一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于空间环境探测设备技术领域，具体地说，涉及一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，该装置包括：气体采样与准直子装置(1)、冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)、电离区电场控制子装置(3)、离子速度分析与收集子装置(4)和装置外壳(5)；气体采样与准直子装置(1)、冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)、电离区电场控制子装置(3)和离子速度分析与收集子装置(4)设置在装置外壳(5)内；气体采样与准直子装置(1)设置在冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)上，二者的一侧依次顺序连接离子速度分析与收集子装置(4)；冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)内设置电离区电场控制子装置(3)。(3)。(3)。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于空间环境探测设备
，具体地说，涉及一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]行星高层大气是研究行星空间环境和行星演化的关键区域之一，高层大气风场在磁层
‑
电离层
‑
大气耦合中起到了重要作用,是研究行星高层大气动力学和电离层动力学的重要大气参数，对于行星气候和大气的演化过程研究也具有重要意义。但是，由于行星高层大气的气体属于稀薄气体自由分子流，连续介质假设不再适用于这个区域，因而用于地面的原位测风装置并不适用于测量行星高层大气风场；此外，行星高层大气中运行的航天器和大气的相对速度可达数公里每秒，远大于待测的风速，使得对航天器运行轨道的空间大气风场开展原位探测的难度很大。因此，实现航天器运行轨道空间大气风场的原位测量，是一个重要的发展方向。
[0003]开展航天器运行轨道原位空间大气风场测量的基本原理是通过测量行星高层大气中性粒子的分布，来获得其速度和温度等参量。由于大气中的中性粒子能量很低，难以直接测量并获得其能谱，需将中性粒子电离后，通过测量离子的能谱分布，从而间接的获得中性粒子的能谱分布。
[0004]但是，常规的气体中性粒子电离后，测量电离后的离子的能谱分布的方法存在较强的剩余电场的干扰，测量精度差，难以直接反映中性粒子的真实能谱分布。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置及测量方法，本专利技术的测量装置嵌入式地安装在卫星表面，进气口指向风速矢量的测量方向，传感器上部伸出卫星表面，将探测窗口尽量远离卫星表面，以减小卫星表面羽流对中性气体分子测量的干扰。
[0006]本专利技术提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置，该装置包括：气体采样与准直子装置、冷阴极电子发射与聚焦子装置、电离区电场控制子装置、离子速度分析与收集子装置和装置外壳；
[0007]气体采样与准直子装置、冷阴极电子发射与聚焦子装置、电离区电场控制子装置和离子速度分析与收集子装置设置在装置外壳内；
[0008]气体采样与准直子装置设置在冷阴极电子发射与聚焦子装置上，二者的一侧依次顺序连接离子速度分析与收集子装置；冷阴极电子发射与聚焦子装置内设置电离区电场控制子装置。
[0009]作为上述技术方案的改进之一，所述气体采样与准直子装置包括：进气口、出气口和准直室；
[0010]所述准直室为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的两端分别设置进气口和出气口。
[0011]作为上述技术方案的改进之一，所述冷阴极电子发射与聚焦子装置包括：电子发射冷阴极、电子调制极组件和阳极板；
[0012]电子发射冷阴极之上设置电子调制极组件；电子调制极组件之上设置阳极板；电子调制极组件位于电子发射冷阴极和阳极板之间，三者之间平行设置。
[0013]作为上述技术方案的改进之一，所述电子发射冷阴极包括：冷阴极电子发射体和框架支架；
[0014]冷阴极电子发射体呈圆柱状结构，框架支架的横截面呈工字形结构，冷阴极电子发射体设置在框架支架内。
[0015]作为上述技术方案的改进之一，所述电子调制极组件包括：第一圆柱状中空结构电极和第二圆柱状中空结构电极；
[0016]第一圆柱状空心结构电极设置于第二圆柱状空心结构电极下方，第一圆柱状空心结构电极、第二圆柱状空心结构电极的中轴线与电子发射冷阴极的中轴线重合。
[0017]作为上述技术方案的改进之一，所述电离区电场控制子装置包括：第一电离区屏蔽栅网和第二电离区屏蔽栅网；
[0018]第二电离区屏蔽栅网平行设置在电子调制极组件顶端的内壁上，第一电离区屏蔽栅网平行设置在电子调制极组件和第二电离区屏蔽栅网之间的内壁上。
[0019]作为上述技术方案的改进之一，所述离子速度分析与收集子装置包括依次顺序设置的至少两个分析区屏蔽栅网、至少四个分析区扫描栅网和收集极；
[0020]至少两个分析区屏蔽栅网、至少四个分析区扫描栅网和收集极之间平行设置。
[0021]本专利技术还提供了一种航天器运行轨道空间大气风场测量方法，该方法包括：
[0022]航天器运行轨道高速入射的行星高层大气中性气体分子射入准直室的进气口，行星高层大气中性气体分子进入准直室内的电离区；
