超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究

摘要

人类对太空的不断探索以及自然空间环境的日渐恶化，使许多航天器异常结束了寿命，诸多迹象表明可能是由于微流星或空间垃圾与航天器碰撞产生的等离子体所致。为了更好地指导航天器的防护设计和材料选择，开展超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究具有重要的学术价值和工程应用价值。本文利用二级轻气炮加载系统和相关附属系统、朗缪尔三探针测量系统和电磁感应线圈测量系统，开展了超高速碰撞2A12铝板和航天器真实使用的太阳能电池阵的实验研究。系统研究了不同碰撞参数、朗缪尔三探针和磁感应线圈在不同空间位置坐标处产生等离子体的特征参量和磁感应强度的变化规律；建立了不同碰撞参数、不同传感器布局条件下等离子体特征参量和磁感应强度的空间分布几何模型，为全面系统地揭示超高速碰撞不同类型靶板产生等离子体的电磁特性提供了新的分析方法。取得的主要研究成果如下：
　　1）就2A12铝弹丸超高速碰撞2A12铝板而言，当碰撞角度为30°时，不同碰撞速度产生等离子体诱生磁场的最大磁感应强度随碰撞速度的增加而增大；碰撞速度约为3.0km/s，不同碰撞角度（弹道与靶板平面的夹角）产生等离子体的最大电子温度、最大电子密度以及诱生磁场的最大磁感应强度随碰撞角度的增大而减小。当碰撞角度为45°、碰撞速度约为3.0km/s且朗缪尔三探针空间坐标为(X，60，50)和线圈空间坐标为(X，50，60)时，最大电子温度、最大电子密度以及最大磁感应强度随 X坐标的增大而减小；在相同碰撞参数条件下，当朗缪尔三探针空间坐标为(30，Y，50)时，最大电子温度和最大电子密度随Y坐标的增大而减小；当朗缪尔三探针空间坐标为(30，45，Z)时，最大电子温度和最大电子密度随Z坐标的增大而减小。当碰撞角度为30°、碰撞速度约为3.0km/s且朗缪尔三探针空间坐标为(20，55，Z)时，最大电子温度、最大电子密度随Z坐标的增大而减小，当线圈空间坐标为(65，Y，35)时，最大磁感应强度亦随Y坐标的增大而减小；当碰撞角度为60°、碰撞速度约为3.0km/s且线圈空间坐标为(56，36，Z)时，最大磁感应强度随Z坐标的增大而减小。碰撞速度约为3.0km/s，碰撞角度分别为30°、45°、60°时，撞击点附近产生的等离子体均以近似椭球的形状由内向外膨胀，且最大电子温度和电子密度及最大磁感应强度由内层到外层逐层减小。当碰撞速度约为3.0km/s、碰撞角度分别为30°、45°、60°时，等离子体云的平均膨胀速度随探测点到着靶点距离的增大而减小，且等离子体云的平均膨胀速度介于4.0~6.0km/s间；建立了最大电子温度、最大电子密度以及最大磁感应强度的空间几何模型并且通过拟合得到了最大电子温度、最大电子密度以及最大磁感应强度与探测点到着靶点间距离的拟合关系式。
　　2）就超高速碰撞太阳能电池阵而言，当碰撞角度为30°、朗缪尔三探针空间坐标约为(6，0，30）时，碰撞速度越高产生等离子体的最大电子温度、最大电子密度也越大；当碰撞速度约为3.25km/s、朗缪尔三探针空间坐标为(6，0，30）时，碰撞角度越大，碰撞产生等离子体的最大电子温度和最大电子密度均越小。当碰撞速度约为3.4km/s，碰撞角度为30°时，撞击点附近产生的等离子体以近似椭球的形状自内而外膨胀，且最大电子温度和最大电子密度自内而外逐层减小；当碰撞速度约为3.0km/s，碰撞角度为90°时，撞击点附近产生的等离子体以近似球状由内而外膨胀，且最大磁感应强度自内而外逐层减小。当碰撞速度约为3.4km/s、碰撞角度为30°时，等离子体云的平均膨胀速度随探测点到着靶点距离的增大而减小，且等离子体云的平均膨胀速度介于2.2~5.24km/s间；建立了最大电子温度、最大电子密度以及最大磁感应强度的空间几何模型并且通过拟合得到了最大电子温度、最大电子密度以及最大磁感应强度与探测点到着靶点间距离的拟合关系式。
　　3）就聚碳酸酯弹丸超高速碰撞2A12铝板而言，当碰撞角度为30°、朗缪尔三探针空间坐标为(20，20，50)时，碰撞速度越大碰撞产生等离子体的最大电子温度与最大电子密度也越大；当碰撞速度为3.9km/s、朗缪尔三探针空间坐标为(20，20，50)时，超高速碰撞产生等离子体的最大电子温度与最大电子密度随碰撞角度的增大而减小；当碰撞角度为30°、线圈的空间坐标为(65，65，35)时，超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的最大磁感应强度随碰撞速度的增加而增大。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 课题研究的目的

1.3 课题研究的意义

1.4 国内外研究现状

1.5 本论文研究的主要内容

第2章 实验系统的建立

2.1 实验总体方案

2.2 超高速碰撞的加载系统

2.3 测量系统

2.4 靶板

2.5 实验系统空间坐标系的建立

2.6 实验基本参数

2.7 本章小结

第3章 超高速碰撞产生等离子体特征参量的诊断

3.1等离子体的特征参量

3.2 等离子体特征参量诊断理论

3.3 超高速碰撞产生等离子体特征参量的测量

3.4 超高速碰撞2A12铝板产生等离子体的特征参量分析

3.5 超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体的特征参量分析

3.6 聚碳酸酯弹丸碰撞2A12铝板产生等离子体的特征参量分析

3.7本章小结

第4章 超高速碰撞产生等离子体诱生的磁场特性

4.1 线圈测量理论

4.2 超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的测量

4.3 超高速碰撞2A12铝板产生等离子体诱生的磁场特性分析

4.4 碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体诱生磁场的特性分析

4.5 聚碳酸酯弹丸碰撞2A12铝板产生等离子体诱生的磁场特性

4.6本章小结

第5章 超高速碰撞产生等离子体电磁特性的空间几何模型

5.1等离子体电磁特性的空间几何模型建立

5.2 超高速碰撞2A12铝板产生等离子体电磁特性的空间几何模型

5.3 超高速碰撞供电太阳能电池阵产生等离子体电磁特性的空间几何模型

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢

附录