邓建华1龙仁荣张庆明
（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京 100081）
摘要：超高速碰撞产生的等离子体会对航天器电子器件产生干扰，可能会对航天器产生致 命的伤害。研究超高速碰撞产生的等离子体特性有着重要意义。本文分析目前常用磁测线
圈的不足，设计了球形骨架线圈，用于测量超高速碰撞过程空间一点磁场并测量该点处等
离子体的电子温度。采用该线圈测量到速度为6.26km/s的球形LY12铝弹丸撞击LY12铝靶
复分解反应的定义板产生的磁感应强度随时间的变化。测试结果表面磁场的持续时间为1.3ms左右，磁感应
强度最大值为42nT，等离子体电子温度的最大值为1.1eV。
关键词：超高速碰撞；磁场；线圈；等离子体
一、 引言
裂隙制造者
近年来，人类太空活动越来越频繁，空间垃圾日益增加，在轨航天器的工作环境越来越恶劣，其工作寿命受到的威胁增大。空间碎片超高速撞击航天器的毁伤效应可以分为机械毁伤和电毁伤。机械毁伤是指碰撞造成航天器内结构力学失效导致永久损坏；电毁伤是指超高速碰撞过程中产生的等离子体、电磁辐射通过耦合作用到航天器内的电路系统，造成干扰，影响航天器的工作状态。这种干扰能对航天器构成巨大的威胁，严重时能够使航天器提前结束运行，例如1991年奥林普斯号卫星丢失事件。相关研究表明超高速碰撞对航天器造成的电毁伤比机械毁伤的危害程度大[1-3]。
研究超高速碰撞产生的电磁场具有重要意义。首先，对航天器防护设计有着重要的指导意义[2]；其次，它的相关理论可以解释月球表面的残余磁场，对研究天体物理、古地磁学有着重要的借鉴意义[4]；最后，在深空探测领域也有着重要的参考意义。目前相关研究表明，超高速碰撞产生电磁场的原因有：微裂纹的产生；金属晶格的破坏；等离子体的运动等[5-6]。
超高速碰撞产生的磁场具有时间历程短，量级小等特点，目前使用最多的测量传感器是盘式线圈传感器和Rogowski线圈[7-9]。两种线圈的测试原理都是法拉第电磁感应定律，但线圈的具体结构形式不相同，导致测试结果存在差别。盘式线圈只能测与之垂直的磁场分量；平行的磁场分量因不能与线圈交链形成磁通而无法识别，可能导致测试结果偏小。超高速碰撞产生的等离子体在运动过程中比较分散，带电粒子运动形成的电流不集中，容易导致Rogowski线圈测得的结果偏大。由于这两种线圈都存在着不足，因此本文重新设计了磁测线圈。
9岁学生纠错奥赛名题
作者简介：邓建华（1988‐），男，硕士，E‐mail:*****************
通信作者：龙仁荣（1982‐），男，讲师，E‐mail:*******************
二、 实验系统
2.1 球形骨架线圈
球形骨架线圈传感器是将三个盘式线圈缠绕在一个球形骨架上，骨架选用的材料是塑料，每个盘式线圈是独立的，三个线圈相互垂直。传感器可以测量空间一点处三个方向上的磁场分量。线圈采用线径为0.25mm 铜漆包线绕制。线圈的具体参数如下表所示。
表1 线圈参数
线圈
层数 每层匝数 有效直径（mm ） 1号线圈（里线圈）
20 30 25 2号线圈（中线圈）
20 30 41 3号线圈（外线圈） 10 30 55 当线圈所在空间的磁场发生变化时，由法拉第电磁感应定律可
知线圈会感应出电动势e （见式1）：
d e dt
NBS ϕΦ=-= （1）
式中Φ为线圈交链的磁通量，N 为线圈的匝数，B 为穿过线圈且与线圈垂直的磁感应强度，S 为线圈界定的面积。
图1线圈的骨架及三个线圈的相对位置 当线圈产生感应电动势后，线圈的闭环回路内有电流产生，根据毕奥-萨伐尔定理线圈周围产生磁场，磁感应强度B 为：
024p Id d r μπ
⨯=∙l r B （2） 0p r μμμ= （3）