[0023]冷阴极电子发射体发射电子束流，并通过电子调制极组件和电离区电场控制子装置，对电子束流的入射方向进行调整，将电子束流垂直入射至电离区；
[0024]利用电子束流对行星高层大气中性气体分子进行电离，电离后的离子保持中性气体入射的分布状态射出，出射的离子穿过分析区屏蔽栅网，射入分析区扫描栅网，通过分析区扫描栅网，获得离子电流I，并利用扫描电压折算的速度V
g
，再结合公式(1)和(2)，反演出中性气体分子的中心速度V
c
和热速度V
m
：
[0025][0026]I＝GeN
i
F(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0027]其中，F(v)为与中性气体分子的速度V
c
和中性气体分子的热速度V
m
相关的分布函数；Ge为常数因子；N
i
为中性气体的密度；
[0028]根据计算得到的中性气体分子的热速度V
m
，可得到中性气体分子的温度。
[0029]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0030]1、本专利技术的测量装置，通过气体采样与准直子装置，实现对行星高层大气中性气体分子来流采样和准直；通过气体采样与准直子装置的准直功能，选择航天器运行轨道高速入射的气体来流的主方向，实现对不同来流方向的选择测量；
[0031]2、本专利技术的测量装置，气体来流在电离区电离后，通过冷阴极电子发射与聚焦子
装置和电离区电场控制子装置，实现发射电子聚焦为近平行电子束，提高电离效率、确保电子能量一致性，同时调节电离区电场，大幅降低渗漏电场对入射中性气体分子来流电离后产生离子分布状态的干扰，使得电离产生的离子与入射中性气分布的初始状态尽量保持一致，从而解决了剩余电场的干扰问题，并通过离子速度分析与收集子装置进行扫描、提取和收集电离区离子，得到离子能量分布曲线，获得入射中性气体的速度、温度等参量；并大大减少了背景噪声的干扰，风速测量精度可达优于10m/s，实现了航天器运行轨道空间大气风场的高精度测量；
[0032]3、本专利技术的测量装置具备了空间大气风场探测功能，解决了剩余电场的干扰问题，实现了航天器运行轨道空间大气风场的高精度测量。
附图说明
[0033]图1是本专利技术的一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置的结构示意图；
[0034]图2是图1的本专利技术的一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置中的气体采样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，该装置包括：气体采样与准直子装置(1)、冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)、电离区电场控制子装置(3)、离子速度分析与收集子装置(4)和装置外壳(5)；气体采样与准直子装置(1)、冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)、电离区电场控制子装置(3)和离子速度分析与收集子装置(4)设置在装置外壳(5)内；气体采样与准直子装置(1)设置在冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)上，二者的一侧依次顺序连接离子速度分析与收集子装置(4)；冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)内设置电离区电场控制子装置(3)。2.根据权利要求1所述的航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，所述气体采样与准直子装置(1)包括：进气口(1.1)、出气口(1.2)和准直室(1.3)；所述准直室(1.3)为圆柱形空腔，该圆柱形空腔的两端分别设置进气口(1.1)和出气口(1.2)。3.根据权利要求2所述的航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，所述冷阴极电子发射与聚焦子装置(2)包括：电子发射冷阴极(2.1)、电子调制极组件(2.2)和阳极板(2.3)；电子发射冷阴极(2.1)之上设置电子调制极组件(2.2)；电子调制极组件(2.2)之上设置阳极板(2.3)；电子调制极组件(2.2)位于电子发射冷阴极(2.1)和阳极板(2.3)之间，三者之间平行设置。4.根据权利要求3所述的航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，所述电子发射冷阴极(2.1)包括：冷阴极电子发射体(2.1.1)和框架支架(2.1.2)；冷阴极电子发射体(2.1.1)呈圆柱状结构，框架支架(2.1.2)的横截面呈工字形结构，冷阴极电子发射体(2.1.1)设置在框架支架(2.1.2)内。5.根据权利要求3所述的航天器运行轨道空间大气风场测量装置，其特征在于，所述电子调制极组件(2.2)包括：第一圆柱状中空结构电极(2.2.1)和第二圆柱状中空结构电极(2.2.2)；第一圆柱状空心结构电极(2.2.1)设置于第二圆柱状空心结构电极(2.2.2)下方，第一圆柱状空心结构电极(2.2.1)、第二圆柱状空心结构电极(2.2.2)的中轴线与电子发射冷阴极(2.1)的中轴线重合。6.根据权利要求1所述的航天器运行轨道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王馨悦，张爱兵，张贤国，刘超，田峥，郑湘芷，孔令高，唐萍，程立辉，关燚炳，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：