離層耦合；i v ) 修正高能電子的分布 函數(shù)；v ) 模擬磁層波；v i ) 探討誘導(dǎo)增強(qiáng)極光活動(dòng)的可能性【3 1 ；v i i ) 太陽(yáng)風(fēng)和地球磁 場(chǎng)之間的相互作用等。 o 3 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的研究進(jìn)展 o 3 1 國(guó)際上已取得的研究成果 自2 0 世紀(jì)中期開始，世界上的一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)獨(dú)立或通過(guò)合作進(jìn)行了一系 列的主動(dòng)試驗(yàn)【5 1 。上世紀(jì)9 0 年代左右，各發(fā)達(dá)國(guó)家先后進(jìn)行了一批主動(dòng)試驗(yàn)，其 中最具代表性的是美國(guó)的c o m b i n e dr e l e a s ea n dr a d i a t i o ne f f e c t ss a t e l l i t e ( c r r e s ) 計(jì)劃。c r r e s 衛(wèi)星是研究近地空間環(huán)境和地球的輻射環(huán)境效應(yīng)，該衛(wèi)星于1 9 9 0 年7 月2 5 日發(fā)射，衛(wèi)星軌道傾角為1 8 1 。、近地點(diǎn)3 5 0 k m ，遠(yuǎn)地點(diǎn)5 2 7 地球半徑 的地球同步過(guò)渡軌道的橢圓軌道。衛(wèi)星攜帶了各種科學(xué)儀器及2 4 只釋放罐，每只 釋放罐分別裝有不同重量的釋放物金屬鋇或金屬鋰，重量在l k g _ 1 l k g 不等，釋 放位置在3 5 0 k m 到6 個(gè)地球半徑以上的范圍內(nèi) 4 1 。 2 0 緒言 圖0 1 主動(dòng)試驗(yàn)中釋放產(chǎn)生的人造彗星 c r r e s 進(jìn)行的釋放主要針對(duì)以下三個(gè)研究目標(biāo)： 1 離子與電離層耦合研究；4 11 - - 4 9 5 k m 2 c 研究；5 1 7 - - 5 9 3 k m 3 人造極光與共軛點(diǎn)觀測(cè)；6 0 0 0 - - - 3 0 0 0 0 k m 空間物理史上另一次重要的試驗(yàn)是一項(xiàng)名為a c t i v em a g n e t o s p h e r i cp a r t i c l e t r a c e re x p l o r e r s ( a m p t e ) 的合作項(xiàng)目，該項(xiàng)目由美國(guó)、英國(guó)及聯(lián)邦德國(guó)共同研究， 耗資七千八百萬(wàn)美元，耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)1 2 年。 項(xiàng)目共有三件航天器，分別由三國(guó)負(fù)責(zé)制造：i o nr e l e a s em o d u l e ( i r m ) 由聯(lián)邦 德國(guó)制造：u n i t e dk i n g d o ms a t e l l i t e ( u k s ) i 婦英國(guó)制造；c h a r g ec o m p o s i t i o ne x p l o r e r ( c c e ) 由美國(guó)制造。三件航天器于8 4 年8 月1 6 日共同由一枚d e l t ar o c k e t 運(yùn)送至 軌道，c c e 被送入遠(yuǎn)地點(diǎn)8 8 地球半徑，近地點(diǎn)1 1 0 3 k m 的赤道軌道上，因此它大 部分時(shí)間可以處在磁層中 6 1 。i r m 和u k s 被推送至更高的軌道，其遠(yuǎn)地點(diǎn)1 8 7 個(gè) 地球半徑，近地點(diǎn)5 5 7 k m ，軌道周期4 4 3 小時(shí)，軌道傾角2 8 8 。這樣的軌道使 得兩顆衛(wèi)星可以穿過(guò)低緯度的磁層頂和弓激波邊界 7 1 。同時(shí)兩星之間保持緊密的聯(lián) 系使得u k s 可以立即獲取當(dāng)?shù)蒯尫艜r(shí)的等離子體狀況。 聯(lián)邦德國(guó)的一顆人造衛(wèi)星與1 9 8 4 年1 2 月2 7 日清晨四點(diǎn)半( 太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間) 在太平洋六萬(wàn)英里的高空釋放出云霧狀的金屬鋇，以產(chǎn)生一種類似彗星的天體現(xiàn) 象人造彗星。 下圖為a m p t e 中衛(wèi)星拍攝到的釋放后的照片，i r m 釋放出的高溫鋇蒸汽在 空間中迅速電離并散開，形成一個(gè)類似彗星尾巴的形狀?？茖W(xué)家們希望通過(guò)這項(xiàng) 研究來(lái)深入了解太陽(yáng)風(fēng)和地球磁場(chǎng)之間的相互作用；空間等離子體與塵埃和氣體 3 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與工程樣機(jī)研制 碰撞對(duì)彗星、行星和恒星的形成所起的作用；如何控制等離子體以利用核聚變產(chǎn) 生的能量；太陽(yáng)風(fēng)如何干擾人造衛(wèi)星和地球的通訊和電力線路，以及如何影響地 球的天氣等問(wèn)題。 