式中µp 为骨架材料的磁导率，µr 为骨架材料的相对磁导率，塑料为非导磁性材料，其相对磁导率µr 为1，µ0为真空磁导率，µ0=4π×10-7 H/s ；I 为线圈中的电流；l 为线圈中
电流方向上的单位向量；r 0为电流到空间一点的单位向量；
r 为电流到空间一点的距离。 根据右手定则，通电导线周围产生磁场，其形状是一系列同心圆，其示意图如下。由于三个线圈是相互垂直，根据对称性，每个线圈产生的磁场在其他两个线圈上铰链的磁通为0。通过分析可知同一骨架上线圈之间不存在相互干扰。从式（3）可知通电导线产生的磁场在周围空间一点的强度与该点到电流的距离r
平方成反比，同时线圈感应产
生的电流量很小，故可以忽略线圈产生感应电流后对周围环境磁场的影响。为了避免静电场对线圈测量结果的影响，需要用铝箔缠绕球形骨架线圈，厚度为2mm 。
(1) 与2号线圈的交链 (2) 与3号线圈的交链
图2 1号线圈感应产生电流后自身的磁感应线与其他线圈的交链
2.2 Langmuir 三探针
Langmuir 三探针由直径为0.28mm 、长为11.4mm 的圆柱形铜丝构成。探针用于测量超高速碰撞产生等离子体的电子温度。
反垃圾邮件系统
图3 Langmuir 三探针电路示意图 图4 实验坐标系统
电子温度T e 可以从下式中得到
杜香油()()
2121331231exp 1exp d d V I I I I V I I I φφ--+=+--+= （4）
式中e e kT φ≡, e 是电子的电荷量，k 是波尔兹曼常数。
2.3 实验基本参数及传感器布置
实验采用二级轻气炮加载铝弹丸撞击铝靶板，弹靶材料均为LY-12Al ，弹丸是实心球状，直径为6.4mm ，撞击的速度为6.26km/s ，碰撞角度为450（弹道与靶板表面的夹角）。实验时为了对传感器定位，以靶板面为基准面，建立以碰撞点为坐标系原点O ，垂直靶板面向上为+z ，+y 指碰撞点到上弹道方向的距离，+x 方向满足右手坐标系，如图4所示。放置球形骨架线圈时，1号线圈的轴线与x 轴方向平行，2号线圈的轴线与y 轴平行，3号线圈的轴线与z 轴平行。球形骨架线圈的坐标（10cm,10cm,12cm ），探针的坐标为（7cm,7cm,12cm ）。
三、 实验结果及分析
球形骨架线圈测得的磁感应强度随时间的变化规律、探针测得的电子温度随时间的变化规律如下图所示。
1号线圈2号线圈3号线圈（4）三个方向合成
图5 测点磁感应强度值随时间的变化
图6 电子温度随时间变化
从测试的结果可以看出1号、2号、3号线圈测得的磁感应强度值随时间变化的曲线形状近似相同，在0.3ms左右起跳，达到一个小的峰值，然后衰减到最小值，接着迅速上升达到最大值，到达最大值的时间为0.5ms，然后开始衰减，在1.3ms左右信号衰减到0。磁场从最小值上升到最大值持续的时间比磁场从最大值衰减至零持续的时间短，上升阶段的平均斜率大于衰减阶段的平均斜率绝对值，表明磁场产生阶段是一个陡升的过程。同一个球形骨架上的三个盘式线圈测得的信号存在差别，1号线圈测得的磁感应强度最大值为26nT,2号线圈测得的磁感应强度为17nT,3号线圈测得的磁感应强度最大值为27nT。把三个方向合成后得到空间一点的磁感应强度大小随时间的变化关系，从图5（4）可以得出最大值为42nT，接近已有的实验结果[8-9]。
图5为实验中Langmuir三探针测到的电子温度随时间的变化关系曲线，先增大，再慢慢变小。信号在0.3ms到达，然后电子温度迅速上升，在1.3ms达到最大值1.1eV，3.5ms后电子温度开始下。上升阶段斜率的绝对值比下降阶段斜率的绝对值大，表明等离子体开始产生阶段是一个陡升的过程，随着产生的等离子体向外运动电子温度变化的幅度较小，达到一个相对平稳过程，而后随着等离子体继续向外运动以及靶室周围环境因素的影响，等离子体电子温度逐渐下降，同时等离子体中带电粒子发生中和湮灭，电离度慢慢降低，持续几个毫秒后等离子体变成中性气体。从图6中可以看出电子温度曲线有振荡，表明超高速碰撞产生等离子体是瞬态的，不稳定的。
