六氟化硫擾動電離層研究進展綜述

白　云，史紅星*，張遠鵬，遲　卉

(1.國民核化生防護國家重點實驗室，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年通過讓硫在氟氣中燃燒并去除低氟化合物后分離和鑒定出來的。在常溫常壓下，六氟化硫是一種無色、無味、無毒、無腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，具有良好的化學穩定性和熱穩定性，卓越的電絕緣性和滅弧性，是一種用途廣泛的新型工業材料，是大氣環境中常用的示蹤劑，是電力行業的滅弧物，在電離層環境也有著廣泛的應用。本文就SF6在外太空環境中的研究進展作了綜述。

1　SF6空間物理主動釋放試驗

從20世紀60年代起，通過釋放化學物質如SF6，研究電離層結構和特性的工作就開始了，美國、加拿大、巴西等國開展了大量的中性氣體釋放試驗，主要是利用空間飛行器和航天飛機作為工作平臺，通過攜帶載荷艙、火箭發動機噴焰、航天發動機尾焰噴射等方式進行化學物質的釋放，取得了很好的效果[1-3]。

1962～1963年，美國空軍劍橋實驗室(AFCRL)發起“螢火蟲”計劃(Project Firefly)，試驗緯度為中低緯，釋放量為22.68 kg，監測到了電離層電子密度衰減。

1983年，由美國空軍地球物理實驗室(AFGL)、Los Almos國家實驗室等聯合開展了電離層擾動研究，即IMS試驗，釋放18 kg SF6，經非相關散射雷達(ISR)監測知，密度衰減達40%，擾動范圍達50 km。

1984年和1986年，波士頓大學開展了空間負離子等離子體試驗(SPINEX試驗)，釋放40 kg SF6，監測到在70 km范圍內電子密度衰減60%。

1990年，美國國家航空和宇宙航行局(NASA)和波士頓大學在組合釋放和輻射效應衛星(CRRES)試驗期間，開展了觸發赤道底部的等離子體復合釋放SF6試驗，釋放量為35 kg，觀測到顯著的密度衰減，衰減幅度為65%，空間范圍達60 km。

2　SF6擾動電離層的國內研究現狀

國內有關六氟化硫在電離層作用的研究起步較晚，目前主要側重于模擬研究。中國科學院空間科學與技術研究中心、中國電子科技集團第二十二研究所、武漢大學、西安電子科技大學等數家單位針對人工擾動電離層進行了初步的理論和數值研究，主要集中在以下兩個方面。

2.1　電離層擾動試驗的數值模擬

中國科學院空間科學與應用研究中心針對我國中緯度地區的5月份白天中午附近進行數值模擬計算，首先計算在325 km釋放500 mol SF6的時空分布，然后加入相應的離子化學過程，最后利用電離層的準中性條件得到電子密度的變化[4]。

武漢大學建立了一個包括中性釋放氣體擴散、離子化學反應及等離子體擴散等過程的化學物質電離層釋放三維動力學模型，然后基于該模型對在300 km處分別釋放1 mol和100 mol SF6進行了數值模擬[5]。

合肥電子工程學院利用有限元方法，對2000年1月1日凌晨北京地區上空的電離層擾動試驗進行了數值模擬計算，在275 km的高度釋放SF6100 kg，通過編程計算釋放前后不同時刻的電離層電子密度分布變化情況，電離層電子密度減小，出現電子耗空現象[6]。

解放軍理工大學氣象學院基于包含擴散方程和離子化學反應方程的化學物質釋放二維動力學模型，利用有限元方法進行了數值模擬，釋放點選擇在南京地區，時間為2011年5月15日12LT，此時電子濃度峰值高度為327.5 km，釋放物質為500 mol SF6，計算結果顯示，SF6擴散速度較慢，反應速度較快，對電離層foF2的影響程度更大，能有效造成電離層“空洞”[7]。

西安電子科技大學物理與廣電工程學院開展了電離層釋放SF6的三維精細效應研究，在釋放物擴散方程中加入了運載器飛行速度和姿態、釋放物釋放速度和流量、熱層風場等參量對釋放物擴散過程的影響；在等離子體擴散方程中考慮了地磁傾角和沿場擴散項對人工擾動結構等關鍵參數的影響，將二維等離子體擴散方程擴散到三維，同時，采用射線追蹤方法，研究了電離層人工擾動結構對短波傳播路徑的影響[8]。

