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2011年  第31卷  第1期

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太阳风-磁层-电离层耦合过程中的能量收支
徐文耀
2011, 31(1): 1-14. doi: 10.11728/cjss2011.01.001
摘要:
太阳风向磁层电离层(Magnetosphere and Ionosphere, MI)系统输入能量, 而输入的能量随后在MI系统中消耗. 本文从能量守恒原理出发, 讨论太阳风-磁层-电离层 (SMI)耦合过程中的能流路径和能量收支的定量关系. 主要讨论9个问题: (1) 太阳风向MI系统的能量输入, (2) MI系统对能量输入的响应, (3) 环电流的能量消耗, (4) 极区电离层焦耳加热的能量消耗, (5) 极光粒子沉降的能量消耗, (6) 磁尾能量的消耗、储存以及返回下游太阳风, (7)平静期间的能量积累与释放, (8)能量在不同能汇中的分配, (9)评价能量函数的准则和方法.
日球层物理和太阳系探测
基于MHD模拟数据的正午午夜子午面磁层顶位形研究
刘慧莲, 黄朝晖
2011, 31(1): 15-19. doi: 10.11728/cjss2011.01.015
摘要:
通过分析太阳风-磁层-电离层系统的三维全球磁流体力学(MHD)模型的计算数据, 给出了正午-午夜子午面磁层顶位形的定量模型. 分析表明, 正午-午夜子午面磁层顶位形可以用文献[3]提出的基于卫星观测数据的、描述赤道面磁层顶位形的函数来描述. 与赤道面磁层顶不同, 正午-午夜子午面磁层顶位形更为复杂. 在忽略极尖区(cusp)的简化条件下, 磁层顶位形仍需利用两条曲线来拟合. 太阳风动压Dp与行星际磁场分量Bz是控制磁层顶位形的主要因素. 行星际磁场为北向时, 磁场增强, 日下点距离r0增大; 行星际磁场为南向时, 磁场增强, 磁层顶日下点距离r0减小. 整体而言, 行星际磁场分量Bz由南转北时, r0增大, 且Bz对r0的影响减弱. 太阳风动压Dp是控制磁层顶日下点的主要因素, Dp增大, r0减小. 磁层顶位形的另一个参数磁层顶磁尾张角α, 随着行星际磁场南向分量增强而增大, 即磁层顶张开程度更加显著, 更多的磁通量由向阳侧传输到夜侧; Dp增大, α略增大, 这意味着Dp对磁通量由日侧向夜侧的传输也有一定的贡献.
中心等离子体片的地向对流型高速流
张灵倩, 王继业, 刘振兴, 史建魁
2011, 31(1): 20-26. doi: 10.11728/cjss2011.01.020
摘要:
在GSM坐标系下, 利用TC-1卫星和Cluster/C1卫星上4s分辨率的磁场和热离子探测数据, 对中心等离子体片内的地向对流型高速流进行了统计研究(-19 Re < x< -9 Re, |y| < 10 Re, |z|< 5 Re). 统计结果表明, 地向对流型高速流会在15 Re以内出现``刹车'', 在11.5 Re附近时出现``缺失''. 进一步对其速度特征进行统计分析. 结果显示, 在中心等离子体片内的高速流, 其运动方向主要为地向, 晨昏和南北方向的运动明显较弱; 在对流型高速流的地向输运过程中, 其峰值速度没有明显的下降; 在近地13 Re以内, 等离子体片内的地向对流型高速流具有较强的垂直磁力线运动速度. 这意味着对流型高速流在近地15 Re以内的“刹车”不是由高速流晨昏或南北方向的偏转造成的. 高速流在11.5 Re附近时出现的``缺失''可能与在15 Re以内出现``刹车''密切相关. TC-1卫星和Cluster卫星的观测为了解中磁尾重联高速流地向输运过程及亚暴膨胀相触发提供了重要的观测依据.
昆明MF雷达及初步探测结果
赵蕾, 陈金松, 李娜, 赵振维, 吴健
2011, 31(1): 27-33. doi: 10.11728/cjss2011.01.027
摘要:
MF雷达是中层大气风场及低电离层电子密度观测的重要手段. 简要介绍了新建昆明MF雷达设备的工作原理、结构及工作模式, 并对观测结果进行初步分析. 对2009年1月观测数据的分析表明, 该月纬向风场最大可达80 m/s, 经向风场则较小, 一般不超过40 m/s, 且二者均呈现一定波动性. 相应的LS谱及谐波拟合分析表明,周日潮汐是80~100 km高度大气风场的主要扰动成分, 其振幅随高度改变, 相位向下传播, 且周日潮汐经向分量相位超前于纬向分量相位. 此外, 分析了MF雷达白天的电子密度观测结果, 并与IRI2000进行比较, 发现两者在变化趋势上有非常好的一致性, 但雷达观测结果小于IRI2000给出的参考值.