结合图5和图6可以发现，磁场从产生到衰减为零这一过程持续的时间与电子温度从信号到达至上升到
最大值的时间段对应，且磁场与等离子体电子温度上升阶段都是陡
升的过程。由此认为超高速碰撞产生的电磁场主要由碰撞产生的等离子体引起。磁场产生主要在等离子体产生的初始阶段。超高速碰撞初始阶段产生的瞬态等离子体在密度梯度和压力梯度的作用下向周围运动，由于电子的质量远小于正离子的质量，所以电子的运动速度要远大于正离子的运动速度，这种速度差异就会导致局部范围产生电荷分离，导致极化，宏观上就会有电流形成，根据法拉第电磁感应定律，电流周围有磁场产生，这一过程对应着磁场增强阶段；随着正离子的积累，产生的电场强度增加，电子反方向的加速度增加，其远离正离子的运动减弱，同时正离子的运动加强，电荷分离减弱，局部范围内呈电中性，整体运动时，无电流形成，对应着磁场衰减阶段；当等离子体相对平衡时，磁场消失。
四、 结论
采用球形骨架线圈测量系统、朗缪尔三探针诊断系统，对LY-12Al弹丸以450的入射角度，6.26km/s的初始速度撞击LY-12Al靶板产生等离子体及磁场进行了诊断，磁场的最大值为42nT，等离子体电子温度的最大值为1.1eV。实验结果表明线圈测量磁感应强度，探针测量等离子体电子温度是可靠的；超高速碰撞产生的磁场与碰撞初始阶段产生的等离子体有一定的关系。礼乐治国
参考文献
1 唐恩凌.超高速碰撞产生等离子体的实验研究[D].北京：北京理工大学宇航科学与技术学院，2007：
77-99.
2 R.Douglas Caswell,Neil McBride,Andrew Taylor. OLYMPUS END OF LIFE ANOMALY-A PERSEID
METEOROID IMPACT EVENT?[J].Int. Impact engng.,V ol.17,1995,139-150
3 Gerhard Drolshagen. Hypervelocity impact effects on spacecraft[J].European Space Agency
4 HALLOCK F.SWIFT.THE ROLE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN HYPERVELOCITY IMPACT MECHANICS[J].International Journal of Impact Engineering. VOL.23,2001,745-760
5 DA VID A. CRAWFORD,PETER H. SCHULTZ. Laboratory Investigations of Impact-Generater Plasma[J].Journal of Geophysical Research.VOL.96,1991,18,807-18,817.
6 Mike Fuller. Magnetic fields from impacts.NATURE.VOL.336,1988,12.
7 马月芬，张庆明，吴碧，等.超高速碰撞产生等离子体的电磁场测量方法[J].北京理工大学学报：2011，33（9），118-121
8 唐恩凌，张庆明，相升海，等.超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展[J]. 强激光与粒子束：2011，23（4），853-858
9 唐恩凌，唐伟富，相升海，等.超高速碰撞产生弱磁场线圈测量系统[J]. 强激光与粒子束：2010，22（5），1132-1136
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