2.2　釋放器的設計及其釋放效果研究

西北工業大學設計了用于電離層SF6釋放的釋放器結構。理論計算該釋放器可攜帶20 kg SF6液體，并在0.22 s內完成釋放。該結構通過底部爆炸螺栓連接法蘭盤進行密封，未考慮釋放方式細節[9]。

中科院空間科學與應用研究中心構建了一種基于探空火箭平臺的SF6氣體釋放裝置，該裝置具有體積小、自重輕、對運載平臺要求低等優點，裝置自身重量6 kg時可實現2 kg的SF6氣體釋放[10]。

3　SF6擾動電離層研究的內在動力

SF6在電離層氣化相變釋放后，在巨大的壓力差作用下，像鏟雪機一樣將周圍的等離子體推開，這一過程以聲速進行，經歷的時間很短，一般只有幾秒甚至不足一秒，然后壓力差驟減，當氣體的壓力與環境壓力可以相比擬時，SF6與周圍等離子體充分混合，進而向空間擴散，這一過程會持續較長時間，離子化學反應也主要在這一階段發生，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是電子溫度

SF6氣體很容易與電子發生反應生成分子離子，分子離子進而又和O+發生反應轉變為中性粒子，使氣體擴散區域的電離層電子密度降低，從而形成電子密度大大下降的電離層“空洞”，并且維持半個小時以上甚至幾個小時[6,7]。

SF6成為一種理想的干擾電離層的物質受到重視并被系統研究，有著先天的優勢。

1.較快的電子反應速率。在F層中，占絕對多數的O+與電子復合系數約為10-12cm3/s， SF6參與反應的控制步驟速率約為10-7cm3/s，是CO2(控制步驟速率約為10-9cm3/s)反應速率的近百倍。

SF6較快的反應速率在于其本身具有較高的電子親和能，其電子親和能為1.43eV，因此具有較好的電子親和能力，在電離層與電子作用效果良好，可以造成電離層一定區域范圍內顯著的電子密度衰減。

2.非常好的穩定性。SF6的化學性質不活潑，非常穩定，在空氣中不燃燒，也不助燃，與堿和強酸等均不作用，即使在石英玻璃管中加熱到500 ℃時也不分解，因此具有非常好的化學穩定性和熱穩定性。

4　SF6擾動電離層存在的問題及改進建議

SF6雖然是目前較為理想的擾動電離層的物質之一，但在一些方面還存在不足有待改善。

SF6亟待改善的問題是在電離層釋放擾動時利用率的相對不足。SF6通過火箭等攜帶釋放器進入電離層，攜帶的化學物質質量有限，需要充分利用釋放器內的物質。而在初始溫度為319 K的條件下，六氟化硫的氣化率僅為0.59，遠小于人類的期望值。

SF6的利用率不足主要由于其氣化率相對較低。電離層環境是高真空低溫環境，外部熱源不足，在釋放器短暫的釋放過程中，相當于絕熱過程，當SF6突然暴露在真空環境中，由于壓力劇烈下降，遠遠低于其飽和蒸氣壓，液體處于過熱狀態，必然發生閃蒸。由于蒸發要吸取一定的熱量，在沒有持續熱源供熱的條件下，閃蒸不可能在全部液體微團中發生，而是一部分發生閃蒸相變，吸收熱量使得另一部分溫度下降凝結成固態，導致SF6在釋放過程中存在氣化率。SF6的氣化率如式(2)所示。

(2)

式中，fv為SF6的氣化率，hv為氣化熱，hf為熔化熱，Cl為液體定壓比熱，TM為冰點溫度，T0為初始溫度，當SF6的初始溫度并不太高(遠低于臨界溫度)，粗略估算，可以假定SF6的各項物理參數為常數。

由式(2)可知，在電離層環境中，SF6的氣化率隨初始溫度的增加而增加，在臨界溫度附近，急劇增加至全部氣化，由此可知，只要保證SF6在釋放器內的初始溫度，即可達到希望的釋放利用率，因此在釋放器充裝過程中可以適當升高SF6的初始溫度，考慮到釋放器在運載過程中與外界的熱交換，可以給釋放器添加一定厚度的保溫層。

5　結語

SF6擾動電離層自身有著先天的優勢，但也存在著不足，通過分析其在作用過程中的優勢與不足，針對不足提出改進建議，通過揚長避短，改善不足，SF6在電離層擾動中的應用會有更廣闊的空間。

參考文獻：

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