平流层爆发性增温期间大气变化特性的COSMIC掩星观测
肖存英, 胡雄
2011, 31(1): 34-43. doi: 10.11728/cjss2011.01.034
摘要:
利用高精度和高垂直分辨率的COSMIC掩星观测资料, 详细深入分析了2007年冬---2008年春平流层爆发性增温(SSW)期间10~60 km高度范围内大气的变化特性, 尤其是上平流层和低中间层大气的变化特性. 结果表明, 在SSW过程中, 温度场、风场和剩余环流都发生了明显的变化. 根据温度在主增温前和主增温盛期的变化特性, 在水平方向, 大约以55ºN为界, 在垂直方向, 大约以42 km为界, 可以将温度场在纬度-高度的分布分为4个区域: 高纬下层增温区, 增温幅度约高达25 K; 高纬上层降温区, 降温幅度约达30\,K; 中纬下层降温区, 降温幅度约为几K; 中纬上层增温区, 增温也约为几K. SSW期间上下层大气纬向风场的变化规律基本相同. 在纬度方向以45ºN为界, 45ºN以北地区的西风减弱东风增强, 风场变化高达50 m/s; 45ºN以南地区西风增强东风减弱, 变化幅度比较小, 约10 m/s. 在2008年1月下旬到2月底, 大气温度和纬向风有明显的振荡现象, 周期约为12天. 剩余环流的环流圈在SSW期间会发生反转, 由此也表明, SSW期间大气中物质的输运方向也会发生改变.
低仰角射线对电离层CT成像的影响分析
赵海生, 许正文, 吴健
2011, 31(1): 44-50. doi: 10.11728/cjss2011.01.044
摘要:
电离层层析成像(Computerized Tomography, CT)是一个有限视角问题, 水平射线的缺失造成CT结果垂直分辨率的严重下降. 很多人直观地认为低仰角射线可以弥补水平射线的缺失, 然而本文的理论分析和数值模拟研究结果表明, 低仰角射线对CT结果的影响十分微小, 其无法弥补水平射线缺失所带来的垂直分辨率的下降. 模拟结果显示, 增加低仰角射线前后CT反演结果几乎没有变化; 而去掉680条低仰角射线和高仰角射线后, CT反演结果差别巨大; 去掉680条低仰角射线的CT结果与模型吻合很好; 去掉680条高仰角射线的CT反演结果失真严重, 几乎无法恢复模型的扰动特征.
基于CPU/GPU的日冕偏振亮度并行计算模型
江雯倩, 钟鼎坤, 解张鹏, 王群, 冯学尚
2011, 31(1): 51-56. doi: 10.11728/cjss2011.01.051
摘要:
三维磁流体力学(MHD)数值模拟是用来研究日冕和太阳风最常用的方法之一, 其中将计算得到的日冕电子数密度转化为日冕偏振亮度(Polarization Brightness, PB)是与观测对比的重要方法. 由于待转换电子数据网格密度、PB数据网格密度和计算模型的复杂度, 使得日冕偏振亮度的计算比较耗时, 利用单CPU计算无法达到近实时转换日冕偏振亮度的要求, 从而影响了数值模拟的验证效率. 本文在CPU/GPU环境下, 利用CUDA编程技术, 提出了一个日冕偏振亮度并行计算模型. 实验结果表明, 该模型比CPU上的串行模型计算速度提高了31.86倍, 达到了近实时模拟与观测数据比对的计算要求.
微重力和空间生命科学
液滴真空闪蒸/冻结过程的热动力学研究
赵凯璇, 赵建福, 陈淑玲, 杜王芳
2011, 31(1): 57-62. doi: 10.11728/cjss2011.01.057
摘要:
建立了低压真空环境单液滴闪蒸/冻结过程的热、质传递模型, 探索液滴在真空闪蒸/冻结过程中的热动力学规律和机理. 对液滴真空闪蒸/冻结过程中的温度、尺寸变化进行了计算, 分析了环境压力、环境温度、液滴初始半径与初始温度等因素对液滴闪蒸预冷时间、快速凝固后继续冻结时间和升华再冷最低温度的影响. 结果表明, 模型能够很好地描述液滴真空闪蒸/冻结过程的基本特征; 环境压力控制着闪蒸/冻结过程的主要特征及终态温度, 是主要控制因素; 液滴初始温度主要影响闪蒸速率, 而初始尺寸则主要影响预冷时间; 环境温度的影响可以忽略.