圖0 2a m p t e 項(xiàng)目中拍攝的鋇云照片 另外，日本等國(guó)家也在9 0 年代成功開展了主動(dòng)試驗(yàn)。 早期的主動(dòng)試驗(yàn)中，其蒸發(fā)主要是通過(guò)如下化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行： b a ( n 0 3 ) 2 + 6 m g = b a + m g n 0 3 或s t ( n 0 3 ) 2 + 6 m g = s r - t - 6 m g n 0 3 利用上式化學(xué)反應(yīng)，來(lái)生成高溫高原的鋇、銫蒸汽?；蚴抢?( 1 + n ) b a + c u o = b a o + c u + ，z 砌。， c u o 與b a 反應(yīng)生成的熱來(lái)蒸發(fā)鋇。 利用上面的方法來(lái)取得鋇蒸汽的效率比較低，而后在主動(dòng)試驗(yàn)中應(yīng)用的s h s 反應(yīng)，可以大大提高金屬鋇的蒸發(fā)效率。 4 0 緒言 o 3 2 國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行的研究 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)在我國(guó)的空間物理史上還沒(méi)有成功進(jìn)行過(guò)，我國(guó)科學(xué) 家徐榮欄、李磊、尤大偉等人曾在1 9 9 2 年進(jìn)行過(guò)針對(duì)空間物理釋放試驗(yàn)的地面實(shí) 驗(yàn)準(zhǔn)備及一系列理論研究，包括課題研究和化學(xué)釋放罐的原理性實(shí)驗(yàn)和裝置設(shè)計(jì)， 計(jì)算了從衛(wèi)星釋放鋇可能產(chǎn)生的空間等離子體的臨界電離速度現(xiàn)象1 2 l 。 他們的前期工作為我們留下了一些寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論支持。如今我們期 待能夠在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)完成地面實(shí)驗(yàn)的工作，并完成釋放罐的設(shè)計(jì)工作，將來(lái) 利用火箭或衛(wèi)星開展空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)。 0 4 研究?jī)?nèi)容及方法 本文中的研究主要通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，結(jié)合實(shí)驗(yàn)以及理論計(jì)算確定合理的點(diǎn) 火電壓及點(diǎn)火能量，制定規(guī)范化的點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到在反應(yīng)罐中的反應(yīng)最高溫度和最大壓強(qiáng)，使得對(duì)反應(yīng)罐的 罐體的耐高溫及耐壓系數(shù)要有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)氧或真空環(huán)境中進(jìn)行點(diǎn)火實(shí) 驗(yàn)，借以模擬太空稀薄等離子體中的釋放環(huán)境，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行理論分析。 為真正的太空中釋放提供寶貴參數(shù)。 利用和金屬鋇性質(zhì)相似毒性較小的金屬銻替代鋇，進(jìn)行模擬釋放實(shí)驗(yàn)，觀察 金屬蒸氣噴射的情況，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。在保證安全的情況下，使用金 屬鋇進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)釋放實(shí)驗(yàn)的溫度、壓強(qiáng)等數(shù)據(jù)，分析釋放剩余物的含量。 0 5 本文的結(jié)構(gòu) 本文主要分為以下幾部分。第一章重點(diǎn)介紹在空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)中的一 些重要理論，如s h s 反應(yīng)。第二章將介紹我進(jìn)行的一些主要的實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果。第 三章介紹對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行的輔助設(shè)計(jì)。第四章為結(jié)論及展望。 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與丁程樣機(jī)研制 1 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)理論 1 1 自蔓延高溫合成方法 1 1 1s h s 方法的發(fā)展 在空間環(huán)境中對(duì)化學(xué)釋放物進(jìn)行加熱至汽化，需要一種能快速提供大量熱量 的熱源，受空間環(huán)境的限制，主動(dòng)試驗(yàn)多采用自蔓延高溫合成反應(yīng)來(lái)提供熱量。 