六氟化硫扰动电离层研究进展综述

2018-04-02史红星张远鹏

低温与特气 2018年1期

白　云，史红星*，张远鹏，迟　卉

(1.国民核化生防护国家重点实验室，北京102205； 2.防化研究院，北京102205)

六氟化硫(SF6)最早是由Moissan和Lebeau于1900年通过让硫在氟气中燃烧并去除低氟化合物后分离和鉴定出来的。在常温常压下，六氟化硫是一种无色、无味、无毒、无腐蚀性、不燃、不爆炸的气体，具有良好的化学稳定性和热稳定性，卓越的电绝缘性和灭弧性，是一种用途广泛的新型工业材料，是大气环境中常用的示踪剂，是电力行业的灭弧物，在电离层环境也有着广泛的应用。本文就SF6在外太空环境中的研究进展作了综述。

1　SF6空间物理主动释放试验

从20世纪60年代起，通过释放化学物质如SF6，研究电离层结构和特性的工作就开始了，美国、加拿大、巴西等国开展了大量的中性气体释放试验，主要是利用空间飞行器和航天飞机作为工作平台，通过携带载荷舱、火箭发动机喷焰、航天发动机尾焰喷射等方式进行化学物质的释放，取得了很好的效果[1-3]。

1962～1963年，美国空军剑桥实验室(AFCRL)发起“萤火虫”计划(Project Firefly)，试验纬度为中低纬，释放量为22.68 kg，监测到了电离层电子密度衰减。

1983年，由美国空军地球物理实验室(AFGL)、Los Almos国家实验室等联合开展了电离层扰动研究，即IMS试验，释放18 kg SF6，经非相关散射雷达(ISR)监测知，密度衰减达40%，扰动范围达50 km。

1984年和1986年，波士顿大学开展了空间负离子等离子体试验(SPINEX试验)，释放40 kg SF6，监测到在70 km范围内电子密度衰减60%。

1990年，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)和波士顿大学在组合释放和辐射效应卫星(CRRES)试验期间，开展了触发赤道底部的等离子体复合释放SF6试验，释放量为35 kg，观测到显著的密度衰减，衰减幅度为65%，空间范围达60 km。

2　SF6扰动电离层的国内研究现状

国内有关六氟化硫在电离层作用的研究起步较晚，目前主要侧重于模拟研究。中国科学院空间科学与技术研究中心、中国电子科技集团第二十二研究所、武汉大学、西安电子科技大学等数家单位针对人工扰动电离层进行了初步的理论和数值研究，主要集中在以下两个方面。

2.1　电离层扰动试验的数值模拟

中国科学院空间科学与应用研究中心针对我国中纬度地区的5月份白天中午附近进行数值模拟计算，首先计算在325 km释放500 mol SF6的时空分布，然后加入相应的离子化学过程，最后利用电离层的准中性条件得到电子密度的变化[4]。

武汉大学建立了一个包括中性释放气体扩散、离子化学反应及等离子体扩散等过程的化学物质电离层释放三维动力学模型，然后基于该模型对在300 km处分别释放1 mol和100 mol SF6进行了数值模拟[5]。

合肥电子工程学院利用有限元方法，对2000年1月1日凌晨北京地区上空的电离层扰动试验进行了数值模拟计算，在275 km的高度释放SF6100 kg，通过编程计算释放前后不同时刻的电离层电子密度分布变化情况，电离层电子密度减小，出现电子耗空现象[6]。

解放军理工大学气象学院基于包含扩散方程和离子化学反应方程的化学物质释放二维动力学模型，利用有限元方法进行了数值模拟，释放点选择在南京地区，时间为2011年5月15日12LT，此时电子浓度峰值高度为327.5 km，释放物质为500 mol SF6，计算结果显示，SF6扩散速度较慢，反应速度较快，对电离层foF2的影响程度更大，能有效造成电离层“空洞”[7]。

西安电子科技大学物理与广电工程学院开展了电离层释放SF6的三维精细效应研究，在释放物扩散方程中加入了运载器飞行速度和姿态、释放物释放速度和流量、热层风场等参量对释放物扩散过程的影响；在等离子体扩散方程中考虑了地磁倾角和沿场扩散项对人工扰动结构等关键参数的影响，将二维等离子体扩散方程扩散到三维，同时，采用射线追踪方法，研究了电离层人工扰动结构对短波传播路径的影响[8]。