抗磁性物质磁悬浮方法在空间生物学与生物技术中的应用
曹建平, 尹大川, 骞爱荣, 田宗成, 续惠云, 黄勇平, 商澎
2011, 31(1): 63-72. doi: 10.11728/cjss2011.01.063
摘要:
失重是特定空间运动条件下的重要环境物理特征之一, 一般以微重力环境来表示. 几十年来人类利用空间失重环境进行了多学科领域的科学研究与探索. 由于真实空间失重环境下科学实验机会稀少, 人类为研究空间失重环境或效应, 开发了多种地基的空间模拟实验技术方法. 然而, 对于空间生物学和空间生物技术研究而言, 已有的各种模拟实验技术手段在原理上和应用上均存在一定的局限性. 本文介绍了抗磁性物质在大梯度强磁场中的悬浮现象, 及将其用于模拟空间失重环境的方法与原理;简述了近年来利用抗磁性物质悬浮方法进行生物大分子晶体生长、分子细胞生物学及整体生物学等方面研究与应用的进展.
植物细胞响应重力变化的Ca2+信号
肖媛, 王高鸿, 刘永定
2011, 31(1): 73-79. doi: 10.11728/cjss2011.01.073
摘要:
重力大小的改变(微重力和超重力)可以对植物的生长发育、生理生化特性、细胞超微结构、基因和蛋白的表达等产生广泛的影响, 而Ca2+可能在此过程中起信号物质的作用. 重力刺激在植物细胞中引发事件的顺序可能是: 重力刺激的感受--细胞膜系统张力改变--膜理化特性改变--膜透性、离子转运、膜连接酶活性等改变--Ca2+信号的产生和转导--新陈代谢变化--生理反应. 植物对重力水平变化应激响应的至关重要一步是引起细胞内Ca2+分布区域和浓度的变化, 这是将细胞外重力刺激转换为细胞内化学信号的关键步骤. 由于机械力敏感的Ca2+通道的活化和Ca2+-ATPase酶活性受到抑制, 重力改变时细胞质中自由Ca2+浓度增加, 随后Ca2+作为第二信使介导相关酶活性发生改变, 最终引起一连串的生理生化反应. 本文探讨了重力变化对植物细胞质内自由Ca2+浓度的影响、Ca2+信号的产生机制, 以及Ca2+作为次级信号对细胞生理生化过程调节作用的途径和机制, 介绍了常用的Ca2+研究方法, 并分析了研究的关键点和难点.
空间电磁悬浮线圈参数与悬浮力
叶经纬, 丁文耀, 孙志斌, 黄璜, 赵清, 翟光杰
2011, 31(1): 80-86. doi: 10.11728/cjss2011.01.080
摘要:
以中国空间无容器材料实验装置为应用背景, 重点探讨了电磁悬浮线圈结构参数对线圈内部空间的感生磁场分布情况及电磁悬浮力的影响规律, 研究了悬浮力场分布与匝数、初匝线圈半径、锥角、线圈间距、螺距等结构参数之间的关系, 并通过实验验证了计算的正确性. 为空间电磁悬浮线圈的设计提供了理论参考依据.
空间晶体生长炉综合控制方法
于强, 俞号峰, 刘威
2011, 31(1): 87-92. doi: 10.11728/cjss2011.01.087
摘要:
空间晶体生长炉控制对象复杂, 具有纯滞后、强耦合、非线性等不利于控制的特性. 为实现炉温的精确控制, 提出了一个空间晶体生长炉综合控制方法并通过软件来实现. 将相关系数法和增广递推最小二乘法相结合, 辨识系统模型, 使用Hooke-Jeeves模式搜索法进行PID参数的自整定, 采用PID加前馈控制的算法对系统进行仿真, 使用同样的算法和控制参数对空间晶体生长炉进行实时控制, 并在控制的过程中实时调整控制参数, 以达到最佳的控制结果. 实验结果表明, 当三个温区的温度均达到700ºC时, 温度稳定度小于±0.3ºC, 满足系统设计要求. 同时介绍了实现综合控制软件的基本原理、功能、特点及在实际中的应用. 实际工程的应用结果表明, 该软件可满足空间晶体生长炉对控制系统的要求.
