微小空间碎片加速器初步实验结果及动力学行为研究
空间碎片与航天器的平均撞击速度高达10km/s，严重地威胁在轨航天器的安全。空间碎片的尺寸分为微米级、毫米级、厘米级，有些甚至达米级，不同尺度的空间碎片对航天器所造成的危害方式不同，程度也不同，其对策及研究手段也各异。航天器无法规避的危害对象主要是数日惊人的毫米级和微米级的微小空间碎片。研究微小空间碎片撞击效应最经济和最有效的手法是地面超高速模拟实验，等离子体加速器是微米级碎片的地面模拟设备。等离子体在同轴枪中产生并加速，经锥形线圈压缩成高速、高密度等离子体流，在喷口处驱动固体微粒加速，高速微粒经漂移管道进入靶室与待测样品进行各种模拟撞击实验。 SPIF(空间碎片撞击模拟装置)是目前国内唯一一台利用高温度、高密度、高压强等离子体流驱动微小颗粒(材料为玻璃、刚玉、金刚沙、铸钢、橄榄石、ZrO2、SiC等，直径为10-1000μm)至1-15km/s高速的空间碎片撞击模拟装置，它包括以下几个部分：脉冲功率源、等离子体同轴枪、压缩线圈、颗粒操作设备、漂移管道、超高速撞击靶室和相应诊断手段(电磁测量、微粒测速、真空测量等)。工作气体为氦气或氩气，采用高速脉冲电磁阀在亚毫秒时间内完成给源室的充气。高速微粒速度采用压电晶体测速和激光测速，高灵敏压电传感器放置在靶室样品架处，二台间距20cm、布置在漂移管道上的激光器和光电倍增管组成在线激光测速设备。 实验中系统研究了脉冲功率源的储能、工作气体的充气量、固体颗粒尺寸和材料、同轴枪尺寸、颗粒放置位置等因素对微粒速度的影响，微粒速度一般在5km/s-10km/s，对直径为100μm的Al2O3颗粒的最高速度达18km/s。目前正在开展高速微粒对太阳能电池板样品影响的系统研究，准备在漂移管道中加一同步快门以滤去速度在2km/s以下的微粒对测试的影响。 碎片加速器的工作过程十分复杂，影响微粒速度的因素较多，它们包括等离子体源(储能、电极几何尺寸、工作气体等)、压缩线圈、喷嘴形状和尺寸、颗粒材料，尺寸及放置方式等。我们拟借鉴等离子体焦点实验的研究结果，通过实验研究(电磁测量、光谱测量等)和等离子体雪耙模型的数值计算研究等离子体流的轴向速度与放电条件、电极尺寸和工作气体之间的关系，进一步研究等离子体动力学特性。等离子体同轴电极及压缩线圈优化设计、等离子体喷嘴优化设计、最佳放电参数(储能、充气量、工作气体、电磁阀放电与主放电间的时延等)探索、颗粒材料和尺寸选择、微粒速度筛选等是下一步研究的重点，提高微粒速度是最终目标。
等离子体加速器 微小空间碎片 碎片撞击模拟装置 动力学行为
杨宣宗 冯春华 王龙
中国科学院物理研究所，北京 100080
国内会议
昆明
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2008-10-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）