自蔓延高溫合成( s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ，簡(jiǎn)稱s h s ) 是2 0 世紀(jì)6 0 年代由前蘇聯(lián)學(xué)者m e r z h a n o v 、b r o v i n k a y a 和s h r i k o 在發(fā)現(xiàn)“固體 火焰”的基礎(chǔ)上提出來(lái)的一種材料合成新方法例。1 9 6 7 年，三人于前蘇聯(lián)科學(xué)院化 學(xué)物理研究所開始了過(guò)渡金屬與硼、碳、氮?dú)夥磻?yīng)的實(shí)驗(yàn)，在鈦與硼的體系中， 他們觀察到所謂固體火焰的劇烈反應(yīng)，此外他們的注意力集中在其產(chǎn)物具有耐高 溫的性質(zhì)，他們提出了用縮寫詞s h s 來(lái)表示自蔓延高溫合成，受到燃燒和陶瓷協(xié) 會(huì)一致贊同，這便是自蔓延高溫合成術(shù)語(yǔ)的由來(lái)。此外，目前國(guó)內(nèi)外還用燃燒合 成( c o m b u s t i o ns y n t h e s i s ) 來(lái)表示這種方法n 。 燃燒引發(fā)的反應(yīng)或燃燒波的蔓延相當(dāng)快，一般為0 1 一- 2 0 o c m s ，最高可 達(dá)2 5 o c m s ，燃燒波的溫度或反應(yīng)溫度通常都在2 1 0 0 - - 一3 5 0 0 k 以上，最高可 達(dá)5 0 0 0 k n0 。s h s 以白蔓延方式實(shí)現(xiàn)粉末間的反應(yīng)，與制備材料的傳統(tǒng)工藝比 較，工序減少，流程縮短，工藝簡(jiǎn)單，一經(jīng)引燃啟動(dòng)過(guò)程后就不需要對(duì)其進(jìn)一 步提供任何能量。由于燃燒波通過(guò)試樣時(shí)產(chǎn)生的高溫，可將易揮發(fā)雜質(zhì)排除， 使產(chǎn)品純度高。同時(shí)燃燒過(guò)程中有較大的熱梯度和較快的冷凝速度，有可能形 成復(fù)雜相，易于從一些原料直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N產(chǎn)品。并且可能實(shí)現(xiàn)過(guò)程的機(jī)械 化和自動(dòng)化。另外還可能用一種較便宜的原料生產(chǎn)另一種高附加值的產(chǎn)品，成 本低，經(jīng)濟(jì)效益好。 1 1 2s h s 反應(yīng)基本原理n 2 1 自蔓延高溫合成是利用反應(yīng)物之間高的化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)做用來(lái) 合成材料的一種技術(shù)，當(dāng)反應(yīng)物一旦被引燃，便會(huì)自動(dòng)向尚未反應(yīng)的區(qū)域傳播， 直至反應(yīng)完全，是制備無(wú)機(jī)化合物高溫材料的一種新方法。自蔓延高溫合成反應(yīng) 6 1 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)理論 過(guò)程如圖1 1 所示。 、 圖1 1 自蔓延燃燒合成反應(yīng)過(guò)程 s h s 本質(zhì)上是一個(gè)劇烈的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，s h s 燃燒反應(yīng)絕熱溫度( ) ， 是在假設(shè)體系沒(méi)有質(zhì)量和能量損失條件下( 絕熱反應(yīng)) ，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量是體 系能達(dá)到的最高溫度。s h s 過(guò)程中，反應(yīng)體系在一個(gè)很狹窄燃燒區(qū)快速升溫進(jìn)行材 料合成反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程近似于絕熱反應(yīng)。設(shè)s h s 反應(yīng)為： a + b 寺c + d ( 1 ) 據(jù)能量平衡可得： 0一a d a l l2 9 82 一l 8g a t ( 2 ) 其中胡”：為反應(yīng)( 1 ) 在2 9 8 k 時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)焓變，c 。為反應(yīng)物及產(chǎn)物熱容、相 變等相關(guān)的函數(shù)。解次積分方程即可求得s h s 燃燒反應(yīng)的絕熱溫度。 絕熱燃燒溫度是描述s h s 反應(yīng)特征最主要的熱力學(xué)參量，可以作為判斷燃燒 反應(yīng)是否自我維持的定性判據(jù)，還可以對(duì)燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并可為 反應(yīng)體系的成分設(shè)計(jì)提供依據(jù)。一般在1 8 0 0 6 0 0 0 k ，影響乙的因素主要有化 學(xué)配比和環(huán)境溫度。m e r z h a n o v 等人提出以下經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，即當(dāng)乙1 8 0 0 k 時(shí)，s h s 反應(yīng)才能自我持續(xù)完成。m u n i r 發(fā)現(xiàn)一些乙低于其熔點(diǎn)l 的化合物生成熱與2 9 8 k 下的熱容的比值m 。