空间探测技术
用蒙特卡罗方法研究质子在航天器内部充电中的作用
田天, 焦维新, 陈旭, 李珑, 万应虎, 魏雅利
2011, 31(1): 93-99. doi: 10.11728/cjss2011.01.093
摘要:
介绍了航天器内部充电的基本物理机制, 重点研究了质子在内部充电中的作用. 用蒙特卡罗方法模拟质子在介质中的输运过程, 计算了简化的平板介质在一定通量的粒子环境中的内部充电情况. 结果表明, 介质内部最大电场与入射质子能量有关, 当质子能量达到14 MeV时候, 内部电场最强; 当质子与电子的入射数目相同, 并且材料参数一样时, 质子产生的最大电场大于电子产生的最大电场. 选取2004年7月26日TC-2卫星姿控分系统故障前的质子和电子通量数据, 分别计算了二者可能引起的内部最大电场. 计算结果表明,质子产生的最大电场比电子产生的最大电场小2~4个数量级, 并且远小于击穿电场; 在某些极端情况下, 例如质子产生的电场和电子产生的电场方向一致的时候, 电场的叠加会使局地电场得到加强.
基于嫦娥一号观测数据的月球形貌可视化技术
邹小端, 刘建军, 李春来
2011, 31(1): 100-105. doi: 10.11728/cjss2011.01.100
摘要:
通过对月球形貌可视化技术的研究, 分析了利用嫦娥一号获取的月球地形和正射影像数据制作月球形貌图的技术方法. 重点介绍了广泛应用于嫦娥一号数据处理和分析的晕渲地形图制作、月球地形影像假彩色融合和三维形貌场景构建的原理, 并给出了每种方法的应用实例. 这些方法为后续月球探测研究、月球空间信息系统以及``数字月球''的建设奠定了基础.
航天应用FPGA配置可靠性研究
王文华, 韩双丽, 张宇, 李国宁, 李新娥, 任建岳
2011, 31(1): 106-111. doi: 10.11728/cjss2011.01.106
摘要:
航天应用系统必须保证每一单元的安全性及可靠性. 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA), 以其I/O管脚丰富、设计灵活等优势, 逐渐被广泛应用于航天领域. 其设计与工艺不断完善, 以适应太空中电子辐射等复杂的工作环境. 由于基于SRAM的FPGA芯片断电后程序丢失, 因此每次上电后都需要先从PROM等外部存储器中加载程序才能正常工作. 然而, 并不是每一个芯片的每一次加载配置都能成功完成, FPGA的上电配置结果将直接关系到卫星任务的成败. 研究发现, 诸如环境温度、信号完整性、供电电压、配置时钟速率等因素会影响FPGA的配置过程, 致使出现偶尔的配置失败, 这在航天应用中是绝对不允许的. 针对实际应用的Xilinx公司FPGA芯片, 为提高上电配置可靠性, 提出了一系列设计保障措施, 在FPGA航天应用领域具有一定的参考价值.
空间探测磁强计安装部件的力学特性分析
庄红超, 王劲东, 王柠, 史荣, 李岩
2011, 31(1): 112-117. doi: 10.11728/cjss2011.01.112
摘要:
对某深空探测器中的有效载荷---高精度磁强计的安装部件进行了有限元分析, 分别获取了磁强计安装部件在升空过程中承受40 g 加速度冲击载荷以及-180~75ºC的极限温度情况下, 在x,y,z方向上的最大应力和最大位移, 给出了由于磁强计安装部件的变形而导致的三个探头在x,y,z方向上的偏转角度, 采用扫频实验法分析了磁强计安装部件的频谱特性, 为空间探测磁强计的设计提供了依据.
星载GPS-R下视天线的可视性研究
张晓坤, 袁洪
2011, 31(1): 118-124. doi: 10.11728/cjss2011.01.118
摘要:
对星载GPS-R海洋遥感接收机下视天线的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对镜面反射点可视性的影响进行了研究. 定义了一个与天线可视区域内地球表面点具有一一对应关系的星下点平面, 提出了星下点平面内的天线波束覆盖区域的确定方法及数学表达式, 在此基础上分析了不同的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对可视性的影响, 并根据某型号空间飞行器的轨道数据进行了仿真验证.