@ 2017.05.08 , 09:30

太空尘埃冲击航天器放射无线电波的原理

宇宙飞船和卫星在太空中运动时会遇到微小的、快速移动的太空尘埃和碎片。当这些粒子移动得足够快,就会以无线电波的形式放射电磁辐射,可能会对飞船的电子系统造成影响。

在一项发表在等离子体物理杂志上的文章中,研究者利用计算机模拟证实这些粒子的冲击产生的等离子体云是电磁脉冲的根源。计算机模拟显示随着等离子体在真空中扩散,离子和电子以不同的速度分开运动,产生了无线电波。

太空尘埃冲击航天器放射无线电波的原理
宇宙飞船超载鸡。credit: 煎蛋画师六翼

第一作者、波士顿大学空间物理中心博士后研究员Alex Fletcher说道:“过去几十年里,研究者已经对超高速冲击进行了研究,注意到当粒子运动得足够快速的时候会有辐射产生。此前没有人能解释这是为什么,从何而来,其中的物理机制是什么。”

该研究是验证资深作者Sigrid Close的理论的第一步。Close是斯坦福大学的航空航天副教授,2010年与同事发表了一个假说,认为超高速冲击的等离子体是某些卫星失灵的祸因。

为了模拟超高速冲击等离子体的影响,研究者利用质点网格模拟方法同时对等离子体和电磁场建模。利用先前开发的冲击下的流体和固体动力学计算程序进行模拟,令其演变,计算等离子体产生的辐射。

太空尘埃冲击航天器放射无线电波的原理
credit: 123RF

当粒子高速冲击坚硬表面时,会将目标蒸发并离子化,释放出尘埃、气体和等离子体云。随着等离子体向周围的真空扩散,密度降低并达到无碰撞的状态,其中的粒子不再直接相互作用。

在该研究中,研究者假设在无碰撞等离子体中的电子比更大的离子运动得更快,模拟实验预计这种大规模电荷分离会产生辐射。这一模型的结果与Close最初的理论一致,但预测的无线电频率比在实验中检测到的更高。

作者指出需要进一步检验电子整体与离子分离这一假设。研究团队正在设计新的仿真实验测试无碰撞状态的转变是否足以引起这种分离。

Fletcher还解释道他们忽略了尘埃。“这种冲击产生了与等离子体相互作用的尘埃,这些‘尘埃等离子体’也是下一步的研究方向。”

研究工作的下一步是利用该模拟程序量化产生的辐射,以评估对卫星的威胁程度,并设计方法保护卫星和飞船。

Fletcher说道:“超过一半的电气故障都无法解释,因为难以诊断轨道上的卫星的故障原因。我们认为其中某些故障可能就是由此导致的。”

论文原文:DOI: 10.1063/1.4980833

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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