2 c , ：，。與之間呈線性關(guān)系。由此提出，僅當(dāng) 7 反應(yīng)進(jìn)行方冉 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與工程樣機(jī)研制 h 。2 9 s c p 2 9 8 2 0 0 0 k ( 對(duì)應(yīng)于t o , 1 8 0 0 k ) 時(shí)反應(yīng)才能自我維持。 s h s 動(dòng)力學(xué)參量是描述s h s 過(guò)程特性的重要參量，它旨在研究燃燒波附近高溫 化學(xué)轉(zhuǎn)變的速度等規(guī)律，：i ) 反應(yīng)速率是描述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)普遍適用參量 ( 由于絕大多數(shù)s h s 反應(yīng)體系并非實(shí)在原子或分子水平的均勻混合，因而應(yīng)用一 般的物理化學(xué)反應(yīng)理論會(huì)遇到困難) ；i i ) 質(zhì)量傳遞和能量傳遞成為反應(yīng)過(guò)程的主 要因素，能量釋放速率與質(zhì)量燃燒速率不同于燃燒波速( 它們的值與觀察者所選 取的參照系統(tǒng)無(wú)關(guān)) ，具有鮮明的物理意義。研究表明在s h s 體系內(nèi)合成反應(yīng)是分 步完成的，即使燃燒波已移動(dòng)，但合成反應(yīng)還在繼續(xù)；i ii ) 原料的初始狀態(tài)和外 部條件對(duì)s h s 反應(yīng)也有重要影響。由于s h s 過(guò)程的高溫和高速反應(yīng)特性，使之對(duì) 其動(dòng)力學(xué)的研究十分困難，加上s h s 反應(yīng)的特殊性和復(fù)雜性，目前研究仍處在進(jìn) 一步深化探討中。 s h s 方法的優(yōu)點(diǎn)歸納起來(lái)有：i ) 反應(yīng)時(shí)間短，能源利用充分；i i ) 設(shè)備、工藝 簡(jiǎn)單；i i i ) 產(chǎn)品純度高，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率接近1 0 0 ；i v ) 不僅能生產(chǎn)粉末，如果同時(shí)施 加壓力，還可以得到高密度的燃燒產(chǎn)品；v ) 產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。 下表為s h s 反應(yīng)與常規(guī)方法的一些參數(shù)比較： 表1 1s h s 反應(yīng)的幾個(gè)典型參數(shù)比較 典型參數(shù)s h s 法常規(guī)方法 最高溫度( ) 15 0 0 一4 0 0 0 2 2 0 0 反應(yīng)傳播速度( c m s )0 1 1 5 ( 以燃燒波形式)很慢，以c m h 計(jì) 加熱速度( c h )1 0 3 1 0 6 1 8 0 0 k 時(shí)，s h s 反應(yīng)才能自我持續(xù)完成，否則反應(yīng)會(huì)停止在前沿燃燒波 處。 對(duì)于2 0 0 0 k 以上的高溫，目前可選用的測(cè)量方法主要有非接觸型的紅外高溫 測(cè)溫儀、光纖型紅外溫度計(jì)、光電溫度傳感器以及接觸型的熱電偶。由于反應(yīng)條 件的限制，我們要測(cè)量密封反應(yīng)罐內(nèi)的燃燒溫度，所以使用熱電偶測(cè)量溫度更為 簡(jiǎn)便實(shí)用，且誤差較小【2 2 1 。 熱電偶測(cè)溫的基本原理是用兩種不同成分的均質(zhì)熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩 2 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)地面實(shí)驗(yàn) 種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流 通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在s e e b e c k 電動(dòng)勢(shì)一熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克 效應(yīng)。熱電偶的熱電動(dòng)熱由兩部分組成，即接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。 熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之間存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，這就是熱電偶測(cè)溫的原理。在我 們的實(shí)驗(yàn)中使用的是鎢錸熱電偶，其特點(diǎn)是： 1 熱電極絲熔點(diǎn)高，約為3 3 0 0 ，蒸汽壓低，極易氧化。 2 在非氧化性氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好。 3 電動(dòng)勢(shì)大，靈敏度高。 鎢錸熱電偶是一種高溫?zé)犭娕?，可以長(zhǎng)時(shí)間在2 0 0 0 以上環(huán)境中使用，短時(shí) 間使用的最高溫度可以達(dá)到3 0 0 0 。 