2.2　释放器的设计及其释放效果研究

西北工业大学设计了用于电离层SF6释放的释放器结构。理论计算该释放器可携带20 kg SF6液体，并在0.22 s内完成释放。该结构通过底部爆炸螺栓连接法兰盘进行密封，未考虑释放方式细节[9]。

中科院空间科学与应用研究中心构建了一种基于探空火箭平台的SF6气体释放装置，该装置具有体积小、自重轻、对运载平台要求低等优点，装置自身重量6 kg时可实现2 kg的SF6气体释放[10]。

3　SF6扰动电离层研究的内在动力

SF6在电离层气化相变释放后，在巨大的压力差作用下，像铲雪机一样将周围的等离子体推开，这一过程以声速进行，经历的时间很短，一般只有几秒甚至不足一秒，然后压力差骤减，当气体的压力与环境压力可以相比拟时，SF6与周围等离子体充分混合，进而向空间扩散，这一过程会持续较长时间，离子化学反应也主要在这一阶段发生，如式(1)所示。

k1=2.2×10-7/[1+0.0016×exp(4770/Te)]cm3/s;

(1)

以上各式中Te是电子温度

SF6气体很容易与电子发生反应生成分子离子，分子离子进而又和O+发生反应转变为中性粒子，使气体扩散区域的电离层电子密度降低，从而形成电子密度大大下降的电离层“空洞”，并且维持半个小时以上甚至几个小时[6,7]。

SF6成为一种理想的干扰电离层的物质受到重视并被系统研究，有着先天的优势。

1.较快的电子反应速率。在F层中，占绝对多数的O+与电子复合系数约为10-12cm3/s， SF6参与反应的控制步骤速率约为10-7cm3/s，是CO2(控制步骤速率约为10-9cm3/s)反应速率的近百倍。

SF6较快的反应速率在于其本身具有较高的电子亲和能，其电子亲和能为1.43eV，因此具有较好的电子亲和能力，在电离层与电子作用效果良好，可以造成电离层一定区域范围内显著的电子密度衰减。

2.非常好的稳定性。SF6的化学性质不活泼，非常稳定，在空气中不燃烧，也不助燃，与碱和强酸等均不作用，即使在石英玻璃管中加热到500 ℃时也不分解，因此具有非常好的化学稳定性和热稳定性。

4　SF6扰动电离层存在的问题及改进建议

SF6虽然是目前较为理想的扰动电离层的物质之一，但在一些方面还存在不足有待改善。

SF6亟待改善的问题是在电离层释放扰动时利用率的相对不足。SF6通过火箭等携带释放器进入电离层，携带的化学物质质量有限，需要充分利用释放器内的物质。而在初始温度为319 K的条件下，六氟化硫的气化率仅为0.59，远小于人类的期望值。

SF6的利用率不足主要由于其气化率相对较低。电离层环境是高真空低温环境，外部热源不足，在释放器短暂的释放过程中，相当于绝热过程，当SF6突然暴露在真空环境中，由于压力剧烈下降，远远低于其饱和蒸气压，液体处于过热状态，必然发生闪蒸。由于蒸发要吸取一定的热量，在没有持续热源供热的条件下，闪蒸不可能在全部液体微团中发生，而是一部分发生闪蒸相变，吸收热量使得另一部分温度下降凝结成固态，导致SF6在释放过程中存在气化率。SF6的气化率如式(2)所示。

(2)

式中，fv为SF6的气化率，hv为气化热，hf为熔化热，Cl为液体定压比热，TM为冰点温度，T0为初始温度，当SF6的初始温度并不太高(远低于临界温度)，粗略估算，可以假定SF6的各项物理参数为常数。

由式(2)可知，在电离层环境中，SF6的气化率随初始温度的增加而增加，在临界温度附近，急剧增加至全部气化，由此可知，只要保证SF6在释放器内的初始温度，即可达到希望的释放利用率，因此在释放器充装过程中可以适当升高SF6的初始温度，考虑到释放器在运载过程中与外界的热交换，可以给释放器添加一定厚度的保温层。