根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度之間的線性關(guān)系，我們繪制了相應(yīng)的電勢(shì)一溫度的對(duì)照表， 這樣具體測(cè)量中我們只要測(cè)得電動(dòng)勢(shì)，就可以直接讀出相應(yīng)的溫度。 c 婚扮溫度電勢(shì)瓠臺(tái)盥錢 圖2 1 0 熱電偶溫度一電勢(shì)曲線 從圖中可知，熱電偶在其工作溫度范圍內(nèi)線性度良好，可以作為測(cè)量反應(yīng)物 溫度的工具。 2 2 2 燃燒溫度的測(cè)量 得到了以上的結(jié)果后，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室做了如下試驗(yàn)來(lái)探知最小點(diǎn)火能量。 實(shí)驗(yàn)環(huán)境：大氣中； 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與工程樣機(jī)研制 測(cè)試設(shè)備為鎢錸熱電偶； 通過(guò)使用熱電偶對(duì)反應(yīng)物燃燒溫度的多次測(cè)量，得到以下圖像： 2 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)地面實(shí)驗(yàn) 圖2 1 1 熱電偶采集的數(shù)據(jù)圖像 以上三幅圖都是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集到的三次燃燒的數(shù)據(jù)圖像，三次取得的 數(shù)據(jù)基本相近。從中挑選了一組數(shù)據(jù)，對(duì)照之前制作的溫度電勢(shì)曲線可以繪制出 以下的燃燒溫度曲線： 圖2 1 2 燃燒溫度曲線 2 2 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了乃與c 在大氣中的燃燒溫度為2 3 2 4 ，約2 6 0 0 k 。從圖2 1 2 的燃燒溫度曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量點(diǎn)的溫度從室溫上升到2 6 0 0 k 僅需1 秒，迅速生成燃燒產(chǎn)物，同時(shí)將燃燒波傳遞至未燃燒區(qū)域，觀察燃燒波傳遞速度 約為1 伽厶。 由于測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在大氣環(huán)境下進(jìn)行，大氣環(huán)境是一個(gè)等壓燃燒過(guò)程，而在釋 放罐內(nèi)的燃燒實(shí)際上是等容燃燒過(guò)程，在釋放罐中的燃燒溫度會(huì)高于2 6 0 0 k 。所 以釋放罐的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)在3 0 0 0 k 左右，以保證實(shí)驗(yàn)中可以正常工作。 2 3 釋放物的選擇 根據(jù)m e r z h a n o v 等人提出的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，即當(dāng)_ 1 8 0 0 k 時(shí)，s h s 反應(yīng)才能 自我持續(xù)完成，因此可以計(jì)算在實(shí)驗(yàn)中可以加入的釋放物的最大比例。 在之前國(guó)際上已經(jīng)開展的空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)中，大多都使用金屬鋇 空間等離子體主動(dòng)試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)分析與工程樣機(jī)研制 ( b a r i u m ) 作為釋放物質(zhì)【引，這是由于使用鋇有如下優(yōu)點(diǎn)： 1 鋇的氣化點(diǎn)較低，易被蒸發(fā)。 2 電離電位低，其在空間中釋放后能在光照下迅速電離，便于實(shí)驗(yàn)研究。 3 鋇中性原子的共振光譜5 5 3 5 n m ( 綠光) ，鋇離子的共振光譜4 5 5 4 n m ( 藍(lán) 光) ，易于進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)。 綜上所述，我們也將選用金屬鋇作為空間中的釋放物質(zhì)。但是由于鋇在空氣 中極易被氧化形成含有劇毒的氧化物一氧化鋇( b a o ) ，在實(shí)驗(yàn)室中不宜使用鋇進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)。需尋找一種性質(zhì)與金屬鋇類似的替代物。 表2 3 幾種金屬的熱力學(xué)數(shù)據(jù)【2 1 比熱容 熔點(diǎn)( 。c )沸點(diǎn)( 。c )溶化潛熱 蒸汽壓 1 0 0 0 0 c ( k j k g )( 。c ) ( j k m 0 1 ) 鋇 1 1 6 47 2 518 4 9一4 6 2 鐵 5 6 715 3 72 8 7 2 32 7 1 71 2 2 7 鈣 3 9 28 5 01 4 9 42 3 2 44 5 9 鈦 3 2 51 6 6 03 3 1 84 3 4 31 4 4 2 碳 2 1 54 0 0 03 9 3 02 13 7 銻 3 1 4 6 3 0 51 6 0 01 6 0 1 4 2 5 由表中的數(shù)